SE524828C2 - Resonator - Google Patents

Description

- ø - n .u 524 828 un a. 2 strukturen är känslig med avseende pà komponenternas individuella lägen, och följaktligen kan felaktigt linjerade komponentlägen orsaka försämrad funktion av ljuskällan. Liksom konfigurationen ovan innefattar denna konfiguration också ett flertal komponenter och är därmed inte bara känslig för felaktigt linjerade komponentlägen, dvs. fellinjering som sker pà grund av relativa förflyttningar av komponenterna längs systemets optiska axel, utan är också dyr att tillverka. Dessutom är det komplicerat att uppnå väglängdsavstämning utan modhopp.

En alternativ resonatorstruktur med en enklare konstruktion beskrivs i ”Conjugate-Concentric laser resonator, R. V. Pole, Journal of the optical society of Vol 55, No 3, pages 254-260”. Detta dokument beskriver en laserresonator som är en sfärisk resonator, America, i vilken det aktiva förstärkarmediumet är placerat centralt i kaviteten och också verkar som en lins, så att en konjugerad koncentrisk resonator àstadkommes. Denna ljuskälla är dock inte avstämbar och har därför begränsad användning i moderna applikationer. Eftersom linselementet sammanfaller med det optiska förstärkarelementet kan vidare denna konfiguration inte användas med halvledarlasrar.

Ytterligare exempel pà avstämbara externkavitets- konfigurationer är så kallade Littman- och Litrow- konfigurationer, vilka är välkända för fackmannen. Båda dessa konfigurationer är dock känsliga för fellinjering och en stabilare konfiguration är därför önskvärd.

Dessutom innefattar många kända konfigurationer ett flertal komponenter och lider därför av nackdelar beträffande fellinjeringsförluster. Pä grund av närvaron av flera komponentytor inuti kaviteten lider de ovan beskrivna kaviteterna också av stora resonatorförluster, vilket resulterar i en reducerad optisk uteffekt.

Sammanfattning av uppfinningen i - FmcQEeVI Al afse f 1 sån. 'L i :rg :¶ïí~_1š<1.:5o::: lO 15 20 25 30 35 524 828 .man u 3 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är följaktligen att tillhandahålla en våglängdsavstämbar ljuskälla som undanröjer åtminstone några av de ovan beskrivna nackdelarna med känd teknik, och som tillhandahåller en ljuskälla som har en enkel och stabil konstruktion och som kan realiseras på ett kostnadseffektivt sätt.

De ovannämnda ändamålen uppnås med en våglängdsavstämbar ljuskälla innefattande en huvudresonator som har en första och en andra speglande ände vilka definierar en effektiv kavitetslängd, dvs. en optisk strålväglängd för en lasringsmod i kaviteten, ett optiskt förstärkarelement som har en första och en andra motstående ändyta, varvid nämnda andra yta är placerad inuti nämnda resonator, ett spegelelement som utgör nämnda andra speglande ände, och ett dispersivt fokuserande diffraktivt resonatorelement som är placerat längs en strålväg mellan nämnda andra ändyta och nämnda spegelelement, varvid nämnda huvudresonators nämnda effektiva kavitetslängd är anordnad att varieras.

Därigenom kan en stabil avstämbar resonator som är okänslig för fellinjeringar och som samtidigt har en enkel konstruktion åstadkommas. Dessutom kan avstämning utföras utan modhopp. Dessutom kommer resonatorn att ha låga förluster. Vidare är det på grund av resonatorkonstruktionen möjligt att uppnå en resonator som är mindre känslig för kvaliteten av antireflexbehandlingar av resonatorns inre ytor, och därmed åstadkomma en resonator som är lämplig för massproduktion till låg kostnad.

