CN104882778B - 用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置。公开了一种外腔激光器以及用于操作所述外腔激光器的方法。所述外腔激光器包括增益芯片、光栅、致动器和致动器驱动器。所述光栅将波长带中离开所述增益芯片的光衍射回到所述增益芯片，所述光栅由相对于离开所述增益芯片的光的角度以及距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于所述致动器。一部分所述衍射后的光受所述增益芯片放大。所述激励器驱动器使得所述角度在由幅度和平均频率表征的运动中相对于平衡角度抖动。选取所述抖动运动幅度，以激励所述增益芯片的多个相邻激光模式或提供用于将光栅角度保持在目标值的伺服信号。

Description

用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置

技术领域

本公开涉及用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置。

背景技术

在测量作为波长函数的样本的性质的大量器件中，利用具有可以遍布宽波长范围受调谐的输出波长的激光器。这些器件中所利用的一类激光器基于宽带宽增益芯片，其放置在使用光栅作为外腔中的各“反射器”之一的外腔中。为了调谐输出波长，光栅的位置受调整，以提供期望的激光腔长度，并且光栅上的光的入射角度受调整，使得光栅有选择地将期望波长的光衍射回到增益芯片。

如果光栅所衍射回去的波长带足够大，则可能激励多于一个的激光腔模式。在此情况下，激光输出光可能在比利用来自激光器的光的器件进行测量的时间段更小的时间段上以不可预测的图案在各模式之间跳转。大量非理想因素(例如温度的改变)中的任一可能导致跳转。在脉冲化激光器中，当电流脉冲施加到增益芯片时，不足的光栅分辨率允许多于一个的激光腔模式满足激光发射条件。虽然其它物理机制(例如均匀增益展宽)仅许可一个激光腔模式发射激光，但激光发射腔模式可以随着脉冲而不同。在脉冲化激光器中，脉冲期间的温度的变化可能产生模式跳转(脉冲内模式跳转)。此外，存在与激光模式跳转关联的激光波束指向误差。因为每个激光腔具有不同的频率，所以来自光栅的衍射后的光的角度对于每个激光腔模式是不同的。

大量测量要求在每个测量期间重复地调谐激光器波长以及良好的激光波束指向稳定性。例如，当样本缺失时，可以通过测量背景而从样本信号移除背景。在这些测量中，激光器波长调谐可重复性是非常重要的。由于模式跳转可能在随机时间产生，因此这些变化在激光器波长的调谐中对于要求高调谐可重复性程度和良好的激光波束指向稳定性的测量产生问题。

发明内容

本发明包括一种外腔激光器以及用于操作所述外腔激光器的方法。所述外腔激光器包括增益芯片、光栅、致动器和致动器驱动器。所述光栅将波长带中离开所述增益芯片的光衍射回到所述增益芯片，所述光栅的对准由相对于离开所述增益芯片的光的角度以及距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于所述致动器。一部分所述衍射后的光受所述增益芯片放大。所述致动器驱动器使得所述角度在由幅度和平均频率表征的运动中相对于平衡角度抖动。所述幅度足以激励所述增益芯片的第一多个相邻激光模式。

在本发明的一个方面中，所述致动器驱动器按大于1Hz的平均频率使得所述角度抖动。在本发明的另一方面中，所述致动器驱动器按作为包括所述光栅的机械系统的谐振频率的频率使得所述角度抖动。

