CN105790056A - 谐振腔光程调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐振腔光程调节装置及方法，其中，装置包括：谐振腔和设置在所述谐振腔内的标准具；所述标准具，用于调节所述谐振腔的光程。上述装置通过设置在谐振腔内的标准具来调节谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

Description

谐振腔光程调节装置及方法

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，尤其涉及一种谐振腔光程调节装置及方法。

背景技术

目前，由激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器(DPL)由于其转换效率高、结构紧凑、系统稳定、使用寿命长以及维护方便等优点得到了广泛的应用。在腔长(即谐振腔光程)调节方面，传统的做法是利用压电陶瓷(PZT)的伸缩平动，推动谐振腔的腔镜平动，以实现谐振腔腔长的连续变化。但是现有的调节装置结构复杂、成本高且技术要求高。

鉴于此，如何提供一种结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当的谐振腔光程调节装置及方法成为目前需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供一种谐振腔光程调节装置及方法，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

第一方面，本发明提供一种谐振腔光程调节装置，包括：谐振腔和设置在所述谐振腔内的标准具；

所述标准具，用于调节所述谐振腔的光程。

可选地，所述标准具，具体用于通过其温度的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

$L_{opl}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数。

可选地，所述装置还包括：

用于改变所述标准具温度的温控炉，所述标准具放置在所述温控炉内。

可选地，所述标准具，具体用于通过其入射角的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

${L_{opl}}^{\′}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。

可选地，所述装置还包括：

用于改变所述标准具入射角的转台，所述标准具固定于所述转台上。

可选地，所述标准具为未镀膜的标准具，或者镀有高透膜的标准具。

可选地，在所述标准具为未镀膜的标准具时，所述θ为布儒斯特角；

在所述标准具为镀有高透膜的标准具时，所述θ为0度。

可选地，所述谐振腔包括：驻波腔、或者环形腔。

第二方面，本发明提供一种基于上述谐振腔光程调节装置的谐振腔光程调节方法，包括：

通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程。

可选地，所述通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程，包括：

通过改变设置在谐振腔内的标准具的温度来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

$L_{opl}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数；

或者，

通过改变设置在谐振腔内的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

${L_{opl}}^{\′}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。

由上述技术方案可知，本发明的谐振腔光程调节装置及方法，通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种谐振腔光程调节装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的谐振腔光程调节装置中的标准具对入射光偏折的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图；

图4为图1或图3的谐振腔光程调节装置的未镀膜的标准具以布儒斯特角入射时对谐振腔光程的调节曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的图5或图6的谐振腔光程调节装置的镀有高透膜的标准具正入射时对谐振腔光程的调节曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的基于本发明实施例的谐振腔光程调节装置的谐振腔光程调节方法的流程示意图；

附图标记：

图中，1、未镀膜的标准具；2-01、第一腔镜；2-02、第一腔镜；2-03、第三腔镜；3、镀有高透膜的标准具。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种谐振腔光程调节装置，包括：谐振腔和设置在所述谐振腔内的标准具(FP)；

所述标准具，用于调节所述谐振腔的光程。

在具体应用中，所述标准具的材质可以为石英、无水石英、JGS1、JGS2、JGS3等以及YAG、YVO4、GSGG、GYSGG等激光基质材料。

在具体应用中，所述谐振腔可包括：驻波腔、或者环形腔等，本实施例并不对其进行限制。

图2为所述标准具对入射光偏折的示意图，进一步地，在具体应用中，所述标准具可以为未镀膜(UC)的标准具，可以参见图1或图3，所述θ可优选为布儒斯特角，以便当谐振腔内只有p光起振时，插入损耗最小；

所述标准具也可以为镀有高透膜(AR)的标准具，可参见图5或图6，所述θ可优选为0度，以便获得更好的调谐精度。

在具体应用中，所述标准具，可具体用于通过其温度的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数。

进一步地，在具体应用中，当采用温度调节方式时，所述装置还可包括：

用于改变所述标准具温度的温控炉，所述标准具放置在所述温控炉内。

当采用温度调节方式时：

在所述标准具为未镀膜的标准具时，所述未镀膜的标准具的厚度可优选为毫米量级；

在所述标准具为镀有高透膜的标准具时，所述镀有高透膜的标准具的厚度可优选为毫米量级；

优选地，所述温控炉的调节步长小于0.1℃，稳定性小于0.1℃。

可理解的是，在(通过温控炉)调节所述标准具温度时，由于d与n均是所述标准具温度的单调函数，所以d与n均会随之改变，根据上述公式一，所述谐振腔的光程L_opl也会随之改变，可达到调节所述谐振腔的光程的目的。

