CN209881087U - 单纵模染料激光器扫频装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单纵模染料激光器扫频装置，所述的单纵模染料激光器扫频装置，包括单纵模激光振荡器，Fizeau波长计，与所述的波长计通讯连接的控制器，所述的单纵模激光振荡器包括受驱动相对底板转动的转动板，固定设置在转动板上的端面镜，固定设置在底板上且与所述的控制器可控连接的压电陶瓷，与所述的压电陶瓷的动端固定连接的后腔镜，以及光栅，本实用新型在波长扫描过程中，采用Fizeau波长计反馈谐振腔输出激光的干涉条纹，实时监测微小邻近寄生亮条纹，并判断腔长失调方向，再通过控制压电陶瓷伸缩来进行腔长的补偿，消除寄生模。

Description

单纵模染料激光器扫频装置

技术领域

本实用新型属于激光控制技术领域，具体涉及一种单纵模染料激光器扫频装置。

背景技术

激光具有良好的单色性和相干性，因此被广泛地应用在各个领域中。单纵模激光线宽通常在100MHz以下，在光谱、光与物质相互作用、超精细结构等领域得到广泛应用。在应用中，需要激光器的输出波长在宽范围内进行扫描，同时保持输出无跳模。

在单纵模光纤激光器、固体激光器等领域，通常采用窄带滤波器进行调谐，实现激光波长窄范围调谐输出。Littman型激光器通过调节腔镜与光栅的角度来调节输出波长，实现波长扫描，在外腔半导体激光器、染料激光器等可调谐激光器中应用。这种激光器由于调节过程中存在运动器件，以及机械结构精度的限制，会造成腔长与振荡激光模式失调，从而产生跳模，连续扫描效果差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单纵模染料激光器扫频装置，其具有波长的大范围、无跳模、连续扫描，能提高对输出光的波长扫描效果。

本实用新型的目的在于还同时公开了一种控制方法，有效提高了处理速度。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种单纵模染料激光器扫频装置，包括单纵模激光振荡器，Fizeau波长计，与所述的波长计通讯连接的控制器，

所述的单纵模激光振荡器包括受驱动相对底板转动的转动板，固定设置在转动板上的端面镜，固定设置在底板上且与所述的控制器可控连接的压电陶瓷，与所述的压电陶瓷的动端固定连接的后腔镜，以及光栅，振荡光在光栅的零级衍射光为输出光，所述的Fizeau波长计用以对所述的输出光波长进行测量并形成干涉条纹。

在上述技术方案中，所述的转动板的转动轴位于端面镜的反射面和光栅的光栅面的延长线焦点。

在上述技术方案中，所述的转动板的驱动机构包括与所述的控制器经端面镜旋转驱动器连接的驱动电机，由所述的驱动电机驱动直线往复运动的滑块，以及与所述的滑块可旋转连接的推动杆，所述的推动杆与所述的转动板可旋转连接。