Enligt en speciellt föredragen utföringsform av uppfinningen är det optiska förstärkarelementet ett ytemitterande element. I det här fallet kommer resonatorn att vara väsentligen självlinjerande vilket till exempel underlättar enkel tillverkning och säkerställer stabil drift. Mer företrädesvis är den andra seglande änden vidare anordnad på ändytan av kärnan av en optisk fiber. 10 15 20 25 30 35 | | - ø u. 524 828 4 I det här fallet underlättar resonatorkonstruktionen självlinjering så att en utgàende lasersträle automatiskt kopplas in i den optiska fibern.

Andra föredragna utföringsformer av denna uppfinning, samt fördelar därav, är uppenbara för en fackman frän de återstående kraven liksom från beskrivningen nedan.

Kort beskrivning av ritningarna För närvarande föredragna utföringsformer av uppfinningen kommer i det följande att beskrivas med hänvisning till de medföljande ritningarna.

Fig 1 är en schematisk ritning av ett första alternativ av en första huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 2 är en schematisk ritning som visar arbetsprincipen för uppfinningen.

Fig 3 är en schematisk ritning av ett andra alternativ av en första huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 4 är en schematisk ritning av ett tredje alternativ av en första huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 5 är en schematisk ritning av ett första alternativ av en andra huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 6 är en schematisk ritning av ett andra alternativ av en andra huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 7 är en schematisk ritning av en tredje utföringsform av uppfinningen.

Fig 8a är en schematisk ritning som visar multipla turochreturbanor för en strále som cirkulerar i en tidigare känd resonator.

Fig 8b är en schematisk ritning som visar multipla turochreturbanor för en strále som cirkulerar i en lO 15 20 25 30 35 - ~ o u v. 524 828 5 resonator enligt en första huvudutföringsform av uppfinningen.

Fig 8c är en schematisk ritning som visar multipla turochreturbanor för en stràle som cirkulerar i en resonator enligt en andra huvudutföringsform av uppfinningen.

Beskrivning av föredragna utföringsformer Ett första alternativ av en första utföringsform av uppfinningen visas i fig 1. Fig 1 visar en laserljuskälla som innefattar en huvudresonatorkavitet 20, vilken definieras av en första och en andra speglande ände l, 2.

Inuti huvudresonatorn är ett optiskt förstärkarelement 3, här ett kantemitterande halvledarelement, anordnat.

Termen kantemitterande halvledarelement skall tolkas som ett optiskt förstärkarelement i vilket en ljusstråle utbreder sig i en riktning som är väsentligen vinkelrät till ytnormalen av de epitaxiella lagren som utgör det aktiva materialet i det optiska förstärkarelementet. Det optiska förstärkarelementet 3 har en första och en andra motstàende ändyta 3a, 3b, varvid nämnda första ändyta 3a i det här fallet är anordnad att utgöra den första speglande änden 1 av nämnda kavitet. Den andra ändytan 3b är placerad inuti kaviteten och kan tillhandahållas med eller utan en antireflexbeläggning, vilket kommer att beskrivas nedan. Den andra speglande änden 2 av kaviteten är i det här fallet anordnad som en delvis genomsläppande bredbandsreflektorbeläggning på ett spegelelement 4 som har en sådan reflexionsförmàga att en önskad, förutbestämd del av effekten mellan huvudresonatorns två speglande ändar emitteras från nämnda spegelelement 4 för alla berörda våglängder.

Enligt uppfinningen är vidare ett dispersivt, fokuserande element 5 anordnat i kaviteten mellan det kantemitterande elementets 3 nämnda andra ändyta 3b och spegelelementet 4. Det dispersiva, fokuserande elementets struktur kommer att beskrivas nedan. Det dispersiva, 10 15 20 25 30 35 - a n 4 v: n 524 828 6 fokuserande elementet har en våglängdsberoende brännvidd som genererar ett våglängdsberoende läge av ett bildplan av det optiska förstärkarelementets andra ände, vilket indikeras i fig 2. I fig 2 visas schematiskt att ljus som har en första våglängd kl fokuseras i ett första plan z3h ljus som har en andra våglängd X2 fokuseras i ett andra plan zy och ljus som har en tredje våglängd X3 fokuseras i ett tredje plan zæ. Genom att förflytta spegelelementet 4 mellan olika longitudinella lägen, dvs. längs strålvågen för resonatormoden i fråga, och därmed variera en effektiv längd av kaviteten a, kan därmed ljuskällan anordnas att lasra med olika våglängder. Det dispersiva, fokuserande elementet möjliggör ett högt Q-värde för resonatorn, dvs. små förluster för ett smalt våglängdsintervall för varje valt läge av spegelelementet 4. Därigenom är resonatorn avstämbart resonant för olika våglängder endast genom att förflytta spegelelementet 4 längs z-axeln i nämnda resonator i fallet som visas i fig 1 eller fig 2. Dessutom kan denna förflyttning göras utan att förändra den totala fasförskjutningen inuti huvudresonatorn, dvs. utan modhopp.