在具体应用中，所述标准具，可具体用于通过其入射角的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。

进一步地，在具体应用中，当采用角度调节方式时，所述装置还可包括：

用于改变所述标准具入射角的转台，所述标准具固定于所述转台上。

当采用角度调节方式时：

优选地，在所述标准具为未镀膜的标准具时，所述未镀膜的标准具的厚度小于1mm；

优选地，在所述标准具为镀有高透膜的标准具时，所述镀有高透膜的标准具的厚度小于1mm；

优选地，所述转台的步长小于1m°。

应说明的是，当采用未镀膜的标准具以布儒斯特角设置在所述谐振腔内、并采用角度调节方式时，所述转台的步长小于1m°，可以实现所述谐振腔的光程(即所述谐振腔腔长)的调节精度小于5nm量级。

可理解的是，在(通过转台)调节所述标准具入射角θ时，根据上述公式二，所述谐振腔的光程L_opl'也会随之改变，可达到调节所述谐振腔的光程的目的。

本实施例的谐振腔光程调节装置，通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、应用范围广，普通实验室中便于实现，且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当，可以以较高的分辨率连续调节谐振腔的光程(即腔长)，从而对激光器的输出波长进行连续调谐。对于常用的红外激光，单个纵模的调节可以达到较高的精度。

应说明的是，插入FP的方法可以获得与PZT相当的精度，而且结构更简单，材料也更容易获得。而对于FP的应用，传统的应用思路是将FP镀有反射率约为40％到60％的膜，用以选择谐振腔内起振纵模，而本实施例的应用是改变谐振腔的光学腔长，从而连续调谐谐振腔的纵模，因此，是在FP应用方面的一项创新。

为了更清楚，下述图1、图3、图5和图6分别提供了对本实施例的谐振腔光程调节装置更进一步说明的四种不同的谐振腔光程调节装置。

图1示出了一种谐振腔光程调节装置的结构示意图，图1中的谐振腔光程调节装置，包括：未镀膜的标准具1；由第一腔镜2-01和第二腔镜2-02构成的谐振腔；

其中，由第一腔镜2-01和第二腔镜2-02构成的谐振腔为驻波腔，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02相距预设距离，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02均与入射光线相垂直，未镀膜的标准具1设置在第一腔镜2-01和第二腔镜2-02之间。

其中，如图2所示，所述θ为布儒斯特角55.4°，以便当谐振腔内只有p光起振时，插入损耗最小。

优选地，未镀膜的标准具1的厚度小于1mm。

具体地，本实施例的未镀膜的标准具1可选用0.7mm厚石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×0.7mm；第一腔镜2-01和第二腔镜2-02可设置为JGS1石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×5mm，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02相距300mm。

应说明的是，未镀膜的标准具1以布儒斯特角55.4°插入谐振腔后，在55°到56°的范围内，谐振腔光程(即腔长)的变化为300.436mm到300.4413mm，如图4所示。以1m°为转台精度时，腔长调节精度为5.3nm。

本实施例中，以1064nm光为谐振腔振荡波长，单个纵模间隔的调节步数为200.7步。

上述谐振腔光程调节装置，通过调节设置在谐振腔(驻波腔)内的未镀膜的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

图3示出了另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图，图3中的谐振腔光程调节装置，包括：未镀膜的标准具1；由第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03构成的谐振腔；

其中，由第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03构成的谐振腔为环形腔，第一腔镜2-01至第二腔镜2-02的光程等于第一腔镜2-01至第三腔镜2-03的光程，第二腔镜2-02处的光线的反射角及第三腔镜2-03处的光线的反射角均为17.3°，初始总光程为3mm。

其中，如图2所示，所述θ为布儒斯特角55.4°，以便当谐振腔内只有p光起振时，插入损耗最小。

优选地，未镀膜的标准具1的厚度小于1mm。

具体地，本实施例的未镀膜的标准具1可选用0.7mm厚石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×0.7mm；第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03可设置为JGS1石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×5mm。

应说明的是，未镀膜的标准具1以布儒斯特角55.4°插入谐振腔后，在55°到56°的范围内，谐振腔光程(即腔长)的变化为300.436mm到300.4413mm，如图4所示。以1m°为转台精度时，腔长调节精度为5.3nm。

本实施例中，以1064nm光为谐振腔振荡波长，单个纵模间隔的调节步数为200.7步。

上述谐振腔光程调节装置，通过调节设置在谐振腔(环形腔)内的未镀膜的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

图5示出了另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图，图5中的谐振腔光程调节装置，包括：镀有高透膜的标准具3；由第一腔镜2-01和第二腔镜2-02构成的谐振腔；

其中，由第一腔镜2-01和第二腔镜2-02构成的谐振腔为驻波腔，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02相距预设距离，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02均与入射光线相垂直，镀有高透膜的标准具3设置在第一腔镜2-01和第二腔镜2-02之间。

