CN108535859A - 一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，包括：根据单片式光腔的光路分布，在封闭光路的内部设计用于嵌入压电陶瓷芯片的内嵌空间，保证内嵌空间不会影响光路的分布；根据内嵌空间的形状和尺寸，选定所使用的压电陶瓷芯片；在单片式光腔中加工出内嵌空间；将压电陶瓷芯片嵌入内嵌空间并固定；使用测试光观察谐振峰中心的频率，直至能够观测到谐振频率的移动；根据压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对压电陶瓷芯片进行通电，通过压电陶瓷芯片对光腔腔体施力，以实现对单片式光腔谐振模式的调节。本发明能够减小设备的体积和重量，并高效和稳定地对腔体进行调节。
Description
技术领域
本发明属于光电子学、集成光子学以及激光技术领域，更具体地，涉及一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法。
背景技术
单片式光学谐振腔(光腔)主要包含平面及非平面式环形腔和回音壁模式光腔等元件，具有结构简单、体积小和稳定性高的特点，在高性能激光器、滤波器、调制器等光电器件领域中有着很好的应用。单片式光腔谐振模式的调节方式主要包含温度调节和压电调节两种方法，其中，温度调节方式通过加热的方式使得腔体的形状发生微小改变，从而影响腔体的有效光程，达到调节单片式光腔内部的光学谐振模式的目的。但是，温度调节方法一方面由于加热的反应时间较长，实时调节的优势不明显，另一方面由于加热控制难度较大，会影响调节的结果。因此，相对于温度调节方式，压电调节方式得到更为广泛的应用。
现有的压电调节方式，采用外部的压电陶瓷芯片(Piezoelectric CeramicTransducer，PZT)直接作用在整个腔体上，因此需要一个稳定且具备高强度的额外辅助固定元件，如图1所示，不可避免地增大了设备的体积和重量。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，其目的在于，实现对单片式光腔谐振模式的稳定调节，同时减小设备的体积和重量。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，包括如下步骤：
(1)根据单片式光腔的光路分布，在封闭光路的内部设计用于嵌入压电陶瓷芯片的内嵌空间，保证内嵌空间不会影响光路的分布；
(2)根据内嵌空间的形状和尺寸，选定所使用的压电陶瓷芯片；所选定的压电陶瓷芯片能够完全嵌入内嵌空间，并且其尺寸与内嵌空间的尺寸相当；
(3)在单片式光腔中加工出内嵌空间；
(4)将压电陶瓷芯片嵌入内嵌空间并固定；
(5)根据压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对压电陶瓷芯片进行通电，并使用测试光观察谐振峰中心的频率；若无法观测到谐振频率的移动，则转入步骤(1)；否则，转入步骤(6)；
(6)根据压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对压电陶瓷芯片进行通电，通过压电陶瓷芯片对光腔腔体施力，以实现对单片式光腔谐振模式的调节。
进一步地，步骤(1)包括：
(11)在封闭光路内部设计一个尽可能大的圆柱形镂空空间，保证圆柱形镂空空间不影响光路的分布；
(12)在不影响光路分布的情况下，沿圆柱形镂空空间的外侧面设置一个或多个圆柱孔，形成内嵌空间；通过这样设计内嵌空间的结构，一方面便于加工，另一方面能够增大内嵌空间，提高压力施加效果，并增大形变量使压力对一个光程内光传播路程的影响效果得到提高。
进一步地，步骤(2)中，所选定的压电陶瓷芯片为堆叠式矩形压电陶瓷元件；堆叠式矩形压电陶瓷元件为侧向施力，能够对腔体施加更大的压力，因而能够适用于高硬度的腔体中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，在光腔腔体内设计内嵌空间，并将用于对光腔谐振模式进行调节的压电陶瓷芯片直接嵌入到腔体中。这种调节方法不占用多余的空间，也不需要额外的固定元件，因此能够有效减小设备的体积和重量，而且由于压电陶瓷芯片位于腔体内，不易受环境影响，能够更为高效和稳定地对腔体进行调节。
(2)本发明所提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，在设计内嵌空间时，先在封闭光路内部设计一个尽可能大的圆柱形镂空空间，然后沿圆柱形镂空空间的外侧面设置一个或多个圆柱孔，形成内嵌空间，这两个过程均是在不影响光路的情况下完成的。通过这样设计内嵌空间的结构，一方面便于加工，另一方面能够增大内嵌空间，提高压力施加效果，并增大形变量使压力对一个光程内光传播路程的影响效果得到提高。
(3)本发明所提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，所选定的压电陶瓷芯片为堆叠式矩形压电陶瓷元件。由于堆叠式矩形压电陶瓷元件为侧向施力，能够对腔体施加更大的压力，因此本发明所提供的调节方法能够适用于高硬度的腔体中。
附图说明
图1为传统压电调节方法和本发明所提供的压电调节方法的原理示意图；(a)为传统压电调节方法的原理示意图；(b)为本发明所提供的压电调节方法的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法的示意图；(a)～(d)分别为其中一个步骤执行后光腔腔体内的示意图；
图4为本发明实施例提供的环形和堆叠式矩形压电陶瓷元件的施力示意图；(a)为环形压电陶瓷元件的施力示意图；(b)为堆叠式矩形压电陶瓷元件的施力示意图；