在上述技术方案中，所述的后腔镜、端面镜和光栅构成的Littman型谐振腔的腔长为10cm-15cm。

在上述技术方案中，所述的Fizeau波长计的自由光谱范围不是恰好等于谐振腔模间隔的两倍。

在上述技术方案中，该谐振腔的模间隔约为1.5GHz，Fizeau波长计所用干涉仪的自由光谱范围为3.75GHz。

所述的输出光一侧设置有取样光纤，所述的取样光纤将输出光传导至Fizeau波长计。

在上述技术方案中，所述的压电陶瓷为环形压电陶瓷，所述的环形压电陶瓷由与所述的控制器通讯连接的压电陶瓷驱动器驱动。

在上述技术方案中，所述的转动板为三角板。

一种所述的单纵模染料激光器的波长扫描控制方法，包括以下步骤，

1)转动端面镜，按设定的步长进行波长扫描，

2)读取Fizeau波长计实时测量的干涉条纹，

3)对干涉条纹进行一次多项式曲线拟合，

4)按预定的幅度阈值，在干涉条纹拟合曲线上搜索最大峰值位置和其右边相邻的另一峰值位置作为所述干涉条纹相邻两个主亮条纹；

5)提取相邻两主亮条纹间的局部数据段；

6)对局部数据段的拟合；

7)鉴别寄生亮条纹，如未检出到寄生亮条纹，则跳转到(1)开始下一步波长调节，否则进行下一步，

8)根据所述寄生亮条纹位置是靠近主亮条纹的左侧还是右侧来判断谐振腔失调方向；

9)根据失调方向通过控制压电陶瓷的伸缩来进行腔长的补偿；

10)重复2)-9)步骤，直到第7)步中未检测到寄生亮条纹；

11)重复1)-10)步骤，直到完成波长扫描任务。

在上述技术方案中，所述的步骤5)中提取局部数据段的方法为：从所述最大峰值位置向右偏移一定的数据单元开始，到所述另一个峰值位置向左偏移一定的数据单元之间的数据，以确保提取的数据段在两个主亮条纹之间。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型的单纵模波长扫描方法是在波长调节过程中，根据所述激光器输出激光在Fizeau波长计中形成的干涉条纹，进行微小寄生亮条纹实时监测，当检测到微小寄生模时，通过控制压电陶瓷的伸缩进行腔长的补偿，使寄生模消失，避免跳模的出现。实现了单纵模激光器大范围、无跳模波长扫描。

附图说明

图1为单纵模染料激光波长扫描系统框图。

图2为单纵模染料激光振荡器示意图

图3为单纵模染料激光波长扫描控制软件流程图

图4为单纵模染料激光干涉条纹处理过程示意图

图5为带寄生模的染料激光干涉条纹示意图

图中：

1 单纵模激光振荡器

2 Fizeau波长计

3 端面镜旋转驱动器

4 压电陶瓷驱动器

5 控制器

6 控制软件

7 采样光纤

8 端面镜转动驱动杆

9 高压输出线

10、11、12 通讯线

13 压电陶瓷

14 后腔镜

15 端面镜

16 光栅

17 振荡光

18 输出光

19 转动轴

20、21 干涉条纹

22、23 主亮条纹

24 邻近寄生亮条纹

25 多项式拟合后的邻近寄生亮条纹

26 干涉条纹拟合曲线

27、28 干涉条纹拟合曲线上的主、次峰位置

29 主亮条纹间的局部数据段

30、31 主亮条纹间局部数据段拟合曲线

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实用新型的一种单纵模染料激光器扫频装置，包括单纵模激光振荡器1，Fizeau波长计2，与所述的波长计通讯连接的控制器5，

所述的单纵模激光振荡器包括受驱动相对底板转动的转动板，固定设置在转动板上的端面镜15，固定设置在底板上且与所述的控制器可控连接的压电陶瓷13，与所述的压电陶瓷的动端固定连接的后腔镜14，以及光栅16，振荡光在光栅的零级衍射光为输出光，所述的Fizeau波长计用以对所述的输出光波长进行测量并形成干涉条纹。腔内激光束小角度掠入射到光栅上，提高光栅的色散效果，压缩线宽，同时实现激光的输出。

其中，所述的控制器为具有计算或逻辑处理能力的终端，如装载有预定软件程序的控制电脑等，控制器5通过通讯线10与Fizeau波长计2连接，控制软件安装在控制电脑中，控制软件通过发送指令，从Fizeau波长计读取激光波长和干涉条纹；通过通讯线11与端面镜旋转驱动器3相连，端面镜旋转驱动器采用常规的正弦调节机构及相应的伺服系统，端面镜旋转驱动器按照控制软件发送的转动命令推动端面镜绕转轴转动相应的角度，实现波长的调节；通过通讯线12与压电陶瓷驱动器连接，压电陶瓷驱动器4通过高压输出线9连接到振荡器中的压电陶瓷13的两个电极，控制软件向压电陶瓷驱动器发送电压输出命令，压电陶瓷驱动器按命令输出相应的电压，控制压电陶瓷的伸缩。

本实用新型的单纵模波长扫描方法是在波长调节过程中，根据所述激光器输出激光在Fizeau波长计中形成的干涉条纹，进行微小寄生亮条纹实时监测，当检测到微小寄生模时，通过控制压电陶瓷的伸缩进行腔长的补偿，使寄生模消失，避免跳模的出现。实现了单纵模激光器大范围、无跳模波长扫描。

具体地，所述的转动板的转动轴位于端面镜的反射面和光栅的光栅面的延长线焦点，所述的转动板的驱动机构包括与所述的控制器经端面镜旋转驱动器连接的驱动电机，由所述的驱动电机驱动直线往复运动的滑块，以及与所述的滑块可旋转连接的推动杆，所述的推动杆与所述的转动板可旋转连接。

