CN1319229C - 密封外腔激光器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种密封容器中的外腔激光器和密封该外腔激光器的方法。外腔激光器可以通过各种机构调谐以允许在多个可选择的波长信道上的传输。

Description

密封外腔激光器系统和方法
背景技术
光纤通信不断以要求增加带宽为条件。已经实现带宽扩展的一种途径是通过具有对出现在不同信道的每个数据流的调制的密集波分复用(DWDM)，其中，多个不同的数据流同时存在于单个光纤中。每个数据流被调制到工作在特定信道波长的对应的半导体发射激光器的输出光束上，并且来自半导体激光器的调制后的输出被合成到单个光纤上以在它们各自的信道上传输。国际电信联盟(ITU)目前要求大约0.4纳米或大约5GHz的信道间隔。该信道间隔允许单个光纤在当前可用的光纤和光纤放大器的带宽范围内最多承载128个信道。光纤技术的进展和不断增长的对更大带宽的需求将可能使得未来的信道间隔更小。
用于DWDM系统的发射激光器一般基于用反馈控制回路中相关的参考标准具来操作的分布反馈(DFB)激光器，所述参考标准具定义ITU波长栅格。与单个DFB激光器的制造相关的统计差异导致信道中心波长跨越波长栅格的分布，这样，单个DFB发射器仅对单个信道或较少的相邻信道是可用的。已经发展连续可调谐的外腔激光器来克服这个问题。
连续可调谐通信激光器的出现向通信传输系统引入了另外的复杂性。具体地说，这样的激光器的调谐方面涉及多个在使用过程中对污染和退化敏感的多个光学表面。迄今为止，没有系统可以用于为连续可调谐通信激光器提供适合的保护。这种缺乏已经导致这种激光器的成本增加并且性能寿期下降。
发明内容
本发明提供了密封容器中的通信激光器装置和使用密封激光器系统的激光器方法。以最概括的术语来说，本发明的装置包括外腔激光器，和被配置来将外腔激光器封闭在惰性气氛中的可密封容器。外腔激光器可以通过各种机构被调谐以允许在多个可选择的波长信道上的传输。
外腔激光器可以包括增益介质和末端镜。增益介质可以包括二极管发射器芯片，该二极管发射器芯片包括第一和第二输出表面，在第二输出表面上具有防反射涂层。第一输出表面和末端镜定义外腔，增益介质从第二输出表面沿着外腔中的光路径向末端镜发射相干光束。信道选择器或者类似的可调谐组件可以位于末端镜和发射芯片之间的光路径中的外腔内。
密封容器封闭包括末端镜、增益介质和调谐组件的外腔激光器。在惰性气氛中密封外腔激光器保护了增益介质上的防反射(AR)涂层，以及信道选择器和其他光学元件的表面。没有密封时可能发生的在与外腔激光器相关联的元件表面上的污染物沉积引起妨碍外腔激光器性能的误差，并且加速重要光学表面的退化。由本发明提供的密封外腔激光器允许了防止激光器光学表面的腐蚀和污染的受控环境。
可用于本发明的可调谐外腔激光器还可以包括栅格生成器、被配置来调制末端镜和信道选择器的调谐配件以及涉及调谐和激光器操作的各种其他元件。这些元件中的许多在激光器操作过程中会具有高的放气特性，使得挥发性碳氢化合物会污染和/或引起外腔激光器的各种光学表面的退化。在这点上，通过仔细的材料选择和最小化潜在的放气材料的使用，外腔激光器被配置以最小化或消除与由润滑剂、粘合剂、电缆绝缘体或其他包含挥发性化合物及残留水分的元件的放气相关联的问题。
在某些实施例中，一个或多个活性炭排除器被密封在密封外壳内，并且被定位以收集由来自外腔激光器的元件的放气所产生的挥发性碳氢化合物。活性炭排除器具有很大表面积的活性炭，以便允许吸收或捕获在激光器的操作过程中出现的放气作用的挥发性有机化合物。从外腔激光器的装配过程中所使用的或在密封可密封的外壳中所使用的环氧树脂和润滑剂释放出的有机碳氢化合物材料也可以被活性炭排除器捕获。活性炭排除器允许可调谐外腔激光器的光学表面在密封外壳内保持免受有机污染物，否则它们会妨碍性能。
在其他实施例中，一个或多个水气捕获器可以被包括在密封容器内，并且被定位以收集可能从聚酰亚胺或外腔激光器内存在的其他保存水气的绝缘体或材料放出的水汽。这种放出的水汽，如果不被捕获，则可以凝聚在重要的光学表面，降低外腔激光器的性能，并且可以加速元件的腐蚀。尤其在激光器未使用时，“冷却”阶段之后考虑水气凝聚。水气捕获的材料可以包括各种干燥剂。水气捕获防止水在光学表面上和其他地方凝聚，否则会降低外腔激光器操作中的性能，并且加速密封外壳内的激光器元件的腐蚀。
在一个实施例中，密封在密封容器的惰性气氛包括氮。其他惰性气氛，诸如氦、氩、氪、氙或它们的各种混合物，包括氮-氦混合物、氖-氦混合物、氪-氦混合物或氙-氦混合物，也可以被封闭在密封外壳中。氦可以被添加到惰性气氛中以允许测试和监视密封容器的密封水平。包括在密封容器内的惰性气体或气体混合物可以为特定的折射率或气体光学属性而选择。