图5为本发明实施例提供的内嵌压电陶瓷芯片的光腔示意图；(a)内嵌压电陶瓷芯片的多边形腔示意图；(b)为内嵌压电陶瓷芯片的回音壁腔示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
单片式光学谐振腔中的光波通过在介质边界面的反射在实体腔体中进行传播，因此该类型谐振腔的光学谐振频率的调控表示公式如下：
其中，f、n和l分别代表谐振模式的中心频率、腔体折射率和与一个光程所对应的光传播路程。由该公式可以看出，与谐振频率直接相关的两个变量是折射率n和光传播路程l。改变腔体温度可以通过热膨胀和热光效应同时影响两个变量，达到调节单片式腔体中谐振模式。而采用对腔体进行施压的方式，可以直接通过应力改变折射率n。同时，也能够通过形变影响光传播路程l，达到调控光腔谐振频率的效果。
传统的压电调节方法，如图1(a)所示，采用外部的压电陶瓷芯片(PZT)直接作用在整个腔体上，因此需要一个稳定且具备高强度的额外辅助固定元件，不可避免地增大了设备的体积和重量。本发明所提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，如图1(b)所示，是在腔体上直接加工出可用于安装压电陶瓷芯片的空间，将芯片直接内嵌到腔体中，不占用多余的空间，且不需要额外的额外固定元件，能够在节约空间的同时，高效和稳定地对腔体进行调节。
以用于窄线宽激光器产品的单片非平面环形腔为例，本发明所提供的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，如图2所示，包括如下步骤：
(1)根据单片式光腔的光路分布，在封闭光路的内部设计用于嵌入压电陶瓷芯片的内嵌空间，保证内嵌空间不会影响光路的分布；光腔及光腔内的光路分布如图3(a)所示，光腔包括四个介质镀膜界面A、B、C和D，光的传播方向为从界面A依次经过界面D、C、B后回到界面A；内嵌空间的设计具体包括：
(11)在封闭光路内部设计一个尽可能大的圆柱形镂空空间，保证圆柱形镂空空间不影响光路的分布，如图3(b)所示；
(12)在不影响光路分布的情况下，沿圆柱形镂空空间的外侧面设置一个或多个圆柱孔，形成内嵌空间，如图3(c)所示；通过这样设计内嵌空间的结构，一方面便于加工，另一方面能够增大内嵌空间，提高压力施加效果，并增大形变量使压力对一个光程内光传播路程的影响效果得到提高；
(2)根据内嵌空间的形状和尺寸，选定所使用的压电陶瓷芯片；所选定的压电陶瓷芯片能够完全嵌入内嵌空间，并且其尺寸与内嵌空间的尺寸相当；常用的压电陶瓷芯片包括环形压电陶瓷元件和堆叠式矩形压电陶瓷元件，如图4(a)、图4(b)所示，环境压电陶瓷元件为径向施力，堆叠式矩形压电陶瓷元件为侧向施力；在本实施例中，所选用的压电陶瓷芯片为堆叠式矩形压电陶瓷元件，由于堆叠式矩形压电陶瓷元件为侧向施力，能够对腔体施加更大的压力，因而能够适用于高硬度的腔体中；
(3)在单片式光腔中加工出内嵌空间；具体的加工方法可根据光学腔体材料的物理和化学特性确定；对于大部分光学晶体或玻璃材料，可采用金刚石钻头工具配合车床或者直接使用单点金刚石车床进行加工；对于半导体光学材料，则可以直接使用或配合化学腐蚀等方式进行加工；对于如图3(c)所示的内嵌空间，可以直接通过不同尺寸的金刚石钻头通过台钻机器加工实现；
(4)将压电陶瓷芯片嵌入内嵌空间并固定；如图3(d)所示；
(5)根据压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对压电陶瓷芯片进行通电，并使用测试光观察谐振峰中心的频率；若无法观测到谐振频率的移动，则转入步骤(1)；否则，转入步骤(6)；
(6)根据压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对压电陶瓷芯片进行通电，通过压电陶瓷芯片对光腔腔体施力，以实现对单片式光腔谐振模式的调节。
采用同样的方法，对于多边形腔和回音壁腔，内嵌压电陶瓷芯片后，分别如图5(a)和5(b)所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据单片式光腔的光路分布，在封闭光路的内部设计用于嵌入压电陶瓷芯片的内嵌空间，保证所述内嵌空间不会影响光路的分布；
(2)根据所述内嵌空间的形状和尺寸，选定所使用的压电陶瓷芯片；所述压电陶瓷芯片能够完全嵌入所述内嵌空间，并且其尺寸与所述内嵌空间的尺寸相当；
(3)在单片式光腔中加工出所述内嵌空间；
(4)将所述压电陶瓷芯片嵌入所述内嵌空间并固定；
(5)根据所述压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对所述压电陶瓷芯片进行通电，并使用测试光观察谐振峰中心的频率；若无法观测到谐振频率的移动，则转入步骤(1)；否则，转入步骤(6)；
(6)根据所述压电陶瓷芯片的种类及参数，利用匹配的驱动信号对所述压电陶瓷芯片进行通电，通过所述压电陶瓷芯片对光腔腔体施力，以实现对单片式光腔谐振模式的调节。
2.如权利要求1所述的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
(11)在封闭光路内部设计一个尽可能大的圆柱形镂空空间，保证所述镂空空间不影响光路的分布；
(12)在不影响光路分布的情况下，沿所述镂空空间的外侧面设置一个或多个圆柱孔，形成内嵌空间。
3.如权利要求1所述的用于单片式光腔的内嵌型压电调节方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所选定的压电陶瓷芯片为堆叠式矩形压电陶瓷元件。
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