实施例二

其中，后腔镜14、端面镜15、光栅16构成Littman型谐振腔，腔长设计为10cm，振荡光17在谐振腔内振荡，振荡光17在光栅16上的零级衍射光为输出光18，输出光18被部分耦合到采样光纤7内，传输到Fizeau波长计2，进行激光波长测量，并输出亮暗相间的干涉条纹20或干涉条纹21，如图4和图5所示。如图5所示，当腔长失调时谐振腔内会产生邻近寄生模，对应干涉条纹21上的主亮条纹22和23间会产生邻近寄生亮条纹24。根据所设计的10cm谐振腔长，谐振腔输出激光模间隔约为1.5GHz，因此邻近寄生模形成的寄生亮条纹24将会靠近主亮条纹22或23。

后腔镜14固定在压电陶瓷13一端，压电陶瓷13另一端固定在底板上，压电陶瓷驱动器4的输出电压通过高压输出线9连接在压电陶瓷的电极上，驱动压电陶瓷13的伸长或缩短，带动端面镜14前后移动，实现腔长的控制。压电陶瓷驱动器采用市场采购的驱动器，如芯明天E00/E01系列压电驱动器。端面镜15的转动轴19为端面镜15的反射面与光栅面延长线的交点。端面镜旋转驱动器3通过推动杆8推动端面镜15绕转动轴19转动，通过调节端面镜与光栅的角度实现谐振腔输出波长的调节。

Fizeau波长计通过采样光纤对单纵模激光振荡器输出激光进行测量，获得激光波长，并形成激光的干涉条纹。所述Fizeau激光波长计采用高精度、宽自由光谱范围的波长计，且自由光谱范围不是恰好等于谐振腔模间隔的两倍。因此谐振腔的邻近寄生亮条纹必然靠近主亮条纹的左侧或右侧，判断谐振腔失调方向的方法为：根据谐振腔的邻近寄生亮条纹靠近主亮条纹的左侧或右侧来判断谐振腔失调方向。处于左侧或右侧反映了腔长的失调方向，在左侧为腔长过短，在右侧则为腔长过长。

如：单纵模激光器的谐振腔长为10cm，该谐振腔的模间隔约为1.5GHz，可采用如俄罗斯产LM007波长计进行波长和干涉条纹的测量，其相对精度10-7、自由光谱范围为3.75GHz。波长计采用线性CCD采集亮暗相间的干涉条纹，并通过USB线输出到电脑，干涉条纹横坐标为CCD像素，纵坐标为光信号强度。Fizeau波长计输出干涉条纹的主亮条纹间距即为波长计自由光谱范围，利用LM007波长计形成的干涉条纹，谐振腔的临近寄生亮条纹处于主亮条纹左侧或右侧，0.4倍的主亮条纹间距的位置处，如图5所示。

实施例三

控制软件的波长扫描算法流程包括转动端面镜，采集干涉条纹，多项式曲线拟合，确定相邻主亮条纹位置，提取相邻主亮条纹间局部数据段，局部数据段曲线拟合，判断寄生条纹，判断失调方向，腔长补偿。

当谐振腔内出现寄生激光模时，在干涉条纹的两个主亮条纹间会产生一个寄生亮条纹。本实用新型单纵模波长扫描方法是在波长调节过程中根据干涉条纹，实时监测微小寄生亮条纹，其中，对寄生模的鉴别方法为：由于Fizeau波长计输出的干涉条纹为高对比度亮暗相间的条纹，通常包含三个以上尖锐的主亮条纹，而当谐振腔微有失调，产生的寄生亮条纹相对幅度很小，同时原始干涉条纹曲线由于噪声的存在，不是一条光滑的曲线。为了能在这样相对复杂的干涉条纹曲线上鉴别出微小的寄生亮条纹，本实用新型首先对整条干涉条纹曲线进行多项式拟合，获得一个光滑的拟合曲线，在这条光滑的拟合曲线上搜索两个峰值位置，作为干涉条纹上相邻两个主亮条纹的粗略位置，再在原干涉条纹曲线上提取相邻两个主亮条纹间的局部数据段。这个局部数据段曲线为相对简单的盆地型曲线，比较容易对该曲线进行精确的多项式拟合，确保保留有微小寄生亮条纹信息。在光滑的局部拟合曲线搜索峰值，如果存在一个幅度超过预设阈值的峰值，判断该峰值为寄生亮条纹。该预设峰值，可采用具体设定值或者根据两个峰值的幅值的预定比例进行设定。