在本发明的另一方面中，所述增益芯片按第一频率脉冲化，所述光栅角度按小于所述第一频率的频率抖动。

在本发明的又一方面中，所述外腔激光器包括：检测器，其测量激光功率并且伺服所述致动器驱动器，使得所述光栅的衍射函数的峰值与期望的激光腔模式对准。

在本发明的一个方面中，具有较大数值孔径的长焦距透镜用于准直所述光栅上的光束，以改进所述光栅的选择性。

附图说明

图1示出根据本发明一个实施例的将光提供给测量系统的外腔激光器。

图2示出作为激光光学频率的函数的可能激光腔模式。

图3示出衍射光栅所提供的光学频率选择。

图4示出激光的模式与光栅的衍射函数之间的理想关系。

图5示出当不正确地对准光栅时光栅的模式和衍射函数。

具体实施方式

参照图1可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1示出根据本发明一个实施例的将光提供给测量系统41的外腔激光器。激光器10包括贴装部12上所贴装的增益芯片11。激光腔由增益芯片11的切面14和光栅表面限定。在理想系统中，选取衍射光栅16相对于来自增益芯片11的光束的角度，以将激光锁定在特定模式上。所述角度由致动器15设置，致动器15绕着轴23旋转光栅，其为选取为使得返回到增益芯片11的衍射后的光的波长和激光腔的长度得以保持，以提供期望的输出波长。透镜17将输出光准直为期望的波束大小，以提供待由利用激光器10作为其光源的测量系统使用的光。准直透镜22准直离开增益芯片11的前切面13的光，以从衍射光栅16提供具有设置为提供期望的波长分辨率的直径的准直光束。增加激光波束所覆盖的衍射光栅16上的凹槽的数量在到达增益芯片11的衍射后的光中提供更窄的波长带。为了减少由光栅返回到增益芯片的光的带宽，长焦透镜(具有大数值孔径)可以用于增加光栅表面上的激光波束的大小。在激光器10中，可选光输出21也得以生成，并且可以用于使用检测器19监控激光功率。以下将更详细地讨论在稳定受激励的激光模式中检测器19的使用。替代地，输出波束中的光束划分器可以用于将少量激光功率偏转到光检测器。

现参照图2，图2示出作为激光光学频率的函数的可能激光腔模式。一般有用的是，使用所讨论的激光光学频率而不是来自激光器的光的波长，这是因为激光腔模式作为光学频率的函数而均等地相隔。激光器中的任何波长带等效于对应光学频率带。两个相邻激光腔模式之间的频率差称为自由光谱区(FSR)。增益芯片11的带宽与激光腔的FSR相比很大；因此，需要某种附加光学频率选择元件，以确保仅各激光腔模式之一发射激光。这些光学频率选择性元件的示例包括衍射光栅和色散棱镜。

图1所示的衍射光栅16提供附加光学频率选择。现参照图3，图3示出衍射光栅16所提供的光学频率选择。在51处示出作为光学频率的函数的返回到增益芯片的衍射后的波束中的光的幅度。在以下讨论中，该曲线将称为光栅的衍射函数，或简称为衍射函数。衍射函数为最大值的波长将称为衍射函数最大值。虽然光栅优先使得与f₀不同的频率衰减，但衍射后的光的幅度在距f₀移位的频率处依然显著。理想地，期望的激光模式处于f₀处，作为频率的函数的衍射后的光的幅度如图4所示。在此情况下，模式52和53处的衍射后的光的幅度充分地减少，以确保仅模式54发射激光。

实际上，衍射函数最大频率f₀与激光腔模式之间的失准出现。图5示出这种失准。在此情况下，模式55和56都可以发射激光；虽然仅一个模式将在任何给定时间发射激光。此外，正发射激光的模式可能在这两种模式之间来回跳变。在脉冲激光器中，当电流脉冲注入到增益芯片中时，激光器可以在模式55和56之一中发射激光。衍射频率f₀和激光腔模式的失准可能导致激光定向不稳定性。对于给定的光栅位置，仅一个光学频率f₀绝佳地与激光腔对准。带有不同光学频率的光束在其从光栅返回时具有不同的衍射角度。因此，可能激励具有不同传输方向的模式。这是激光波束指向不稳定性的发源之一。在一些情况下，在增益芯片11中存在波导。波导的基模(fundamental mode)限定期望模式的激光波束传输方向。在这种结构中，除了增益芯片11的波导的基模之外，具有与光栅衍射回到激光器增益芯片的f₀不同的频率的光束激励更高阶横模(transverse mode)。实际上，更高阶波导模式无法完全受波导抑制，这导致输出激光波束的指向不稳定性。