本发明的装置还可以包括位于密封外壳内的牺牲表面，在该牺牲表面中，来自放气的凝聚和挥发性碳氢化合物都被捕获在其上，以避免污染可调谐外腔激光器的光学使用。牺牲表面被配置为在激光器操作过程中保持比周围的表面冷，并且可以通过冷却源主动地冷却和/或由通过作为散热器来提供被动冷却的材料制成，该材料吸收挥发性有机物和水汽。
在某些实施例中，可以使用对重要光学表面的选择性加热以防止其上的污染物凝聚。这样的加热可以在增益介质未加电时的冷却阶段使用，以在外腔激光器10未使用时防止污染。位于密封外壳的内部或外部的一个或多个加热源可以在增益介质未加电时用于加热外腔激光器增益介质，以便将增益介质输出表面上的防反射涂层维持在相对高的温度，以在激光器未使用时防止污染物凝聚于其上。这种方式的加热可以结合末端镜、可调谐元件或其他具有敏感光学表面的元件来使用，以维持高于密封容器中存在的活性炭排除器、水气捕获器和/或牺牲表面的温度，以进一步防止对这些光学表面的污染。
本发明可以被嵌入在通信激光器系统中，该通信激光器系统包括通过密闭光纤馈入装置(feedthrough)伸入密闭容器并且被光耦合到外腔激光器的输出表面的光纤，以接收来自其中的光输出。可密封的容器在配置上可以改变，但是一般被配置使得光纤可以通过可密封容器的一侧被馈送。外腔激光器的操作所需的各种电引线可以通过在密闭外壳侧面的密闭馈入装置伸入密闭容器。
附图说明
图1是密封外腔激光器的示意图。
图2A到图2C是对于楔形标准具信道选择器、栅格标准具和外腔的关于波长栅格中所选信道的有关图1的外腔激光器通带特性的图形说明。
图3A到图3C是对图1的外腔激光器对于波长栅格中的多个信道调谐的增益响应的图形说明。
图4是覆盖物被去掉的可密封外壳中的外腔激光器的透视图。
图5是图4的外腔激光器和可密封外壳的俯视平面图，其中末端镜被省略。
图6是图5的可密封外腔激光器的激光器子配件的示意图。
图7是图5的可密封外腔激光器的光纤馈入装置的示意图。
具体实施方式
更清楚地参照附图，为了举例说明的目的，本发明具体化在示于图1到图7的装置和方法中。应该意识到，装置可改变其构造和部件细节，方法可改变细节和事件的顺序，而不偏离这里所公开的基本概念。本发明主要在用于外腔激光器的方面被公开。
更清楚地参照附图，为了举例说明的目的，本发明具体化在示于图1到图7的装置和方法中。应该意识到，可改变装置的构造和部件细节，可改变方法的细节和事件顺序，而不偏离这里所公开的基本概念。本发明主要在密封的外腔二极管激光器(ECDL)封装和密封ECDL的方法方面被公开。但是，本领域技术人员将很容易地清楚，本发明可以用于其他激光设备或光学系统。还应该理解，这里所用的术语只是为了描述特定的实施例，而不是为了限制。
现在参照图1，图1示出了包括包装在密封容器11中的外腔激光器10的通信激光器装置8。外腔激光器10包括增益介质12和末端或外部反射元件或末端镜14。增益介质12可以包括传统的法布里-珀罗二极管发射器芯片，该芯片具有涂覆有防发射(AR)涂层的前表面16和半反射后表面18。外激光器腔由后表面18和末端镜14界定。增益介质12从前表面16发射相干光束，该光束由透镜20校准以定义与外腔的光轴共线的光路径22。增益介质12的前表面和后表面16、18同样与外腔的光轴对准。传统的输出光学器件(未示出)与后表面18相关联，以将外腔激光器11的输出耦合到光纤23中。容器11包括盖子(未示出)，它密封容器以将外腔激光器10封闭在容器11中。盖子一般可以是平面矩形结构，使得它一般与容器11的形状一致。盖子可以电镀或涂敷诸如Ni(镍)/Au(金)的抗氧化金属或合金，该抗氧化金属或合金被配置来通过熔合、焊接或其他密封技术与容器11结合。
外腔激光器10包括栅格发生器组件和调谐组件，它们分别在图1中示为位于增益介质12和末端镜14之间的光路径22中的栅格标准具24和楔形标准具26。栅格标准具24一般位于可调谐组件26之前的光路径22中，并且具有平行反射面28、30。栅格标准具24作为干涉滤波器工作，并且栅格标准具24的折射率与由表面28和30之间的间距定义的栅格标准具24的光学厚度，引起与所选波长栅格的中心波长相符的波长处的通信频带中的多个极小值，波长栅格可包括例如ITU(国际电信联盟)栅格。可替代地，可以选择其他波长栅格。栅格标准具具有对应于ITU栅格的栅格线之间的间隔的自由频谱范围(FSR)，从而栅格标准具24可以操作以提供多个中心在波长栅格的每个栅格线上的通带。栅格标准具24具有抑制波长栅格的每个信道之间的外腔激光器邻近模式的精细度(finesse)(自由频谱范围除以半高全宽或FWHM)。
