CN108141003A - 用于快速调谐激光器腔的线性电机或音圈 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐激光器包括：反射镜；部分透射镜；由泵浦源激励的增益介质；包围所述增益介质的一对镜；定位在所述增益介质与所述反射镜之间的第一棱镜和第二棱镜；所述第一棱镜接收所述增益介质的辐射并且将所述辐射分散到所述第二棱镜；所述第二棱镜接收所述辐射并且将所述辐射引导朝向光学元件，所述光学元件基于对所述第二棱镜的位置对空间分散的辐射进行滤波，所述辐射在所述反射镜与所述部分透射镜之间谐振；所述第二棱镜位于平台上，所述平台由线性电机移动，使得通过将所述第二棱镜移动到一定位置来获得期望中心波长，以便允许具有所述期望中心波长的辐射在所述反射镜与所述部分透射镜之间谐振。

Description

用于快速调谐激光器腔的线性电机或音圈
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年10月16日提交的第62/242,568号美国临时专利申请的权益。美国临时专利申请62/242,568的公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及激光器的调谐，并且更具体地涉及一种线性电机或音圈，其结合激光器腔内部的波长选择元件使用，以允许快速且无反冲地调谐中心波长。
背景技术
随时间推移，物理与生命科学中的很多应用都要求利用某一波长或精确波长扫描来激发样本。可调谐激光器通常用来提供波长相应地变化的激发辐射。
为了改变激光器腔中的波长，需要由宽带增益元件和波长选择元件或者共同充当波长滤波器的若干元件的组合来构成该器腔。波长滤波器的实例是双折射调谐板或者两个棱镜、孔口和反向反射器的组合。在后一种情况下，根据波长，激光器腔内部的光被棱镜分开，并且孔口滤波出期望的波长。可以移动孔口或第二棱镜以改变波长。具体地，在模式锁定激光器中，后一种情况可能是有利的，因为它允许在改变波长的同时操纵净腔色散。由于棱镜是腔的一部分，因此棱镜的移动需要平稳且精确。在现有的解决方案中，通常使用编码的伺服或步进电机和由导螺杆驱动的平移平台的组合来移动棱镜。这种设置的调谐速度较慢并且随时间推移会受到磨损。尤其是在生命科学界的很多实验要尝试研究某些样本的时间演化，并且需要快速的波长跳跃或扫描。现有的解决方案迄今未能满足这些需求。
本发明提供了一种解决所述技术问题的方案，即如何在不牺牲扫描的准确性的情况下，对比现有解决方案，使激光器的波长改变速度快一个数量级。本发明使得能够只利用一个激光器来进行过去常常需要两个同步激光器来完成的实验。
发明内容
本发明的实施方案提供一种可调谐激光器，其包括：反射镜；部分透射镜；增益介质；包围增益介质的一对镜，这对镜中的一者或两者为曲面的；泵浦源，其被配置成激励增益介质；定位在增益介质与反射镜之间的第一棱镜和第二棱镜；其中第一棱镜被配置成接收来自增益介质的辐射并且将辐射分散到第二棱镜；其中第二棱镜被配置成接收来自第一棱镜的辐射，并且将辐射引导朝向光学元件或光学元件的总成，该光学元件或光学元件的总成基于其相对于第二棱镜的位置对空间分散辐射进行滤波，使得辐射在反射镜与部分透射镜之间谐振；其中第二棱镜位于可移动平台上，使得通过将携载第二棱镜的平台移动到一定位置来获得来自部分透视镜的激光输出的期望中心波长，以便允许分散辐射的具有期望中心波长的一部分在反射镜与部分透射镜之间谐振；且其中所述平台由线性电机来移动。
本发明的实施方案提供一种用于在不到100ms内实现数百纳米的波长变化的设置。应注意，在本公开中，可以同义地使用术语“线性电机”和“音圈”。线性电机与伺服或步进电机的区别在于平移的高加速度和高线速度。此外，由于它们非接触地操作，因此运动异常平稳，并且在调谐激光器时不会使主动发射激光中断。
附图说明
图1示出根据实施方案的可调谐激光器。
图2示出棱镜对光的色散。
图3示出根据实施方案的可调谐部分的细节。
具体实施方式
根据本发明的原理对说明性实施方案的描述应当结合附图来阅读，附图应被视作整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明实施方案的描述中，对方向或取向的任何引用仅仅是为了便于描述，而非旨在以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相关术语应解释为如随后所描述或讨论的附图所示的取向。这些相关术语仅仅是为了便于描述，并且除非明确字这样指出，否则不要求按特定取向上构造或操作设备。除非另有明确描述，否则诸如“附接”、“粘上”、“连接”、“联接”、“互连”以及类似的术语可以指代结构直接或通过中间结构间接固定或附接到彼此的关系，以及可移动或刚性附接或关系。此外，参考例示的实施方案说明了本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应限于说明可以单独存在或在特征的其他组合中存在的特征的一些可能的非限制组合的此类示例性实施方案；本发明的范围由所附权利要求书限定。