När lasring skall åstadkommas för en vald våglängd förflyttas följaktligen spegelelementet 4 till ett läge vari det är beläget i bildplansavstånd från det dispersiva, fokuserande elementet 5 för våglängden i fråga. På motsvarande sätt är det också möjligt att förflytta andra av resonatorns komponenter medan spegelelementet 4 hålls i ett fast läge, såsom det optiska förstärkarelementet 3 självt relativt det fokuserande dispersiva elementet, för att uppnå samma effekt. Det är också möjligt att förflytta både det optiska förstärkarelementet och det dispersiva fokuserande elementet i relation till spegelelementet 4 för att uppnå den önskade effekten.

Enligt en variant av detta första alternativet av den första huvudutföringsformen kan spegelelementet 4 i utföringsformen som är beskriven ovan bytas ut mot ett 10 l5 20 25 30 35 spegelelement som har en reflexionsyta, där reflektansen varierar över dess tvärsnitt så att den är högreflekterande för moden med lägst ordning i kaviteten (huvudmoden), medan det har en lägre reflektans för moder av högre ordning. Därigenom minskar resonatorns Q-värde för alla våglängder i kaviteten, förutom för den önskade lasringsvåglängden. Reflektansen är högst i ett centralt omrâde av spegelelementet, och utanför detta område har det en lägre speglande reflektivitet. Området med den högreflekterande ytan kan väljas så att den väsentligen motsvarar huvudmodens utsträckning på spegeln. På så sätt undertrycks både axiella moder, med resonansfrekvenser som skiljer sig från huvudmodens resonansfrekvens, och eventuella spatialmoder av högre ordning. Spegelelementet kan utformas på många olika sätt, så länge som huvudresonansmoden upplever en högre spegelreflektans än ljus som har våglängder som faller utanför huvudresonansmoden. Den ovannämnda effekten kan till exempel uppnås genom att applicera en antireflexbeläggning, ett absorptionslager, ett ljusspridande lager eller en reflektiv eller transmissiv diffraktiv ytrelief på spegelomràdet utanför den högreflekterande området för huvudmoden. Det skall också noteras att det år möjligt att använda ett spegelelement som har en reflektans som varierar på andra sätt över dess tvärsnitt. I ett allmänt fall kan det sägas att R=R(x,y), där R är spegelelementets reflektans, och x och y definierar ett koordinatsystem , beskriver spegelelementets reflexionsyta. Genom att pä rätt sätt utforma spegelelementets reflektansmönster är det möjligt att välja vilken mod som helst inom kaviteten, och inte nödvändigtvis huvudmoden. I detta fallet är det dock nödvändigt att välja ett förstärkarelement som tillåter utbredning av den önskade moden eftersom förlusterna annars skulle bli betydande.

Enligt ännu ett andra alternativ av den första huvudutföringsformen av uppfinningen, vilket visas i fig ~ f -. 1 i m: , :ida 10 15 20 25 30 35 u o 000 o u u v 1 - v p a o w v 1 ul e n u a n - n n n I av: n; .e n o n ~ c s u n en n an n c u a f en n -| 3, kan spegelelementet anordnas direkt pä en ändyta av en optisk fiber. Därigenom kan ljusutloppet fràn ljuskällan direkt kopplas in i fibern, vilken kan vara av enkelmodtyp eller multimodtyp.