栅格标准具24可以是用固体、液体或气体间隔开的平行板状标准具，并可通过经由温度控制的热膨胀和收缩而精确确定表面28和30之间的光学厚度来调节。可替代地，可通过倾斜而改变表面28和30之间的光学厚度，或者通过对电光标准具材料施加电场来调谐栅格标准具24。栅格标准具34可以被热控制，以防止选定栅格中的变化，该变化可能由于外腔激光器10操作过程中的热波动而产生。栅格标准具24还可在激光器操作期间主动调节，如对于发明人戴贝尔(Daiber)的序号09/900,474题为“连续调节栅格生成器的外腔激光器”(“External Cavity Laser withContinuous Tuning of Grid Generator”)的美国专利申请中所描述的，该申请和本申请一起递交并且通过引用结合在这里。除了栅格标准具之外的各种其他类型的栅格生成器可以用于外腔激光器10。
楔形标准具26也用作干涉过滤器，具有形成锥形形状的不平行反射面32和34。楔形标准具26可以包括，例如，锥形透明基片、在相邻透明基片反射面之间的锥形气隙或者薄膜楔形干涉滤光器。图1所示的楔形标准具26只是可以根据本发明用于外腔激光器中的可调谐组件或信道选择器的一个。楔形标准具26可以用除了标准具之外的诸如光栅设备和电-光设备的各种可调谐元件所代替。在美国专利No.6,108,355中描述了将一种空气间隙的楔形标准具用于信道选择器，其中所述“楔形”是由相邻基片定义的锥形空气间隙。在对于发明人安德鲁.戴贝尔(Andrew Daiber)于2001年3月21日递交的序号为09/814,646的美国专利申请中描述了使用枢轴可调的光栅器件作为由光栅角度调整来调谐的信道选择器，以及在外腔激光器中使用的通过选择性的施加电压来调谐的电-光可调谐信道选择器。在序号为09/814,646的美国专利申请和与本申请一起递交的对于发明人霍普金斯(Hopkins)等题为“渐变薄膜楔形干涉过滤器及其用于激光调谐的方法”(“Graded Thin Film Wedge Interference Filter and Method ofUse for Laser Tuning”)的序号为09/900,412的美国专利申请中，描述了平移调谐渐变薄膜干涉过滤器的使用。这里通过引用而结合了上述公开。
在一些情况下为清楚起见而夸大了外腔激光器10的各种光学元件之间的相对大小、形状和距离，并且不一定按比例示出。外腔激光器10可包括其它元件(未示出)，例如聚焦和准直元件，以及配置来去除与外腔激光器10的各种元件相关联的伪反馈的偏振光学器件。
由楔形标准具26定义的通带基本上宽于栅格标准具24的通带，楔形标准具26的更宽通带基本上对应于由栅格标准具24所定义的最短和最长波长信道之间间隔的周期。换言之，楔形标准具26的自由频谱范围对应于由栅格标准具24所定义的波长栅格的全波长范围。楔形标准具26具有抑制与特定所选信道相邻的信道的精细度。
通过改变楔形标准具26的表面32和34之间的光学厚度，楔形标准具26被用来在多个通信信道之间选择。这通过沿着x轴平移或驱动楔形标准具26来完成，此方向平行于楔形标准具26锥形的方向并垂直于光路径22和外腔激光器10的光轴。由楔形标准具26所定义通带中的每一个都支持可选择的信道，当楔形标准具前进或平移到光路径22中时，沿着光路径22行进的光束穿过楔形标准具26逐渐变厚的部分，这些部分在较长波长的信道处支持相对表面32和34间的相长干涉。当楔形标准具26从光路径22中撤出时，光束将经历楔形标准具26逐渐变薄的部分并将通带暴露给光路径22，这些通带支持相应地更短波长的信道。如上面所指出的，楔形标准具26的自由频谱范围对应于栅格标准具24的全波长范围，这样就可以跨越波长栅格来调谐通信频带中的单个损失最小值。从栅格标准具24和楔形标准具26到增益介质12的合成的反馈支持在所选信道的中心波长处发出激光。在整个调谐范围内，楔形标准具26的自由频谱范围都宽于栅格标准具24的自由频谱范围。
经由调谐配件来对楔形标准具26进行位置调谐，该配件包括驱动组件36，其被结构化并配置成能根据所选信道可调整地定位楔形标准具26。驱动组件36可包括连同适当硬件的步进电机以适于精确移动楔形标准具26。可替代地，驱动元件可以包括各种类型的致动器，包括而不限于DC(直流)伺服电机、螺线管、音圈致动器、压电致动器、超声致动器、形状记忆器件以及类似的线性致动器。