再次参照图1，增益芯片11具有宽增益带宽，以支持跨越相对大波长范围的大量激光腔模式。增益芯片11受驱动器42驱动，驱动器42可以是电流脉冲源。来自增益芯片11的前切面13的光从衍射光栅16受衍射。选取衍射光栅16相对于来自增益芯片11的光束的角度，以选择特定激光腔模式来发射激光。所述角度由致动器15设置，致动器15绕着轴23旋转光栅，其选取为使得返回到增益芯片11的衍射后的光的波长和腔的长度得以保持，以提供期望的激光器波长。透镜17将输出波束准直为期望的波束大小，以提供待由利用激光器10作为其光源的测量系统使用的输出光。透镜22将离开增益芯片11的前切面13的光准直为被设置以从衍射光栅16提供期望的波长的直径。增加衍射光栅16上激光波束所覆盖的凹槽的数量在到达增益芯片11的衍射后的光中提供更窄的波长带。一种用于实现这种期望的窄波长带的方法是使用用于具有较大直径的透镜22的长焦距透镜，以提供较大的准直波束。典型地，从前切面13出现的激光器光以不足以填充前切面13附近所放置的大透镜的角度而发散。因此，进一步远离前切面13所放置的长焦距透镜用于增加波束直径，因此增加激光波束所覆盖的光栅上的凹槽的数量。

本发明基于这样的观测：可重复的激光输出对于大量应用是比具有最窄可能输出波长谱更为重要的。在这些系统中，生成包括来自在某个期望的“理想模式”上居中的多个相邻模式的光的稳定混合光的谱的光源优选为具有在联合跨越所讨论的各模式之间的波长范围的较窄的谱内不可预测地跳变的谱的源。

在本发明的一个方面中，致动器15受驱动器31驱动，驱动器31产生抖动的驱动信号，其使得衍射光栅16在激光器10输出光的时间期间相对于平衡位置来回移动。优选地选取平衡位置，使得到达增益芯片11的衍射后的光的中心波长是期望的激光腔模式的波长。在本发明的该方面中，若干激光腔模式具有在时间上平均的用于发射激光的“均等”机会，并且使用激光器10通过器件所进行的测量基于这些模式的平均。在此情况下，抖动应足够快，使得在给定的测量的停留时间上，存在足够的平均化以提供可重复的测量。

抖动可以是周期性的，或是随机的，或是伪随机的。在作为示例的周期性抖动的情况下，抖动频率应等于或大于利用来自激光器10的光的测量的停留时间的倒数。在本发明的一个方面中，抖动频率是利用来自激光器10的光的测量的停留时间的倒数的整数倍。必须选取抖动频率使得信号不干扰利用激光器10的输出的测量系统。例如，所述频率不应处于利用来自激光器10的光的测量系统的任何特征频率附近。此外，驱动信号不应具有处于所讨论的特征频率附近的任何谐波。如果激光器10运行在脉冲化模式下，则抖动频率还应小于脉冲频率或脉冲重复速率。对于很多实际情况，10Hz与2MHz之间的抖动频率是优选的。较低频率要求较长测量时间。较高频率是优选的；然而，存在由对于实现致动器所使用的机械系统所设置的限制。

对于周期性抖动，抖动波形不限于正弦波形。也可以使用其它波形(三角、锯齿等)。对于随机或伪随机抖动，抖动信号可以由低截止频率(其可以是DC)和高截止频率表征。这些截止频率可以是当以电子方式生成抖动信号时设置的，或可以是由机电系统的自然频率响应设置的。平均频率(或中心频率)可以定义为低截止频率和高截止频率的均值。5Hz-1MHz的范围中的平均频率是优选的。在截止频率所设置的频率范围内，抖动幅度无需是常数。