Enligt ett tredje alternativ av den första huvudutföringsformen av uppfinningen som visas i fig 4 kan halvledarförstärkarelementets 3 andra ändyta 3b ha en väsentlig reflektivitet, såsom mellan 20% och 40%, vanligtvis omkring 30%, vilket är reflektansen som vanligtvis förekommer i en gränsyta mellan ett halvledarmaterial och luft, dvs. utan antireflex- beläggning eller liknande. Denna utföringsform innefattar vidare organ 6 för att variera förstärkarelementets optiska längd, här en värmeanordning, såsom ett termoelektriskt element eller en resistor, för uppvärmning av förstärkarelementet 3 och därmed ändra dess optiska längd. Här innefattar huvudresonatorn två kopplade resonatorer, varvid en definieras av det optiska förstärkarelementets 3 ändytor 3a, 3b, och den andra definieras av det optiska förstärkarelementets 3 andra ändyta 3b och spegelelementet 4. I denna utföringsform behöver fasförhàllandet mellan de tvä resonatorerna styras, varvid nämnda värmeanordning 6 är anordnad att ändra den optiska gàngvägen i en vàgledare av nämnda optiska förstärkarelement som en funktion av den önskade laservàglängden. Det skall noteras att i denna utföringsform kan spegelelementet 4 vara av vilket slag som helst så som beskrivits ovan. Det skall också noteras att fasstyrning av moden i det optiska förstärkarelementet enligt detta alternativ också kan användas i fall där reflektiviteten hos den andra ändytan 3b av halvledarförstärkarelementet 3 faller utanför det ovannämnda intervallet 20%-40%. Till exempel kan den ovannämnda fasstyrningen i en ytterligare föredragen utföringsform användas när den ovannämnda reflektiviteten hos halvledarförstärkarelementets 3 andra ändyta 3b ligger inom intervallet 10%-104 för att kunna avstämma 10 15 20 25 30 35 524 8 2 8 - 9 ljuskällan över ett brett område av våglängder. I detta sammanhang skall det noteras att andra sätt att ändra den optiska effektiva kavitetslängden är möjliga genom att förändra brytningsindex för en komponent i kaviteten, såsom en separat optisk platta inuti kaviteten, vars brytningsindex kan ändras medelst temperaturändringar eller ett varierande elektriskt fält. En annan möjlighet är att använda ett förstärkarelement som är uppdelat i två sektioner, en förstärkarsektion och en fassektion, vilka är anordnade efter varandra längs den optiska strålvägen i kaviteten. Därigenom är förstärkarsektionen anordnad att framkalla en förstärkning och kan styras av en förstärkarström, medan fassektionen inte tillhandahåller någon förstärkning, utan endast möjligheten att förändra brytningsindex hos fassektionen genom att styra sektionen medelst en fasström. Därigenom kan förstärkarelementets optiska längd anordnas att variera genom ändring av fassektionens optiska längd.

Enligt ännu en variant av den första huvudutföringsformen av uppfinningen kan laserstràlen kopplas ut genom huvudkavitetens första speglande ände, dvs. i detta fallet genom det optiska förstärkarelementets första ändyta. För denna utföringsform är spegelelementet 4 anordnat att vara en reflekterande, delvis genomsläppande bredbandsspegel, medan den första ändytan 3a är anordnad att genomsläppa en del av effekten som en laserstråle. Denna variant kan vidare användas för vilka som helst av de alternativa utföringsformerna som beskrivits ovan.