驱动元件36可操作地耦合到控制器38上，控制器38提供信号来通过驱动组件36控制楔形标准具26的定位。控制器38可包括数据处理器和存储器(未示出)，该存储器中存储楔形标准具26对应于所选信道波长的位置信息的查找表。控制器38可在驱动组件36内部，或者可在其外部并参与外腔激光器10的其它元件定位和伺服功能。所示的控制器在密封容器11的外部，但是可替代地，它也可以在容器11的内部。
当外腔激光器10被调谐到不同的通信信道时，控制器38根据查找表中的位置数据发信号通知驱动组件36，而驱动组件36将楔形标准具26平移或驱动到正确的位置，其中楔形标准具26位于光路径22中那部分的光学厚度提供了支持所选信道的相长干涉。可结合楔形标准具26和驱动组件36使用线性编码器40，用于保证通过驱动器36来使楔形标准具26正确定位。
在调谐楔形标准具26的过程中，也可以通过使用另一个调谐机构(未示出)对末端镜14的位置调整来调谐激光器外腔的长度，所述另一个调谐机构可以包括DC伺服电机、螺线管、音圈致动器、压电致动器、超声致动器、形状记忆器件或者其他类型的致动器。在某些实施例中可以使用被耦合到末端镜的补偿组件的选择性的加热或制冷来定位末端镜14，如对于发明人赖斯(Rice)等序号09/900,443题为“可对外腔进行主动热调谐的激光器装置”(“Laser Apparatus with Active Thermal Tuning ofExternal Cavity”)的美国专利申请中所描述的，该专利申请与本申请一起递交，并且通过引用结合在这里。根据从增益介质两端的被监视的电压获得的误差信号，具有电-光组件的外部激光器腔的调谐，在对于发明人戴贝尔(Daiber)等序号为09/900,426题为“根据增益介质两端的电压的激光器损耗的估计和调整”(“Evaluation and Adjustment of Laser LossesAccording to Voltage Across Gain Medium”)的美国专利申请中被描述，该专利申请与本申请同时被提交，并且通过引用结合在这里。
楔形标准具26可以在它的末端包括可光检测的不透明区域42、44，它们用来在楔形标准具26已经被在位置上调谐到其最长或最短信道波长的时候验证楔形标准具26的位置。不透明区域26提供了可用于楔形标准具的位置调整的另外的编码器机制。当楔形标准具26被移动到一个位置，使得不透明区域42、44中的一个进入光路径22时，不透明区域42、44将阻塞或减弱沿着光路径的光束。这种光的减弱是可检测的，如下面所进一步描述的。因为在楔形标准具26上的不透明区域42、44位置可以精密确定，所以控制器38可以预测不透明区域42、44何时将进入光路径22。不透明区域42、44在光路径22中的非预测的点上的出现将指示出编码错误，并且控制器38可以基于检测到的光路径22中的不透明区域42、44的存在做出适合的纠正。可以在楔形标准具26的其他地方包括其他不透明区域(未示出)。
对诸如水汽和挥发性有机物或碳氢化合物的污染敏感的密封容器11内的外腔激光器10的光学表面包括但不限于增益介质12的AR涂敷面16、末端镜14、栅格标准具24的反射面28和30、楔形标准具26的非平行反射面32和34以及校准透镜20的表面。外腔激光器10的未示出的并且对污染敏感的其他重要光学表面包括偏振和二色光学元件和其他校准元件。将外腔激光器10密封在可密封的容器11内通过将通信激光器装置10放置在受控环境中来保护外腔激光器11和其他敏感元件。
激光器装置10在密封外壳11内包括至少一个活性炭排除器48以吸收或捕获在密封到外壳11内之后来自外腔激光器10的其他元件的放气的挥发性有机物和碳氢化合物。活性炭排除器48具有被配置来捕获和保留挥发性有机化合物的很大表面积的活性炭，所述挥发性有机化合物可以从容器11内存在的粘合剂、润滑剂、绝缘体或其他包含有机材料的元件散发，如下面所进一步描述的。
密封容器11内也提供水气捕获器50以吸收水气并防止密封到容器11内之后水汽在外腔激光器10的敏感光学表面上凝聚。在容器11内的操作过程中，水汽可以散发，例如从聚酰亚胺或其他存在于外腔激光器中的绝缘材料。水气捕获器50可以包括干燥硅石、硫酸钙和/或其他类型的普通干燥剂的多孔容器。
本发明的密封外壳11还可以包括牺牲表面52，在该牺牲表面52上来自放气的水气凝聚物和挥发性碳氢化合物都被捕获以避免污染可调谐外腔激光器10的光学使用。牺牲表面52可以被外部冷却源冷却，或者由材料制成或被配置成可以作为散热器，可以选择性地吸收在较高温度的周围或相邻表面上的挥发性有机物和水汽的凝聚物。