这种抖动运动在小波长带上产生激光器10所生成的波长的平均化。选取抖动幅度以激励将另外由随机模式跳转所到达的多个相邻激光腔模式。因此，激光器的输出模式得以在这些模式上平均化，并且在时间上平均化之后是更稳定的。通过对各模式平均化，以激光器所生成的光的带宽的小量增加的代价获得可再现的信号。

抖动运动的幅度确定激光输出中所包括的模式，幅度越大，输出中所包括的模式的数量越大。考虑相邻模式带所表示的频率带。由于边沿上的带在每次抖动时不可再现地受激励，因此带的中心区域中的任何特定模式上的停留时间将比带的边沿上的模式的停留时间更可再现。相应地，于在平均化的模式的数量与激光输出谱的可再现性之间存在折中。因此，平均化出现的模式的数量应大得足以确保输出光中的多数能量出自处于带的内部而非带的边沿上的模式。然而，太宽的模式带导致光源的输出谱的频率降级。在本发明的一个方面中，选取抖动幅度，使得平均化出现的模式的数量处于10与50之间。在一个实施例中，模式的数量选取为大于20。然而，在一些测量情境中，平均化出现的模式的数量大于5但小于10的实施例有可能是有利的。

在本发明的一个方面中，抖动频率选取为等于包括光栅和关联部分的机械系统的谐振的频率。于此，应注意，图1中将光栅连接到轴23的臂是用于说明。在很多设计中，不存在用于将光栅连接到“虚拟”轴23的物理臂。也可以利用作为所述机械谐振的谐波或亚谐波的频率这种布置在抖动信号对于机械系统的高效耦合很重要的系统中是有利的。抖动频率优选地是激光重复频率的亚谐波。在本发明的一个方面中，抖动频率是激光重复频率的偶次亚谐波。

随机抖动信号或伪随机抖动信号具有较不可能在测量系统中激励任何谐振的优点。在随机抖动信号的情况下，上述平均频率是每秒在幅度方向上的改变的数量。如果利用随机抖动信号，则白噪声源可以用于相对于致动器15的平衡位置对其进行驱动。通过与上述周期性驱动源类似的方式设置噪声源的幅度以提供模式的平均化。

在本发明的另一方面中，光栅的衍射函数的峰值的频率与使用伺服系统的期望的激光腔模式对准。在此，光栅抖动幅度与激光腔FSR相比很小。在一个实施例中，光栅抖动幅度仅覆盖少部分激光腔FSR。该少部分小于激光腔FSR的百分之50并且优选地小于百分之15的实施例是尤其有用的。检测器19测量激光功率，并且伺服系统调整致动器15将所测量的功率保持在最大功率处，因此维持光栅衍射函数的峰值和期望的激光腔模式的对准。再次参照图4，图4示出正确地对准的光栅。如果光栅衍射函数在频率中稍微移动，则激光功率将下降。因此，如果光栅相对于当前位置抖动，并且平衡位置受调整以维持最大输出功率，则激光器将保持在期望的激光腔模式上发射激光。

现参照图5。仅激光腔模式55和56之一将在任何给定时间发射激光。为了此讨论的目的，假设模式55正发射激光。伺服系统将尝试移动光栅角度，使得功率将处于最大值处。因此，光栅将受调整，使得衍射曲线峰值移动到较低频率。也就是说，光栅将得以定位，使得衍射曲线在模式55处现在具有其最大值。

如上所述，在这些实施例中，抖动幅度必须很小，以防止抖动产生模式跳转。也就是说，抖动幅度应小于将使得衍射函数最大值的频率偏移达多于自由光谱区的幅度。在一个示例性实施例中，设置抖动幅度，使得衍射曲线的峰值的频率的改变小于自由光谱区的一半。