Ett första alternativ av en andra huvudutföringsform av uppfinningen kommer i det följande att beskrivas med hänvisning till fig 5. Fig 5 visar en laserljuskälla innefattande en huvudresonatorkavitet 20, vilken definieras av en första och en andra speglande ände ll, 12. Inuti huvudresonatorn är ett optiskt förstärkarelement 13, här ett ytemitterande b' fflšfšl' *n-AÄ f a f J-ff- zïwåši. L 'ï i 11-1: i .i f t: lO 15 20 25 30 35 - > - . 1; 524 828 10 halvledarelement, anordnat. Termen ytemitterande halvledarelement skall förstås som ett optiskt förstärkarelement i vilket en ljusstråle utbreder sig i en riktning som är väsentligen parallell till ytnormalen av de epitaxiella lagren som utgör det aktiva materialet i det optiska förstärkarelementet. Det optiska förstärkarelementet 13 har ett första och ett andra motstàende ändparti l3a, l3b, varvid nämnda första ändparti l3a i det här fallet är anordnat att utgöra den första speglande änden ll av nämnda kavitet. Det andra ändpartiet 13b är placerat inuti kaviteten och kan tillhandahållas med eller utan en antireflexbeläggning.

Kavitetens andra speglande ände 12 är här anordnad som en delvis genomsläppande bredbandsreflexionsbeläggning på ett spegelelement 14 som har en reflexionsförmåga som är vald så att en förutbestämd del av den totala optiska effekten som genereras i resonatorn emitteras från den andra speglande änden för alla berörda våglängder. Enligt uppfinningen är ett dispersivt, fokuserande element 15 såsom beskrivits ovan vidare anordnat inuti kaviteten mellan nämnda andra ändyta av det ytemitterande halvledarförstärkarelementet 13 och spegelelementet 14.

Det dispersiva, fokuserande elementets struktur kommer att beskrivas nedan. Det dispersiva, fokuserande elementet uppvisar ett vàglängdsberoende avstånd till dess bildplan vilket indikeras i fig 2. I fig 2 visas schematiskt att ljus som har en första våglängd Ål fokuseras i ett första plan zu, ljus som har en andra våglängd X2 fokuseras i ett andra plan zu och ljus som har en tredje våglängd X3 fokuseras i ett tredje plan zß.

Därigenom kan, som ovan, genom att förflytta spegelelementet 14 mellan olika lägen längs en strålväg i resonatorn, och därmed variera en effektiv kavitetslängd, ljuskällan anordnas att lasra med olika våglängder. Det dispersiva, fokuserande elementet möjliggör ett högt Q- värde för resonatorn, dvs. små förluster för ett smalt våglängdsintervall för varje valt läge av spegelelementet 10 l5 20 25 30 35 n n -en u n Q | v . .- o nu . - u u o u 0 n ~ 1 1 .a n v . 1 . - . » - . v n . . . » 0 n - . - . - - fo 0 . - - a . u 0 o 1 n . 1 o . . .- u u v n » - ~ . u n a n » nu un ll 14. Därigenom är resonatorn avstämbart resonant för olika våglängder endast genom att förflytta spegelelementet 14 längs en z-axel i nämnda resonator i fallet som visas i fig 5. Dessutom kan denna förflyttning göras utan att förändra den totala fasförskjutningen inuti huvudresonatorn, dvs. utan modhopp.

Följaktligen förflyttas, när lasring skall uppnås för en vald våglängd, spegelelementet 14 till ett läge vari det är placerat på ett bildplansavständ från det dispersiva, fokuserande elementet 15 för våglängden i fråga. Dessutom är det också möjligt att förflytta andra av kavitetens komponenter för att uppnå samma effekt.

Enligt ett alternativ av denna andra huvudutföringsform kan spegelelementet 12 ha en reflexionsyta, där reflektansen varierar över dess tvärsnitt på samma sätt som beskrivits ovan. I detta fallet är avstämning av resonatorvåglängden möjlig utan att resonatorn fellinjeras, båda när spegelelementet förflyttas i sidled och/eller longitudinellt, dvs. när spegelelementet förflyttas vinkelrät till och/eller längs med den aktuella resonatormodens strålväg.