热源54可以用于在增益介质12未被加电时加热增益介质12，以便在外腔激光器10未使用时维持输出面16上的防反射涂层的高温并防止在其上的凝聚。如图所示，热源54包括被耦合到增益介质12的热电控制器。热电控制器54还可以在增益介质12的操作过程中用于热控制表面16、18之间的跨过增益介质12的光学厚度。一个或多个附加的加热组件(未示出)可以置于密封外壳11的内部或外部以维持所选元件的高温以防止污染物凝聚于其上。从而，加热装置可以与末端镜14或信道选择器26相结合来使用，以维持高于活性炭排除器48、水气捕获器50和/或牺牲表面52的温度，以防止对光学表面32、34的污染。选择性地加热外腔激光器中的重要光学元件和光学表面也在对于发明人戴贝尔(Daiber)等的序号为09/900,429题为“具有选择性热控制的外腔激光器”(“External CavityLaser with Selective Thermal Control”)的美国专利申请中被描述，该申请和本申请一起递交并且通过引用结合在这里。
本发明的密封容器11包括光纤馈入装置56，用于在光纤23进入容器11时密封它，还包括至少一个电馈入装置58，用于电引线或接口59通过容器11的壁。如下面所进一步描述的，多个电引线一般将进入密闭容器11。光纤馈入装置56参照图7在下面进一步描述。
图2A到图2C以图形描述了栅格标准具24、楔形标准具26和由后表面18和末端镜14定义的外腔的通带关系。图2A-2C示出了外腔通带PB1、栅格标准具通带PB2和楔形标准具通带PB3。在纵轴上示出相对增益，在横轴上示出波长。正如可以看到的，楔形标准具26的自由频谱范围(FSR信道选择器)大于栅格标准具24的自由频谱范围(FSR栅格生成器)，后者又大于外腔的自由频谱范围(FSR腔)。外腔的通带波峰PB1周期性地与由栅格标准具24的波长栅格所定义的通带PB2的中心波长对准。有一个楔形标准具26的通带波峰PB3，其伸展在波长栅格的所有通带PB2之上。在图2A-2C中示出的特定例子中，波长栅格伸展在间隔为0.5纳米(nm)或62GHz的64个信道之上，最短波长信道在1532nm处，而最长波长信道在1563.5nm处。
栅格标准具24和楔形标准具26的精细度确定了相邻模式或信道的衰减。如上面所指出的，精细度等于自由频谱范围除以半高全宽，或精细度＝FSR/FWHM。栅格标准具通带PB2在半峰值处的宽度示于图2B中，而楔形标准具通带PB3在半峰值处的宽度示于图2C中。栅格标准具24和楔形标准具26在外腔中的定位改善了边模式抑制(side modesuppression)。
在图3A-3C中用图形图示了中心在1549.5nm处的信道与中心在1550nm处的相邻信道之间的楔形标准具26的通带PB3的调谐，其中示出了由栅格标准具24生成的信道的选择以及相邻信道或模式的衰减。为了清楚起见，图3A-3C中省略了在图2A-2C中示出的外腔通带PB1。栅格标准具24选择相应于栅格信道间隔的外腔周期纵向模式，而丢弃相邻的模式。楔形标准具26选择波长栅格中的特定信道并丢弃所有其它信道。对于在将近加减半个信道间隔的范围内的过滤器偏移，所选的信道或激光作用模式在某个特定的信道处不变。对于更大的信道偏移，激光作用模式则跳到下一个紧邻信道上。
在图3A中，楔形标准具通带PB3中心在1549.5nm的栅格信道处。与在1549.5nm处的通带PB2相关的相对增益较高，而与在1549.0nm和1550.0nm处的紧邻的通带PB2相关的相对增益水平则相对于所选的1549.5nm信道被抑制了。与在1550.5nm处和1548.5nm处的通带PB2相关的增益则进一步被抑制。虚线表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
图3B示出了在1549.5nm和1550.0nm处的信道间的一个位置处的楔形标准具通带PB3，这在信道切换期间出现。与在1549.5nm和1550.0nm处的通带PB2相关的相对增益都较高，两个信道中没有一个被抑制。与在1549.0nm和1550.5nm处的通带PB2相关的相对增益水平则相对于1549.5nm和1550.0nm的信道而被抑制了。虚线表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
图3C示出了中心在1550.0nm的栅格信道处的楔形标准具通带PB3，与在1550.0nm处的通带PB2相关的相对增益较高，而与在1549.5nm和1550.5nm处的通带PB2相关的相对增益水平则相对于所选的1550.0nm信道被抑制了，并且与在1551.Onm和1549.0nm处的通带PB2相关的增益则进一步被抑制了。虚线也表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
