CN1822453A - 调谐激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对激光器系统中的激光器进行同步调谐的方法，所述激光器系统包括含谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率、具有光增益的光放大器和具有中心频率的滤模器，所述方法包括确定光放大器的光增益和提供代表光增益的光增益信号的步骤。一种用于对激光器系统中的激光器进行同步调谐的装置，包括含谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率以及具有通带的滤模器，所述通带具有中心频率。所述装置包括具有光增益的光放大器以及移频器。所述移频器根据光增益来移动通带的中心频率，以使通带的中心频率向着谐振模谐振频率移动。

Description

调谐激光器

技术领域

本发明涉及调谐激光器。

背景技术

为了在没有模式跳变的单模下调谐激光器，必须同步调谐激光器的腔和选模滤波器。在已知的激光器机械调谐的领域中，通过使腔镜或衍射光栅绕着特定的支点旋转可实现几十纳米波长的同步调谐范围。只有一个支点位置提供激光器的同步调谐。利特曼和利特罗结构是这类机械调谐激光器的著名例子。

机械调谐的激光器中，支点位置的机械公差可以在1μm或更低的量级上，而实现这样的公差是昂贵的。而且，支点的位置可能随着温度和气压而变化。其也可能随振荡波长而微变。由于这些原因，能够无需物理地移动支点的同步调节激光器将是吸引人的。在美国专利申请No.2004/0075919 A1中描述了进行这种工作的一种静态方法。在美国专利No.6763044的中描述了一种动态方法。

不过，能够补偿支点位置误差只是问题的一部分。当诸如温度或气压等参数变化时，还必须知道应当施加多少补偿。在美国专利申请No.2004/0109479 A1中描述了进行这种工作的一种方法。其中指出的方法是一种前馈技术。其依赖于通过根据如环境温度等参数的数学模型来表征激光器。当温度变化时，从此模型估计所产生的支点误差并在此基础上施加校正。这种技术的一个缺点是其需要激光器完整精确的模型。在实际中这是难以达到的，特别是激光器行为可能不具有时不变性。真正的负反馈方法将是重大的进步，这里将进行描述。

发明内容

在一个方面中，根据本发明原理的一种同步调谐激光器的方法可以在具有光放大器和滤模器的激光器系统中实施。光放大器具有光增益。滤模器具有有中心频率的通带。激光器系统具有包括谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率。本方法包括以下步骤：确定光放大器的光增益；提供代表光增益的光增益信号；以及根据光增益信号调节通带的中心频率，以使通带的中心频率朝着谐振模的谐振频率移动。

在另一方面中，一种用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，包括含谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率、以及具有通带的滤模器，所述通带具有中心频率。所述装置包括具有光增益的光放大器以及移频器。所述移频器根据光增益来移动通带的中心频率，以使通带的中心频率向着谐振模的谐振频率移动。

附图说明

本发明将结合如下附图进行说明，其中相似的标号指示相似的元件。

图1示出了声光调谐外腔激光器系统的示意性表示。

图2示出了可在图1的声光调谐外腔激光器系统上进行的同步调谐过程的图形表示。

图3A和3B示出图示图1的声光调谐外腔激光器的滤模器相对于其谐振频率的峰值响应的图形表示。

图4示出图1的声光调谐外腔激光器系统的另一实施例的示意性表示，用于测量其中的光增益。

图5示出图4的声光调谐外腔激光器系统的另一实施例的示意性表示，其中提供了负反馈伺服以允许激光器系统的同步调谐。

图6示出了图形表示，其图示腔的总透过率与图5的声光调谐外腔激光器系统中光放大器的光增益之间关系。

图7示出一种适合在本发明的激光器系统中使用的直线型激光器腔。

具体实施方式

现在参考图1，其示出了一种现有技术的声光调谐外腔激光器系统10的示意性表示，其中反射镜12限定了激光器系统10的腔28。当外腔激光器系统10在其谐振模式下工作时，声光调谐外腔激光器系统10的腔28适合允许光束16在反射镜12之间来回反射。外腔激光器系统10的腔28还包括上移声光设备(A.O.D.)18和下移A.O.D.22，用于使光束16发生频移。在特定激光器设计中使用的声光设备类型可以包括但不限于偏转器、滤波器、调制器，或者这些类型的组合。

当上移A.O.D.18和下移A.O.D.22使光束16频移时，其改变了外腔激光器系统10中的谐振模式，这种改变是通过允许光束16与声波发生相互作用实现的，而无需激光器系统10中任何元件的任何机械运动。例如，如果对上移A.O.D.18施加光频v和声频f₁，则在上移A.O.D.18的输出处可产生光频v+f₁。另外，如果对下移A.O.D.22施加光频v和声频f₂，则在下移A.0.D.22的输出处可产生光频v-f₂。当光束16在激光器系统10的腔28中传播时，用这种方式可在光束16的光频中引入小的改变。