其中，所述θ为0°，以便提高调节谐振腔光程(即腔长)的调谐精度。

优选地，镀有高透膜的标准具3的厚度小于1mm。

具体地，本实施例的镀有高透膜的标准具3可选用0.7mm厚石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×0.7mm；第一腔镜2-01和第二腔镜2-02可设置为JGS1石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×5mm，第一腔镜2-01和第二腔镜2-02相距300mm。

应说明的是，正入射插入0.7mm的镀有高透膜的标准具3后，谐振腔光程(即腔长)变化为300.3150mm，在0°附近调节时，谐振腔光程的变化具有二次曲线的特征。从0°到1°的范围内谐振腔光程的变化为300.3150000mm到300.3150330mm，如图7所示；总腔长变化为33nm，具有极高的精度。

本实施例中，以1064nm光为谐振腔振荡波长，单个纵模间隔的调节约为5.5°。

上述谐振腔光程调节装置，通过调节设置在谐振腔(驻波腔)内的镀有高透膜的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

图6示出了另一种谐振腔光程调节装置的结构示意图，图3中的谐振腔光程调节装置，包括：镀有高透膜的标准具3；由第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03构成的谐振腔；

其中，由第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03构成的谐振腔为环形腔，第一腔镜2-01至第二腔镜2-02的光程等于第一腔镜2-01至第三腔镜2-03的光程，第二腔镜2-02处的光线的反射角及第三腔镜2-03处的光线的反射角均为17.3°，初始总光程为300mm。

其中，所述θ为0°，以便提高调节谐振腔光程(即腔长)的调谐精度。

优选地，镀有高透膜的标准具3的厚度小于1mm。

具体地，本实施例的镀有高透膜的标准具3可选用0.7mm厚石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×0.7mm；第一腔镜2-01、第二腔镜2-02和第三腔镜2-03可设置为JGS1石英玻璃，尺寸可优选为Φ25mm×5mm。

应说明的是，正入射插入0.7mm的镀有高透膜的标准具3后，谐振腔光程(即腔长)变化为300.3150mm，在0°附近调节时，谐振腔光程的变化具有二次曲线的特征。从0°到1°的范围内谐振腔光程的变化为300.3150000mm到300.3150330mm，如图7所示；总腔长变化为33nm，具有极高的精度。

本实施例中，以1064nm光为谐振腔振荡波长，单个纵模间隔的调节约为5.5°。

上述谐振腔光程调节装置，通过调节设置在谐振腔(环形腔)内的镀有高透膜的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

图8示出了基于上述谐振腔光程调节装置的谐振腔光程调节方法，包括：

101、通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程。

在具体应用中，所述步骤101可具体包括：

通过改变设置在谐振腔内的标准具的温度来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

$L_{opl}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数。

在具体应用中，所述步骤101可具体包括：

通过改变设置在谐振腔内的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

${L_{opl}}^{\′}=L+\frac{d(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n)}{\sqrt{1-{(\sin \mathrm{\θ}/n)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。

本实施例的谐振腔光程调节方法，基于上述谐振腔光程调节装置，通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程，结构简单、成本较低、易于实现且与现有技术的谐振腔光程调节精度相当。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种谐振腔光程调节装置，其特征在于，包括：谐振腔和设置在所述谐振腔内的标准具；

所述标准具，用于调节所述谐振腔的光程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标准具，具体用于通过其温度的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

$L_{opl}=L+\frac{d\left(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n\right)}{\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

用于改变所述标准具温度的温控炉，所述标准具放置在所述温控炉内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标准具，具体用于通过其入射角的改变来调节所述谐振腔的光程；

其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

${L_{opl}}^{\′}=L+\frac{d\left(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n\right)}{\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

用于改变所述标准具入射角的转台，所述标准具固定于所述转台上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述标准具为未镀膜的标准具，或者镀有高透膜的标准具。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述标准具为未镀膜的标准具时，所述θ为布儒斯特角；

在所述标准具为镀有高透膜的标准具时，所述θ为0度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振腔包括：驻波腔、或者环形腔。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的谐振腔光程调节装置的谐振腔光程调节方法，其特征在于，包括：

通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过设置在谐振腔内的标准具来调节所述谐振腔的光程，包括：

通过改变设置在谐振腔内的标准具的温度来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl为：

$L_{opl}=L+\frac{d\left(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n\right)}{\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率，θ是固定值，d与n均是所述标准具温度的单调函数；

或者，

通过改变设置在谐振腔内的标准具的入射角来调节所述谐振腔的光程，其中，所述谐振腔的光程L_opl'为：

${L_{opl}}^{\′}=L+\frac{d\left(n-\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}-{\sin }^2\mathrm{\θ}/n\right)}{\sqrt{1-{\left(\sin \mathrm{\θ}/n\right)}^2}},$

L为所述谐振腔内未设置所述标准具时的光程，θ为所述谐振腔内光线与所述标准具法线的夹角，d为所述标准具的厚度，n为所述标准具的折射率。