为了以示于图3A-3C和上述的方式提供外腔激光器10的精确的调谐，在激光操作过程中，需要各种具有较高放气特性的元件，使得可以污染外腔激光器10的各种光学表面的挥发性有机化合物和水气可以从元件释放出。图4和图5示出了密封外腔激光器装置61的另一个实施例，该实施例更清楚地示出了与密封外壳内的高放气相关联的各种元件。相似的标号用于表示相似的部分。为了清楚，从图5省略了电引线59。容器11还包括可密封的盖子，为了清楚，其被省略了。
在图4和图5中示出的外腔激光器装置61中，驱动元件36以步进电机的形式被提供，其被结构化并配置成根据所选信道可调整地定位楔形标准具26。步进电机被安装在电机支架64中，并且转动安装在轴承67中的螺纹轴66。螺纹轴66驱动被支架70耦合到楔形标准具26的螺纹对开螺母68。可替代地，驱动组件36可以包括各种类型的致动器，包括而不限于DC伺服电机、螺线管、音圈致动器、压电致动器、超声致动器、形状记忆器件以及类似的致动器(未示出)。通过最小化润滑剂的使用以及为诸如对开螺母68的部分使用诸如DELRIN尼龙的低摩擦、低放气材料，驱动组件36被配置为在装置61的操作过程中有最小的放气。电机62中的内导体(未示出)的长度保持尽量短以最小化容器11内部存在的绝缘体表面积。
对开螺母被耦合到支架70，支架70又耦合到工作台72。工作台72支撑楔形标准具26并且可沿着轨道74滑动以允许楔形标准具26的定位。随着轴66被步进电机62转动，对开螺母68被它们之间的螺纹的相互作用沿着轴66移动。对开螺母68的移动沿着轨道驱动支架70和工作台72以定位楔形标准具26。
陶瓷板78被焊接到容器11上以承载EEPROM(电可擦除只读存储器)芯片(未示出)，该芯片可以作为控制器以经由步进电机62平移楔形标准具26。可替代地，如上面所指出的，控制器可以在容器外部。变压器80被支撑在陶瓷板82上以向被耦合到激光器末端镜的相位调制器83(图4)供电。线性编码器40被安装在容器11上邻近编码器标尺84，并且用于监视楔形标准具26的定位。光检测器85(图4)定位于相位调制器83的后面的激光光路径中，并且用于监视激光器性能。
编码器84和变压器80，类似于步进电机62，为激光器操作过程中密闭容器11内的最小放气而设计并配置。在这方面，编码器84和变压器80以及密闭容器内的其他地方中的绝缘材料被减到最小并且被选择适合低放气特性。
在容器11中提供孔86(图4)以允许密封通过使用电馈入装置58(图1)延伸通过的电引线59。馈入装置58包括安装在孔86中的玻璃套筒，引线59通过该玻璃套筒被安装。馈入装置58和引线59通过暴露于高温而密闭熔合在孔86中。在容器11内包含任何热敏感元件之前执行这种方式的引线的密封。
可密封的外壳11被镀上金属以防止在外壳11内的外腔激光器61密封后出现锈蚀或腐蚀。密封外壳11可以由KOVAR Ni-Fe-Co合金或其他具有较好的抗腐蚀性和适于密闭外壳的可成形性的金属或金属合金形成。密闭容器11被镀上金或其他抗腐蚀金属或金属合金以提供清洁的、抗腐蚀的表面。外壳11在诸如等级100或更高等级的无尘室环境的防护可能的污染的环境下被镀上金属。只要有可能，就避免在密闭容器11内使用粘合剂，并且利用无助熔剂焊料(fluxless solder)来粘合。电路板88、82和78由陶瓷而不是玻璃纤维加固的树脂制成(以避免与包含树脂的板相关联的放气)，并且通过不流动焊接工艺直接附接到容器11。盖子89(图5中只示出了盖子的一部分)一般与容器11的形状一致，并且包括Ni-Au电镀以允许对容器11的密封以形成在其内部的激光器装置61周围的密闭外壳。
装置61的许多重要的光学表面可以位于激光器子配件模块90中的独立或分离的温度受控的基片上。图6是图5的激光器子配件90的示意图。子配件模块90允许在基片92上放置激光器输出组件，该基片92与支撑其他外腔激光器元件的一个或多个基片独立并分离。子配件90包括具有输出表面16、18的二极管发射器晶片12、分别光耦合到表面16、18的准直透镜20、96、狗骨状(dog bone)配件100、热敏电阻器102、光隔离器104、光纤聚焦透镜106和光纤套圈108，它们被安装在激光器输出子装配组件基片92上。
输出子配件90的基片92被粘合到热电控制器(未示出)，该热电控制器通过热敏电阻器102监视基片92的温度并提供基片92和其上的输出子配件的热控制。二极管表面16和18以及准直器20、96和106的表面给出激光器装置61许多较重要的光学表面，并且所有这些元件包含在单个热受控基片92上允许这些元件的集体温度控制以防止水气或放出的挥发性有机化合物凝聚在光学表面上。