本领域的技术人员将理解，由于光束16的波长与反射镜12所限定的腔28的长度相比要小得多，在声光调谐外腔激光器系统10中存在许多可能的谐振模式。因此，在无源器件块26中提供了例如滤波器的其他元件，用于以本领域技术人员熟知的方式来衰减除所需要的模式以外的所有谐振模式。外腔激光器系统10的无源器件块26也可以包括在实际设计中可能必须的其他已知设备，例如衍射光栅和附加的反射镜。

现在参考图2，其示出了可对例如声光调谐外腔激光器系统10的激光器系统进行的同步调谐过程的图形表示30。图形表示30包括图形表示34，其表示外腔激光器系统10在同步调谐过程之前的状态。图形表示30还包括图形表示48，其表示外腔激光器系统10在同步调谐过程之后的状态。

图形表示34用垂直箭头示出了外腔激光器系统10中滤模器的一些可能的腔模40。腔模40之间的间隔被称为自由光谱范围(F.S.R.)42。F.S.R.42通常可能在GHz区域中。外腔激光器系统10的滤模器通带用图形表示34中的钟形滤波器曲线36表示。滤波器曲线36的通带中心频率选取为近似等于外腔激光器系统10的期望谐振频率。于是，图形表示34中许多可能的腔模40中只有一个在振荡，即谐振腔模38。

图形表示48示出外腔激光器系统10调谐之后的状态。当腔28被调谐时，图形表示48的每个腔模56相对于腔模40都移动了。腔模56相对于腔模40的移动由虚线54指示。如果外腔激光器系统10在以这种方式调谐时连续振荡而没有模式跳变，那么在激光器系统10的谐振模从谐振腔模38移动到谐振腔模52时，滤波器曲线50必须与其同步移动。该过程被称为同步调谐。

在本发明的系统和方法中，滤波器曲线50和谐振模52的同步移动可以如下这样来实现。如前所述对上移A.O.D.18施加声频f₁，对下移A.O.D.22施加声频f₂。在实际调谐的外腔激光器，例如外腔激光器系统10中，选择f₁和f₂以使得f₁≈f₂＝f且f₁-f₂＝Δf，其中Δf＜＜f。在这些条件下，设外腔激光器系统10振荡的光频为v，设腔28一个来回的渡越时间为T。则决定腔28调谐过程中光频v变化率的方程为

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{2\mathrm{\Δf}}{T}$ 式(1)

在本发明的一个优选实施例中，声频f可以在大约50到1000MHz范围内，光频可以在大约100到500THz范围内。具有2GHz的F.S.R.42的激光器系统10中腔28的渡越时间T为500ps。光频变化率v可以在10到1000THz/s范围内。

本领域技术人员熟知，选模滤波器的通过频率可以通过改变声频f来控制。通过频率的相应变化取决于A.O.D.18和22的类型和设计、无源器件26的类型和设计、以及AOD 18和22与无源器件26相互作用的方式。尽管有前述元件，但外腔激光器系统10的滤模器仍用

这个量，即滤波器通过频率相对于声频的变化率来表征。通常，这个改变率的值可以是10⁶。决定滤模器调谐的方程为

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{df}}\right)\×\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{df}}\right)$ 式(2)

于是，对于同步调谐

$\frac{\mathrm{\Δf}}{T}=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{df}}\right)$ 式(3)

本领域技术人员应理解，T和

都是v的函数。此外，已知其还依赖于环境因素，例如周边温度和气压。前述的依赖性较弱，但仍是重要的。其结果是，如果外腔激光器系统10需要在宽的波长范围内连续调节，则可能必须连续调节声频f。这尤其在外腔激光器系统10周围的环境条件在改变时是正确的。根据本发明，这个问题是通过在外腔激光器系统10中提供光增益来解决的，当谐振腔模38的腔振荡频率位于滤模器的通带中心时所述增益处于或非常接近最小值。如前所述，这在图形表示34中以钟形滤波器曲线36示出。

现在参考图3A和3B，其示出了图形表示80和90。图形表示80图示了外腔激光器系统10的滤模器的峰值响应与腔28的谐振频率相符的情况。在这种情况下，设包括滤波器引起的损耗和腔28中任何其他器件引起的损耗两者在内，腔的总透过率为F₀。设这些条件下光放大器14的增益为