Enligt ett andra alternativ av en andra huvudutföringsform av uppfinningen, så som visas i fig 6, kan spegelelementet i den ovannämnda andra huvudutföringsformen vara anordnat på ändytan av en optisk fibers kärnområde, varvid ljusutloppet från ljuskällan direkt kan kopplas in i fibern, vilken kan vara av enkelmodtyp eller multimodtyp. Denna struktur möjliggör självlinjering av laserljus in i en optisk fiber. Eftersom lasermoden är tillåten att förflyttas i sidled i det ytemitterande förstärkarelementet och genom att anordna nämnda spegelelement på kärnan så som beskrivits ovan kommer lasringsmoden automatiskt att justeras efter fiberkärnans läge eftersom detta är där resonatorns förluster är som lägst.

Enligt ännu ett alternativ av nämnda andra huvudutföringsform kan laserstrålen kopplas ut genom den u-n-ua 10 15 20 25 30 35 . . ~ | .- 12 första speglande änden av huvudkaviteten, dvs. i detta fallet genom det optiska förstärkarelementets första ändyta. För denna utföringsformen är spegelelementet 14 anordnat att vara en företrädesvis högreflekterande bredbandsspegel, medan den första ändytan l3a är anordnad att genomsläppa en önskad, förutbestämd del av effekten som en laserstràle.

Det skall noteras att genom arrangemanget enligt uppfinningen är i den första huvudutföringsformen det optiska förstärkarelementets andra änden avbildad pà resonatorns andra speglande ände, och i den andra huvudutföringsformen är den första speglande änden avbildad pà den andra speglande änden av resonatorn, varvid nämnda avbildning gör resonatorarrangemangen stabila. Följaktligen avbildas varje objektpunkt på ett spegelplan pä det andra spegelplanet. Denna princip illustreras i fig 8b i fallet med den första huvudutföringsformen där spegelelementet 4 är felinställt med avseende pà vinkel (ett referensexempel som visar en tidigare känd resonator beskrivs i fig 8a). En stràle betecknad med l i fig 8 träffar ett spegelelement 4 och omriktas tillbaka in i resonatorn längs stràlvägen som är betecknad med 2. ytan 3b faltas moden med en vàglängdsmod av det optiska När strálen som är betecknad med 2 när förstärkarelementet och fortsätter mot den första speglande änden 3a och reflekteras inuti det optiska förstärkarelementet och infaller igen mot ytan 3b, varefter det ovannämnda repeteras. Detta kan ses som att den cirkulerande resonatormoden filtreras spatiellt i vágledaren/förstärkarelementet, en gäng per rundtur i resonatorn. I fallet med den andra huvudutföringsformen enligt arrangemanget enligt uppfinningen visas stabiliteten hos en resonator med ett med avseende pà vinkeln felinriktat spegelelement 4 i fig 8c. Den grundläggande principen är väsentligen den samma som den som är beskriven med hänvisning till fig 8b ovan. 31,13 " -33 fçflêjè : Vi; f Qía-ß F:sIf:I“-.I<;:r;dez*1141 :ïakfi/.xïf :ät *_ :ii m; íæåfïšë , :;i-:;<:: 10 15 20 25 30 35 . . « . .- n n 13 Det första spegelelementet 1 kan också vara utformat så som ett reflekterande, gitter med varierande period, dvs. en skiktföljd av reflekterande lager som har omväxlande höga och låga brytningsindex och i vilken lagrens tjocklek varierar genom skiktföljden. Genom att använda ett sådant spegelelement med varierande period kan en bredbandvåglängdsegenskap åstadkommas. Användandet av ett sådant gitter med varierande period i änden av en optisk förstärkarelementvågledare medför också fördelen av att det tillåter att det optiska förstärkarelementets vågledarlängd varieras med våglängden. Detta möjliggör till exempel att den gitterspegeln med varierande period kan utformas så att vågledarlängden ökar/minskar med ett lämpligt mått i relation till våglängden så att det optiska förstärkarelementets totala effektiva fasskift blir konstant oberoende av våglängden. Detta kan ses som ett alternativ till utföringsformen som visas i fig 4.