基片92可以包括诸如氮化铝和/或碳化硅的热传导率高的材料。热受控子配件90还允许使用温度控制以维持基片90上的元件的最佳对准。在这方面，基片92可以在CTE(热膨胀系数)上与二极管发射器12相匹配。在由装配组件90所提供的选定的光学元件上的热控制的使用还通过有选择地仅仅加热重要光学元件和光学表面，而最小化了装置61的功率要求。
各种其他的光学元件可以通过安装在基片92或其他热受控基片(未示出)上而受到选择性热控制。例如，栅格生成器24和/或粗分光器(coarse spectrometer)(未示出)可以定位于基片92上。外腔激光器中的光学元件的选择性热控制也在对于发明人戴贝尔(Daiber)等的序号为09/900,429题为“具有选择性热控制的外腔激光器”(“External CavityLaser with Selective Thermal Control”)的美国专利申请中被描述，该申请和本申请一起递交并且通过引用结合在这里。
与光纤23相关联，光纤馈入装置配件56提供了密封，该配件56示意性地示于图7中。光纤馈入装置56被配置以密封光纤23。光纤23的外部护套110和内部护套112从光纤23伸入外壳11的部分被去除，以避免从内部112和外部110护套的绝缘材料放气。套圈114伸展通过容器11的壁，光纤23伸展通过套圈114。在容器11的内侧115上，光纤23(护套110和112已经从其上去除)被焊接插头116密闭地熔合在适当的位置。光纤23和套圈114的内表面可以被金属化以促进焊接。环氧树脂插头117保持光纤23在邻近容器11的外侧118适当的位置。光纤馈入装置56被配置为向光纤提供拉力支撑以防止来自操作的破坏。
在密封外腔激光器装置61的制造中，润滑剂、粘合剂、电缆绝缘体和其他包含挥发性化合物和残留水气的材料的使用被最小化以限制材料放气。最易于放气的密封激光器61的组件包括步进电机62、编码器40和变压器80，并且只要可能就进行材料选择以避免放气。装置61的各种元件的准备和装配可以在无尘室环境下进行，并且密封在外腔激光器周围的外壳之前，可以执行一个或多个循环的真空烘焙和/或在惰性气氛下的烘焙，以从各种部件去除残留水气和挥发性有机碳氢化合物。具体地说，在包括密封盖子89的装置61的整个组装中，可以执行一个或多个循环的真空烘焙，接着利用惰性气氛来净化。
在最后的真空烘焙/惰性气氛净化循环后，在存在惰性、水气受控的气氛中盖子被密封导外壳上，使得外壳内的所有元件被密封在其中。水气控制为容器11提供了干燥的惰性气体，并且保证在密封后容器11内包含最少的水气。许多向容器密封盖子的方法在本技术领域中是公知的，并且可以被使用。用于密封的惰性气氛可以包括氮、氩、氦、氪、氙和其他惰性气氛或它们的各种混合物。
虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解在不偏离本发明的真正精神和范围的前提下可进行各种修改及用等同物替换。此外，可对本发明的目的、精神和范围做许多修改以适应特定的情况、材料、物质成分、工艺、工艺步骤或步骤。所有这些修改都在所附权利要求的范围之内。

Claims (29)

1.一种激光器设备，包括：
外腔激光器，所述外腔激光器具有外腔和所述外腔内的激光源；
将所述外腔激光器封闭在惰性气氛中的可密封容器；
用于吸收放气化合物的位于所述可密封容器内的活性炭排除器；和
热源，所述热源热耦合到所述激光源和所述外腔的至少一个，以在所述激光源未被加电时，将所述激光源和所述外腔的所述至少一个维持在比所述活性炭排除器的第二温度高的第一温度，以防止所述激光源和所述外腔的所述至少一个受到污染。
2.如权利要求1所述的激光器设备，还包括水气捕获器，所述水气捕获器用于吸收所述可密封容器内的水气，并且其中所述热源还在激光源未被加电时，将所述激光源和所述外腔的至少一个维持在比所述水气捕获器的第三温度高的第一温度，以防止所述激光源和所述外腔的所述至少一个受到污染。
3.如权利要求1所述的激光器设备，其中所述外腔是可调谐的。
4.如权利要求3所述的激光器设备，其中所述激光源包括具有第一和第二输出表面的增益介质，所述第二输出表面在其上具有防反射涂层。
5.如权利要求4所述的激光器设备，其中所述外腔激光器还包括末端镜，所述末端镜和所述增益介质的所述第一输出表面定义所述外腔，所述增益介质从所述第二输出表面沿着输出路径发射光束。
6.如权利要求5所述的激光器设备，在所述可密封的容器中，还包括调谐配件，所述调谐配件耦合到所述末端镜并且被配置以调整所述末端镜。