本公开描述了当前预期的实践本发明的一个或多个最佳模式。本描述并不旨在被理解为具有限制性意义，而是提供了仅为了说明，通过参考附图而提供的本发明的实例，以向本领域的一般技术人员建议本发明的优势和构造。在附图的各个视图中，相同参考标记指代相同或相似部分。
重要的是应注意，所公开的实施方案仅仅是本文中的创新教导的许多有利用途的实例。一般来说，在本申请的说明书中作出的陈述不一定限制各个所要求保护的发明中的任一个。此外，一些陈述可以适用于一些发明特征，但不适用于其他发明特征。一般来说，除非另外指明，否则在不失一般性的情况下，单数元件可以是复数的，反之亦然。
图1示出根据本发明的实施方案的可调谐激光器。反射镜230和部分透射镜110沿着如图所示的光路形成谐振器。增益介质120沿着两个镜110、230之间的光路定位。两个镜160包围增益介质120。在一个优选实施方案中，一个或两个镜160为曲面，以便形成稳定腔。在一个实施方案中，增益介质120由泵浦源130纵向激励。或者，在另一实施方案中，增益介质120由泵浦源130横向激励。在一个实施方案中，泵浦源130是光泵浦，诸如，DPSS、半导体激光器或纤维激光器。在另一实施方案中，泵浦源130是电泵浦。合适的泵浦源的选择取决于所使用的增益介质。调谐部分200包括第一棱镜210、第二棱镜220、孔口250和反射镜230。第一棱镜210的顶点指向与第二棱镜220的顶点相反的方向。
应注意，当棱镜对210、220放在激光谐振器的内部时，它可以用于进行波长调谐。此外，棱镜对可以用于色散补偿。每次光穿过激光器腔内的光学元件时，出现正色散(通常被称为正常色散)。棱镜本身有助于正色散。然而，当适当配置时，棱镜对可以引入负色散，因为与具有较短波长的光相比，具有较长波长的光在两个棱镜之间传播额外的距离。通过仔细选择棱镜对的几何形状，有可能对腔内的所有其他元件进行色散补偿。
通过将棱镜对放在激光谐振器内，不同波长(或频率)分量的空间分离可以用于激光器的波长调谐。如图2所示，当光穿过第一棱镜210时，光被分散到成两个不同的波长。发生这种色散是因为折射角取决于棱镜材料的折射率，而棱镜材料的折射率又略微依赖于传播穿过所述棱镜的光的波长。这意味着不同波长的光将以不同的速度传播，并且因此光将色散，其中较长的波长比较短的波长折射得少。
为简单起见，图2示出具有中心波长λ1和λ2的光被棱镜210分散到两个不同的方向上。当第二棱镜220处于位置1时，其拦截具有中心波长λ1的光。当第二棱镜220处于位置2时，其拦截具有中心波长λ2的光。因此，如果棱镜对210、220放在谐振器的内部，那么可以通过移动棱镜220以及元件290来调谐在腔中谐振的激光器波长，元件290基于其相对于棱镜220的位置对辐射进行滤波。
在一个实施方案中，滤波元件290是与反射镜230结合的孔口250。在又一个实施方案中，滤波元件290可以是具有有利于从分散的辐射中选择波长的某一几何形状或曲率的反射镜。或者，在另一实施方案中，可以移动孔口250或反射镜230来选择不同的波长以在腔中谐振。
如上文论述，由于棱镜是腔的一部分，因此棱镜的移动需要平稳且精确。在现有的系统中，通常使用编码的伺服或步进电机和由导螺杆驱动的平移平台的组合来移动棱镜。然而，这些现有系统的调谐速度较慢并且随时间推移会受到磨损。
图3示出根据实施方案的可调谐激光器的调谐部分200的细节。棱镜220坐落于平移平台270上。平移平台由线性电机260移动。当向线性电机施加电流时，线性电机260的固定磁性驱动杆280使台270移动。通过控制施加到线性电机的电流，棱镜220可以移动到所需位置，以便拦截来自棱镜210的色散光中具有期望中心波长的那部分。或者，电机可以固定并且杆附接到所述台。
在一个实施方案中，可以使用检测器140来检测激光器输出光谱，并且检测到的结果可以馈送到反馈控制器150，以控制所述台的移动。控制器也可以控制泵浦源以及调谐，以输出很好地受控的调谐脉冲。
在又一实施方案中，线性电机可以使用内部编码器来了解其的位置，并且可以通过一查找表来设置波长。查找表包括与线性电机的不同位置对应的输出波长。这意味着以“开环”方式来设置波长。
通过为位于电机外壳中的线圈或一对线圈提供电流来操作线性电机或音圈致动器。线圈中的电流与磁杆中的磁体的磁场相互作用，从而基于洛伦兹力原理产生力。该力导致电机外壳与磁杆之间相对移动。一些线性电机/音圈致动器基于动圈设计，而其他线性电机/音圈致动器是基于动磁设计。