Det dispersiva, fokuserande elementet kommer härefter att beskrivas i närmare detalj. Enligt ett grundläggande tillvägagångssätt utgörs det dispersiva, fokuserande elementet av ett enda refraktivt positivt linselement som har både dispersiva och fokuserande egenskaper. Det refraktiva elementets brytningsindex är beroende av det infallande ljusets våglängd, och därigenom àstadkommes den dispersiva effekten.

Alternativt kan det dispersiva, fokuserande elementet utgöras av en kombination av refraktiva linser som tillsammans verkar som en positiv lins, även om en eller flera av linserna i kombinationen är negativa. I detta fallet varierar kombinationens brännvidd med det infallande ljusets våglängd. Genom att välja en lämplig kombination av material i kombinationen är det möjligt att justera dess dispersion för att balansera ändringen i resonatorns optiska längd på grund av vàglängdsändringar, och därmed tillhandahålla en resonator utan modhopp.

Dessutom kan det dispersiva, fokuserande elementet utgöras av ett refraktivt och ett diffraktivt element. 10 15 20 25 30 35 524 828 14 Detta kan till exempel tillhandahållas medelst en lins som har en refraktiv yta och en motsatt refraktiv yta med en diffraktiv ytrelief. Ett sådant element kan också tillhandahållas som ett refraktivt linselement och ett separat diffraktivt element vilket till exempel kan anordnas som en diffraktiv ytrelief på ett element som bär den andra speglande änden (såsom en glasplatta som på en yta har den diffraktiva ytreliefen, och som på den Ett sådant separat diffraktivt element kan också vara skilt från den motsatta sidan är anordnad med en spegel). andra speglande änden. Det skall dock noteras att ett särskilt avstånd måste finnas mellan spegeln och den diffraktiva ytreliefen för att uppnå den önskade funktionaliteten. I fallet med en icke-rätlinjig kavitetsgeometri, såsom en vikt kavitet, kan det dispersiva, fokuserande elementet anordnas som en fokuserande, reflekterande yta som anordnas med en diffraktiv ytrelief. Som ännu ett alternativ kan det dispersiva fokuserande elementet tillhandahållas så som ett så kallat GRIN-element (Gradient Index-element), företrädesvis anordnat med en diffraktiv ytrelief på en av dess ytor. Som ett annat alternativ kan det dispersiva fokuserande elementet utgöras av en diffraktiv ytrelief på en plan eller böjd yta som är en del av en kropp som bär spegelelementet 2. Dessutom är det möjligt att använda ett holografiskt optiskt element som det dispersiva fokuserande elementet, antingen ensamt eller i kombination med något av alternative som nämnts ovan.

Angående de dispersiva, fokuserande elementet som beskrivits ovan skall det noteras att en laser kommer att vara avstämbar så snart som det fokuserande elementet har en tillräcklig dispersion, oavsett dispersionens tecken.

I vissa fall kan dock mod-hopp vara en fråga. En modhoppsfri laser kan erhållas genom att balansera dispersionen på ett sådant sätt att resonatorns Q-värde är störst för den vàglängdsberoende resonatorlängden som motsvarar ett konstant fasskift inuti resonatorn. 1 j; . dot: lO 15 20 25 30 35 524 828 4 ~ . . .- 15 Dispersionen skall väljas så att en mods midja förflyttas med samma hastighet som tänjningen av nodmönstret längs kavitetens optiska axel. Hastigheten på förflyttningen av midjan i förhållande till våglängden kan styras genom att för en viss linsdispersion reglera avståndet mellan det optiska förstärkarelement och det dispersiva fokuserande elementet.