具体控制方法为

(1)转动端面镜，控制软件6将波长扫描的步长转换为端面镜15的转动角度，并发送命令到端面镜旋转驱动器3，端面镜旋转驱动器3通过推动杆8驱动端面镜15转动相应的角度，激光器输出波长将发生变化。

(2)采集干涉条纹，如图4和5所示，控制软件6从Fizeau波长计2读取的干涉条纹20或21。

(3)多项式曲线拟合，如图4，对干涉条纹20进行一次多项式曲线拟合，得到干涉条纹拟合曲线26。

(4)确定相邻两主亮条纹位置，按预定的幅度阈值，在光滑的干涉条纹拟合曲线26上搜索最大峰值，该最大峰值位置作为主峰位置27，在最大峰值位置右边的另一个峰值位置作为次峰位置28，主、次峰位置27、28分别为干涉条纹曲线20上的主亮条纹22和23的粗略位置。

(5)提取相邻两个主亮条纹间的局部数据段，提取的数据段为：在干涉条纹20上，从主峰位置27增加一定的数据单元，如10个像素开始，到次峰位置28减小一定的数据单元，如10个像素之间的数据段，得到局部数据段29。

(6)局部数据段的拟合，由于局部数据段29为形状较简单的盆地型曲线，可进行较精确曲线拟合。将局部数据段29进行多项式拟合，得到光滑的局部拟合曲线30。图5所示，局部数据拟合曲线31包含了邻近寄生亮条纹25。

(7)鉴别寄生亮条纹，按照预定的幅度阈值，在局部拟合曲线30或31上搜索峰值。预定幅度阈值为5，在局部拟合曲线31上检测到寄生亮条纹25。

(8)判断失调方向，局部拟合曲线31中邻近寄生亮条纹25靠近主亮条纹的左侧，腔长偏短。

(9)腔长补偿，控制软件6控制压电陶瓷驱动器4改变相应输出电压，控制压电陶瓷13缩短，进行腔长调节

(10)重复步骤(2)至(9)，直到步骤(7)未检出寄生亮条纹。

(11)重复步骤(1)至(10)继续进行下一步的波长扫描调节。

本实用新型在波长扫描过程中，采用Fizeau波长计反馈谐振腔输出激光的干涉条纹，实时监测微小邻近寄生亮条纹，并判断腔长失调方向，再通过控制压电陶瓷伸缩来进行腔长的补偿，消除寄生模。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：包括单纵模激光振荡器，Fizeau波长计，与所述的波长计通讯连接的控制器，

所述的单纵模激光振荡器包括受驱动相对底板转动的转动板，固定设置在转动板上的端面镜，固定设置在底板上且与所述的控制器可控连接的压电陶瓷，与所述的压电陶瓷的动端固定连接的后腔镜，以及光栅，振荡光在光栅的零级衍射光为输出光，所述的Fizeau波长计用以对所述的输出光波长进行测量并形成干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的转动板的转动轴位于端面镜的反射面和光栅的光栅面的延长线焦点。

3.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的转动板的驱动机构包括与所述的控制器经端面镜旋转驱动器连接的驱动电机，由所述的驱动电机驱动直线往复运动的滑块，以及与所述的滑块可旋转连接的推动杆，所述的推动杆与所述的转动板可旋转连接。

4.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的后腔镜、端面镜和光栅构成的Littman型谐振腔的腔长为10cm。

5.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的Fizeau波长计的自由光谱范围不是恰好等于谐振腔模间隔的两倍。

6.根据权利要求5所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：该谐振腔模间隔为1.5GHz，Fizeau波长计所用干涉仪的自由光谱范围为3.75GHz。

7.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的输出光一侧设置有取样光纤，所述的取样光纤将输出光传导至Fizeau波长计。

8.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的压电陶瓷为环形压电陶瓷，所述的环形压电陶瓷由与所述的控制器通讯连接的压电陶瓷驱动器驱动。

9.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的转动板为三角板。

10.根据权利要求1所述的一种单纵模染料激光器扫频装置，其特征在于：所述的后腔镜、端面镜和光栅构成的Littman型谐振腔的腔长为15cm。