线性电机或音圈适合于需要高加速度、高速度和精确控制的应用。因此，本发明的实施方案在要求波长的快速且准确调谐的激光器中实现线性电机/音圈的独特优点。它满足了许多生命科学实验中所需要的一种长期存在的需求，这种需求是公认的、持久的，并且不能通过现有的快速、精确地移动台的方法来解决。
尽管上文说明的实施方案中公开了在一个维度上的平台平移，但预期调谐元件可以在二维或三维空间中行进。例如，两个线性电机可以用于在x-y平面中移动调谐元件。此外，棱镜可以相对于光路在任何角度上移动，从而使得对激光进行更灵活、精确且快速的调谐。
尽管已经相当详细地描述了本发明并且相对于若干描述的实施方案具有一些特殊性，但并非旨在限于任何此类细节或实施方案或者任何特定的实施方案，而是应参考所附权利要求书进行解释，以便针对现有技术提供对此类权利要求书的尽可能广泛的解释，因此，有效地涵盖本发明的预期范围。
本文所述的所有实例和条件性语言都旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为进一步发展本领域而提出的概念，并且不应被解释为局限于此类具体叙述的实例和条件。此外，本文中叙述本发明的原理、方面和实施方案的所有陈述以及其具体实例旨在涵盖其结构和功能等效物。此外，此类等效物旨在包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，不论结构如何，所开发的执行相同功能的任何元件。

Claims (13)

1.一种可调谐激光器，包括：
反射镜(230)；
部分透射镜(110)；
增益介质(120)；
包围所述增益介质的一对镜(160)，这对镜中的一者或两者为曲面的；
泵浦源(130)，该泵浦源(130)被配置成激励所述增益介质(120)；
位于所述增益介质(120)与所述反射镜(230)之间的第一棱镜(210)和第二棱镜(220)；
其中所述第一棱镜(210)被配置成从所述增益介质(120)接收辐射并且将所述辐射分散到所述第二棱镜(220)；
其中所述第二棱镜(220)被配置成从所述第一棱镜(210)接收辐射，并且将所述辐射引导朝向光学元件或光学元件的总成(290)，所述光学元件或光学元件的总成基于其相对于所述第二棱镜(220)的位置对空间分散的辐射进行滤波，使得在所述反射镜(230)与所述部分透射镜(110)之间使辐射谐振；
其中所述第二棱镜(220)位于可移动的平台(270)上，使得通过将携载所述第二棱镜(220)的所述平台(270)移动到一定位置来获得来自所述部分透射镜的激光输出的期望中心波长，以便允许具有所述期望中心波长的一部分的分散的辐射在所述反射镜(230)与所述部分透射镜(110)之间谐振；以及
其中所述平台由线性电机(260)来移动。
2.如权利要求1所述的可调谐激光器，其进一步包括位于所述反射镜(230)的前部的孔口(250)。
3.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述反射镜(230)是曲面镜。
4.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述激光输出的波长在1s内至少变化100nm。
5.如权利要求1所述的可调谐激光器，其进一步包括检测器(140)，该检测器被配置成检测来自所述部分透射镜(110)的激光辐射输出。
6.如权利要求4所述的可调谐激光器，其进一步包括控制器(150)，该控制器被配置成基于来自所述检测器的结果来控制所述线性电机。
7.如权利要求5所述的可调谐激光器，其中所述控制器(150)进一步被配置成基于来自所述检测器的结果来控制所述泵浦源(130)。
8.如权利要求7所述的可调谐激光器，其中所述检测器(140)被配置成检测来自所述部分透射镜的激光辐射输出的光谱。
9.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述平台或平台的总成能够在二维平面中移动，并且通过线性电机沿着一个方向且通过另一个线性电机沿着另一方向移动。
10.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述第一棱镜(210)位于另一可移动的平台上。
11.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述反射镜(230)位于另一可移动的平台上。
12.如权利要求2所述的可调谐激光器，其中所述孔口(250)位于另一可移动的平台上。
13.如权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述线性电机(260)包括内部编码器来确定其位置，并且能够通过一查找表来设置所述波长。
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