7.如权利要求3所述的激光器设备，其中所述外腔激光器还包括栅格生成器。
8.如权利要求1所述的激光器设备，其中所述外腔激光器还包括信道选择器。
9.如权利要求8所述的激光器设备，还包括调谐配件，所述调谐配件耦合到所述信道选择器并且被配置以调整所述信道选择器。
10.如权利要求1所述的激光器设备，其中所述活性炭排除器包括炭表面以吸收在所述激光器的操作期间出现的放气化合物，所述放气化合物包括挥发性有机化合物。
11.如权利要求1所述的激光器设备，还包括位于所述可密封容器内的水气捕获器。
12.如权利要求1所述的激光器设备，其中所述惰性气氛包括从氮、氦、氖、氩、氪、氙、氮-氦混合物、氖-氦混合物、氪-氦混合物或氙-氦混合物中选择的气体。
13.如权利要求3所述的激光器设备，还包括伸入所述可密封容器并且被定位以从所述外腔激光器接收光输出的光纤，和被配置以密封所述光纤的光纤馈入装置。
14.如权利要求1所述的激光器设备，还包括调谐配件，其中所述调谐配件和所述外腔激光器被封闭在所述可密封容器内。
15.如权利要求1所述的激光器设备，还包括所述可密封容器内的牺牲表面，所述牺牲表面被维持在比周围表面低的温度。
16.一种激光器设备，包括：
(a)增益介质，包括活性区域，并且具有第一和第二输出表面；
(b)末端镜，所述增益介质的所述第一输出表面和所述末端镜定义外腔，所述增益介质的所述活性区域沿着所述外腔中的光路径发射光束，所述末端镜位于所述光路径中；
(c)密封容器，将所述外腔封闭在惰性气氛内；
(d)水气捕获器，位于所述密封容器内，用于吸收所述密封容器内的水气；和
(e)热源，所述热源热耦合到所述增益介质和所述末端镜的至少一个，以在所述增益介质未被加电时，将所述增益介质和所述末端镜的所述至少一个维持在比所述水气捕获器的第二温度高的第一温度，以防止所述增益介质和所述末端镜的所述至少一个受到污染。
17.如权利要求16所述的激光器设备，还包括调谐配件，所述调谐配件耦合到所述末端镜并且被配置以调整所述末端镜，所述调谐配件位于所述密封的容器内。
18.如权利要求16所述的激光器设备，其中所述外腔激光器还包括栅格生成器，所述栅格生成器位于所述外腔中的所述光路径中。
19.如权利要求16所述的激光器设备，还包括信道选择器，所述信道选择器位于所述外腔中的所述光路径中。
20.如权利要求19所述的激光器设备，还包括调谐配件，所述调谐配件耦合到所述信道选择器并且被配置以调整所述信道选择器，所述调谐配件位于所述密封容器中。
21.如权利要求16所述的激光器设备，还包括位于所述密封容器内的活性炭排除器。
22.如权利要求16所述的激光器设备，其中所述惰性气氛是从氮、氦、氖、氩、氪、氙、氮-氦混合物、氖-氦混合物、氪-氦混合物或氙-氦混合物中选择的气体。
23.一种激光器方法，包括；
利用激光源生成光束；
将具有选定波长的所述光束的至少一部分反馈到所述激光源；
利用外腔的光学元件选择所述选定波长，所述激光源和外腔使用密封容器被封闭在惰性气氛中；
利用水气捕获器吸收所述密封容器内的水气；以及
在所述激光源未被加电时，将所述激光源和所述光学元件的至少一个加热到比所述水气捕获器的第二温度高的第一温度，以防止所述激光源和所述光学元件的所述至少一个受到污染。
24.如权利要求23所述的激光器方法，其中所述外腔由所述激光源上的表面和末端镜定义，所述末端镜和所述表面位于所述光束的光路径中。
25.如权利要求24所述的激光器方法，其中所述光学元件包括位于所述光路径中的信道选择器、栅格生成器和所述末端镜的至少一个。
26.如权利要求23所述的激光器方法，还包括：
利用活性炭排除器吸收在所述密封容器内产生的放气化合物；以及
在所述激光源未被加电时，将所述激光源和所述光学元件的所述至少一个加热到比所述活性炭排除器的第三温度高的第一温度，以防止所述激光源和所述光学元件的所述至少一个受到污染。
27.如权利要求26所述的激光器方法，其中吸收放气化合物的步骤包括利用位于所述密封容器内的所述活性炭排除器来吸收挥发性有机化合物。
28.如权利要求23所述的激光器方法，其中所述惰性气氛包括从氮、氦、氖、氩、氪、氙、氮-氦混合物、氖-氦混合物、氪-氦混合物或氙-氦混合物中选择的气体。
29.如权利要求23所述的激光器方法，还包括利用光纤来引导所述光束离开所述密封容器，所述光纤伸到所述密封容器中并被定位以从所述外腔接收所述光束，并且所述光纤利用光纤馈入装置被密封。
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