$G_0=\frac{1}{F_0}$ 式(4)

图形表示90图示了激光器系统10的滤模器移至与腔谐振略微失步的情况。在这种情况下，腔透过率减至F₁，而光放大器14的增益必须增至

$G_1=\frac{1}{F_1}$ 式(5)

值得注意的是，这表明当腔28和滤波器同步调谐时，光放大器14的增益最小。

现在参考图4，其示出了声光调谐外腔激光器系统100的示意性表示。声光调谐外腔激光器系统100说明了对声光调谐外腔激光器系统10的改变中的一些，这些改变是进行一个优选实施例中本发明的前述同步调谐所需要的。在本发明的此优选实施例中，光放大器14的增益G是在本发明的同步调谐期间，为了确定式(4)和(5)而测量的。

在外腔激光器系统100中，使用分束器立方棱镜104对进入和离开光放大器14的光束16进行采样。分束器立方棱镜104应当使经过外腔激光器系统100的腔28传播的光大部分通过，以使腔的损耗最小。在本发明的一个优选实施例中，1％或更小的分束器反射率就可以足够了。此外将理解到，例如分束器立方棱镜104的分束器在外腔激光器系统100中不是必需的。在本发明另外的实施例中，可以使用例如适当镀膜的片或薄膜之类的器件来取代分束器立方棱镜104。

由分束器立方棱镜104采样的光施加到检测器102上，所述检测器102提供的输出信号代表了被采样的通量。检测器102的输出施加到互阻放大器108上，放大器108放大信号并将电压V₁和V₂施加到电压除法器110上，其中电压V₁和V₂代表分束器棱镜104提供的光通量。于是光放大器14的增益G可作为电压除法器110中V₁和V₂的商计算得到。

现在参考图5和6，其示出了声光调谐外腔激光器系统150的图形表示160和示意性表示。声光调谐外腔激光器系统150说明了对声光调谐外腔激光器系统100的改变中的一些，这些改变用于在一个优选实施例中进行本发明的同步调谐的伺服方法。因此，声光调谐外腔激光器系统150被称为伺服调谐激光器系统150。图形表示160图示了伺服调谐激光器系统150中光放大器14的光增益随声频f变化的函数。

虽然伺服调谐激光器系统150说明了本发明的伺服系统和方法的一个可能的实施例，但是将理解到本发明的系统和方法的许多其他实施例也是可能的。例如，此处的术语“伺服”应当理解为包括用于传感误差信号并提供适于减小该误差信号的校正信号的任何设备，无论该伺服设备是机械的还是非机械的，电的还是光的。此外，为了下述描述清楚，假设伺服调谐激光器系统150中至少部分使用了模拟电子器件。但是，此处描述的原理也适用于数字式的实现方式。此外，尽管此处的描述是按照声光调谐激光器系统来进行的，但是本发明可以应用于其他类型的激光器系统。例如，本发明可以应用于机械调谐激光器系统。另外，本发明可以应用于具有环形腔的激光器系统，也可以应用于具有直线型结构的激光器系统。

使用本发明的伺服调谐激光器系统150，可以使用下面将要详述的伺服环将光放大器14的增益维持在最小值G₀处。为了说明这一点，假设伺服调谐激光器系统150的腔28的谐振是固定的。另外，假设激光器系统150的滤波器通过频率是通过改变声频f调节的。所产生的光放大器增益变化可参考图形表示160来描述。在频率f₀处，滤波器峰值与谐振腔模重合。结果腔透过率达到最大。于是，光放大器14的增益因此必须处于最小值。

图形表示160中增益随声频f的变化曲线可建模为如下形式的二次关系：

                        G＝G₀+A(f-f₀)²               式(6)

其中A和G₀(最小增益)为常数。

假设声频被设定在f₁，并且，叠加具有调制深度±f_d和调制频率Ω的小正弦调频振动信号，以使得在时间t，瞬时声频为

                        f＝f₁+f_dcosΩt               式(7)

将式(6)与(7)联立得

                        G＝G₀+A[(f₁-f₀)+f_dcosΩt]²   式(8)

式(8)也可以重写成

式(9)

注意在式(9)中，Ω中的基频项与(f₁-f₀)成比例。因此，当腔谐振与滤模器完全同步时，Ω中的基频项为零。这表明此基频可用于在伺服环中导出误差信号以对激光器的调谐进行同步。

在伺服调谐激光器150中，上移A.O.D.18和下移A.O.D.22由各自的压控振荡器(VCO)124经过功率放大器126驱动。VCO 124被彼此频率锁定，如锁频连结128所示。VCO 124的输出提供了前面关于外腔激光器系统10所述的频率信号f₁和f₂。于是，VCO 124对上移A.O.D.18和下移A.O.D.22施加的驱动频率之差为Δf。