在基于伺服的实施例中的光栅的选择性确定这些实施例是否可以成功地得以实现。如果在期望的模式附近的模式的光学频率的光栅衰减不足，则甚至在调整衍射曲线的最大值的位置的反馈机制的情况下，模式跳转也可能出现。如上所述，可以通过增加光栅上的波束直径的大小从而更多的光栅凹槽受光覆盖来改进光栅的选择性。为了增加波束直径，必须使用较大的准直透镜；然而，透镜必须距增益芯片移动到足以确保来自增益芯片的光填充透镜的距离。在现有技术设计中，透镜22典型地是具有小于7mm的直径的小于3.2mm的焦距透镜。这种布置产生具有小于7mm的直径的准直激光器。在本发明的一个方面中，透镜22是具有15mm的直径的6.5mm焦距透镜。在此情况下，如果光栅的凹槽密度是相同的，则光栅波长选择带宽降低达大于2的因子。

在上述实施例中，对于将增益芯片锁定到其各模式之一的光学频率选择性元件使用光栅。然而，也可以在外腔激光器中使用其它光学选择光学元件(例如一个或多个棱镜)，以提供离开增益芯片的光的选择性衰减。

已经提供本发明上述实施例以示出本发明各个方面。然而，应理解，在不同具体实施例中示出的本发明的不同方面可以组合以提供本发明其它实施例。此外，据前面的描述和附图，本发明的各种修改将变得清楚。相应地，本发明仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (10)

1.一种外腔激光器，包括：

增益芯片；

光学频率选择性元件，其有选择地将作为波长带中的光学频率的函数的离开所述增益芯片的受衰减的光发送回到所述增益芯片，所述光学频率选择性元件由相对于离开所述增益芯片的光的角度和距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于致动器，来自所述光学频率选择性元件的一部分所述光受所述增益芯片放大；以及

致动器驱动器，其使得所述角度在由幅度和平均频率表征的运动中相对于平衡角度抖动，所述幅度足以激励所述增益芯片的多个相邻激光腔模式。

2.如权利要求1所述的外腔激光器，其中，所述光学频率选择性元件包括：光栅，其将波长带中离开所述增益芯片的光衍射回到所述增益芯片，所述光栅由相对于离开所述增益芯片的光的角度和距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于所述致动器，一部分所述衍射后的光受所述增益芯片放大。

3.如权利要求1所述的外腔激光器，其中，所述多个相邻激光腔模式大于5并且小于50。

4.如权利要求2所述的外腔激光器，其中，所述致动器驱动器使得所述角度按作为包括所述光栅的机械系统的谐振频率的频率而抖动。

5.如权利要求2所述的外腔激光器，还包括：检测器，其测量所述外腔激光器生成的光的功率并且伺服所述致动器，使得所述受测量功率保持在最大功率，其中，所述光栅由作为用于所述增益芯片所放大的光的频率的函数的衍射曲线表征，其中，所述激光腔由自由光谱区表征，并且其中，所述角度受抖动使得所述衍射曲线的最大值受抖动达小于所述激光腔的所述自由光谱区的量。

6.如权利要求2所述的外腔激光器，其中，所述增益芯片按第一频率脉冲化，并且其中，所述平均频率小于所述第一频率。

7.如权利要求6所述的外腔激光器，其中，所述平均频率是所述第一频率的偶次亚谐波。

8.如权利要求2所述的外腔激光器，还包括：准直透镜，其在离开所述增益芯片的光撞击所述光栅之前根据该光生成准直光束，所述准直光束具有大于10mm的直径以及大于4.4mm的焦距。

9.一种用于操作激光器的方法，所述激光器包括增益芯片、光栅和致动器，所述光栅将波长带中离开所述增益芯片的光衍射回到所述增益芯片，所述光栅由相对于离开所述增益芯片的光的角度和距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于所述致动器，所述方法包括：通过致动器驱动器操作所述致动器，以使得所述角度在由幅度和平均频率表征的运动中相对于平衡角度抖动。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：测量所述激光器所生成的光的功率，并且调整所述致动器，使得所述受测量功率保持在最大功率，其中，所述光栅由作为用于所述增益芯片所放大的光的频率的函数的衍射曲线表征，其中，所述激光腔由自由光谱区表征，并且其中，所述角度受抖动使得所述衍射曲线的最大值受抖动达小于所述激光腔的所述自由光谱区的量。