频率差Δf控制腔F.S.R.，并因此控制伺服调谐激光器系统150可能的腔谐振模。模拟加法电路122接收频率差Δf作为输入电压V[Δf]。将理解到，这里示出的方括号表示，当电压V[x]被施加到VCO 124时，其输出是频率为xHz的正弦。频率f是伺服调谐激光器系统150的另一个输入参数。频率f确定了滤模器的峰值光学频率。其作为输入电压V[f]施加到模拟加法电路120。现有技术的激光器调谐系统中为了实现激光器的精确同步调谐，f和Δf需要精确满足式(3)。但是，本发明的系统和方法允许即使在仅仅近似满足式(3)的情况下也可以进行伺服调谐激光器系统150的同步调谐。

伺服调谐激光器系统150的误差信号从测得的光放大器14的增益中导出。测得的增益是用分束器立方棱镜104采样两光束16获得的。用这种方式获得的代表被采样光束16的信号经过检测器102和互阻放大器108被施加到电压除法器110。测得的光放大器14的增益在模拟电压除法器110中作为被互阻放大器108施加到模拟电压除法器110的两信号的商而计算得到。

在电压除法器110的输出处测得的增益形成了对锁定放大器138的输入。另外，正弦波信号发生器142产生频率为Ω的调频振动信号。正弦波信号发生器142提供的调频振动信号由模拟加法电路120与V[f]混合。正弦波信号发生器142输出处提供的正弦信号也作为锁定放大器138的参考。

锁定放大器138的输出与测得的光放大器14的增益的Ω频率分量成比例，所述测得的增益是由电压除法器110确定的。如上所述，此基频分量与谐振腔模和滤模器峰值间的光频差成比例。锁定放大器138的输出电压由频率补偿网络136滤波，以稳定伺服调谐激光器系统150中的伺服环。

参考电压V_REF也与频率补偿网络136的输出一起被施加到高增益差动放大器134。通过比较这两个输入信号，高增益差动放大器134可以确定激光器系统150中的误差信号。如果激光器系统150的腔模要同步到滤模器通带的峰值，则可以将电压V_REF设定为零。但是，在本发明的一些实施例中，将滤模器的峰值和腔模之间偏移一个较小但一致的频率可能是有利的。在这种情况下，V_REF可以设定为适当的非零值。

差动放大器134提供的误差信号被施加到加法电路120，以将误差信号加到同样施加到加法电路120的V[f]上。另外，振动信号块142中产生的正弦调频振动信号V[f_acosΩ]在加法电路120中叠加到V[f]上。加法电路120的输出信号用于控制VCO 124的输出频率，并由此控制施加到A.O.D.18和22的频率以及光束16的频移。其被直接施加到下移A.O.D.22的VCO 124，并在施加到VCO 124之前在加法电路122中与V[Δf]相加。

现在参考图7，其示出了直线型腔激光器系统175。直线型腔激光器系统175提供了本发明的系统和方法的更一般化的代表。如前所述，其包括例如反射镜或光栅的端反射器12，以及用于克服腔损耗的光放大器14。选模滤波器180选择激光器的腔28振荡的模式，而腔调谐器182选择振荡频率。本领域的技术人员将认识到，本发明的一般化代表既可以应用于具有环形腔的激光器，也可以应用于具有直线型腔的激光器。

对于调谐激光器的情况，腔28内提供分束器立方棱镜104或者例如薄膜的其他等效器件。分束器立方棱镜104将入射到光放大器14上和离开其的少量光转向到光电检测器102。光电检测器102的电输出由放大器108放大并在电压除法器110中进行除法运算。这样，就测量了光放大器14的增益。由信号处理器184在电压除法器110的输出处对测得的增益信号进行信号处理。信号处理器184的输出施加到选模滤波器180，用于调节模式选择以提供激光器系统175的同步调谐。

根据本发明的方法，当调谐腔28以改变激光器系统175的输出频率时，选模滤波器180将光放大器14的增益维持在最小值处或其附近。用这种方式，当直线型腔激光器系统175的输出频率改变时，激光器总是以相同的模式下振荡，而没有模式跳变。

这样，光放大器14的增益被伺服环保持在最小值处或其附近，在所述伺服环中，根据测得的增益导出的反馈信号经过信号处理器184被施加到选模滤波器。直线型腔激光器系统175中的伺服环可以是任何类型的伺服环，包括任何类型的机械式环。信号处理器184可以由这样的一些器件组成，这些器件可以包括但不限于信号放大器、滤波器和锁定放大器。

在本发明的一个优选实施例中，通过声光调谐来调谐激光器。但是将理解到，可以使用任何响应于伺服环来进行频率调谐的已知装置或方法。在使用声光调谐的情况下，使用频移来调谐激光器腔，所述频移当光与声波在声光设备中相互作用时发生。为了以这种方式获得良好控制的腔调谐，用两个这样的设备，即一个上移器和一个下移器在腔内提供频移是优选的。滤模也可以用声光设备来进行。例如，如果声光设备是滤波器，则其可以直接作为滤模器。如果声光设备是偏转器，则其通常与衍射光栅共同使用来形成滤模器。

尽管已参考具体例子详细描述了本发明，但本领域的技术人员将明白，在不脱离其精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，所述激光器系统包括含谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率、具有光增益的光放大器、以及具有有中心频率的通带的滤模器，所述方法包括：

确定所述光放大器的所述光增益；

提供代表所述光增益的光增益信号；以及

根据所述光增益信号而向着所述通带的所述谐振模谐振频率来调节所述通带的所述中心频率。

2.根据权利要求1所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

根据所述光增益信号确定误差信号；以及

根据所述误差信号由伺服系统调节所述通带的所述中心频率。

3.根据权利要求2所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

对所述激光器系统中的光束进行测量；

根据对所述光束进行的所述测量提供测得的光通量；以及

根据所述测得的光通量的比率提供所述光增益信号；

4.根据权利要求3所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

由分束器对所述激光器系统中的光束进行测量；

根据对所述光束进行的所述测量提供测得的光通量；以及

根据所述测得的光通量的比率提供所述光增益信号。

5.根据权利要求1所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括根据代表声频的信号调节所述通带的所述中心频率。

6.根据权利要求5所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

将所述光增益信号与代表所述声频的所述信号相加；

根据所述光增益信号与代表所述声频的所述信号的所述相加提供第一求和信号；以及

根据所述第一求和信号调节所述通带的所述中心频率。

7.根据权利要求6所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

将所述第一求和信号与一个振动信号相加以提供第二求和信号；以及

根据所述第二求和信号调节所述通带的所述中心频率。

8.根据权利要求7所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

将所述第二求和信号与代表声频的差的信号相加以提供第三求和信号；以及

根据所述第三求和信号调节所述通带的所述中心频率。

9.根据权利要求5所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，其中所述激光器系统包括声光设备，所述方法还包括：

根据误差信号确定代表所述声频的所述差的所述信号；

将代表所述所述声频的所述信号经过伺服设备施加到所述声光设备；以及

通过所述声光设备使所述通带的所述中心频率移动。

10.根据权利要求9所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，其中所述激光器包括多个声光设备和代表多个声频的多个信号，所述还包括：

将代表多个声频的所述多个信号施加到所述多个声光设备；以及

通过所述声光设备使所述通带的所述中心频率移动。

11.根据权利要求10所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，其中代表声频的信号包括代表声频之差的信号。

12.根据权利要求1所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括：

确定所述光增益的最小值；以及

调节所述通带的所述中心频率，以将所述光增益保持在光增益的所述最小值处。

13.根据权利要求12所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括根据参考信号调节所述光增益信号的所述最小值。

14.根据权利要求13所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的方法，还包括根据所述参考信号提供所述通带的所述中心频率与所述谐振频率之间的偏移。

15.一种用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，所述激光器系统包括含谐振模的谐振频率在内的一组可能的谐振频率、以及具有有中心频率的通带的滤模器，所述装置包括：

具有光增益的光放大器；和

移频器，其中所述移频器根据所述光增益来移动所述通带的所述中心频率，以使所述通带的所述中心频率向着所述谐振模谐振频率移动。

16.根据权利要求15所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，还包括伺服系统，其中所述伺服系统根据所述光增益调节所述通带的所述中心频率。

17.根据权利要求15所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，其中所述移频器根据代表声频的信号来调节所述通带的所述中心频率。

18.根据权利要求17所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，还包括求和电路，其中所述求和电路将代表所述光增益的信号和代表所述声频的所述信号相加以提供求和信号，且其中根据所述求和信号来调节所述通带的所述中心频率。

19.根据权利要求18所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，其中所述求和电路加上代表声频的差的信号来提供所述求和信号。

20.根据权利要求15所述的用于同步调谐激光器系统中的激光器的装置，其中所述光增益还具有最小增益值，并且所述通带的所述中心频率被调节以将所述光增益保持在所述最小增益值处。

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