Så som indikerats ovan är uppfinningen inte begränsad till rätlinjiga kavitetsgeometrier utan kan i själva verket implementeras med vilken godtyckligt böjd eller vikt kavitet som helst. Ett exempel på en sådan kavitet visas i fig 7. I detta fallet är två dispersiva, fokuserande element anordnade inuti kaviteten på ett visst avstånd från varandra. Vart och ett av de dispersiva, fokuserande elementen har en avvinklingsdispersion med avseende på en ursprunglig strålvägsriktning, dvs. elementet kommer att tillhandahålla en utgående stråle som har en vinklad utbredningsriktning, varvid avböjningsvinkeln beror på våglängden av det infallande ljuset. In emellan nämnda dispersiva, fokuserande element är en central rörlig spegel anordnad så att den utgående strålen från ett av de dispersiva fokuserande elementen kommer att reflekteras in i det andra dispersiva fokuserande elementet, och spegelns läge bestämmer vilken våglängd som kommer att reflekteras, varvid en avstämbar källa som har en varierbar effektiv kavitetslängd tillhandahålls.

Företrädesvis är arrangemanget så att varje objektspunkt av den första speglande änden avbildas inte bara på den andra speglande änden, utan även på den centrala rörliga spegeln. Därigenom uppnås en mycket mera stabil resonator. Vidare kan en fackman enkelt inse alternativa vikta kavitetsarrangemang, i vilka den föreliggande uppfinningsidén kan användas. Avvinklingsdispersion kan uppnås medelst diffraktiva gitterlelement eller refraktiva element, såsom prismor. Dessutom kan avvinklingsdispersion också användas i icke-vikta 10 l5 20 25 30 35 o fo. o o o o o o oo .oo o o o ooo o o .- o o. o.. . o o o o o o 1.1. o o | o oo o. o o oo oo ooo oo o o o »oo v o: o oo o o oo o o o o o oo oo oo oo ooo oo 16 kaviteter i vilka det dispersiva elementet (till exempel en lins med rotationssymmetri) används ”off-axis”, dvs. den optiska moden är anordnad att komma in i det dispersiva elementet vid ett läge som är skilt från läget på elementets optiska axel.

Enligt ännu en ytterligare variant av uppfinningen kan ett andra dispersivt, fokuserande element anordnas inuti kaviteten, varvid en spatialfiltreringsenhet är placerad mellan det första och andra fokuserande elementet. Spatialfiltreringsenheten kan till exempel anordnas som ett hálelement som har en central öppning som tillåter mod av lägsta ordning (huvudmod) att passera hålelementet, medan större förluster läggs pà moder av högre ordning. Genom att ändra hàlelementets läge kan avstämbarhet åstadkommas.

Följaktligen uppnås enligt föreliggande uppfinning en avstämbar laserkälla, vilken laserkälla har ett avstämningsintervall som endast begränsas av det optiska förstärkarelementets spektralvidd. Däremot om ett dispersivt fokuserande element inte används uppnås en avstämbar laserkälla, vilken källa endast är avstämbar inom ett smalt, begränsat vàglängdsintervall (i storleksordningen ungefär en fri spektralvidd av resonatorn). Laserkällan har en i sig enkel struktur och kan tillverkas på ett kostnadseffektivt och kompakt sätt.

I dess enklaste utföring innefattar den avstämbara källan ett enda diffraktivt element, vilket kan ha olika utformning, av vilka några beskrivits ovan, och som är placerat mellan en första och en andra reflekterande yta, som tillsammans utgör en resonator. Dessutom är pà grund av att varje objektpunkt pà den första speglande änden, eller den andra änden av det optiska förstärkarelementet, avbildas på den andra speglande änden (och tvärt om) resonatorn mycket stabil och okänslig för fellinjeringar.

I fallet med ytemitterande element är kaviteten även självlinjerande, vilket förenklar tillverkning och gör lO l5 20 25 30 35 .oo o» o - oe- o o ua I ~ -0 0' o .o o o o o u o .o o o u .a o oo o v u o o u o ~ I 0 I-»I , . . . ,. ., . o o. o o o.. o. u o o o oo o .o o n o u o no o o o u 1 o. oo II v- 17 kaviteten mindre känslig för förändringar på grund av långvarig användning.

Dessutom skall det noteras att termerna reflekterande och genomsläppande för enkelhets skull genom hela beskrivningen har använts för att beskriva till exempel spegelelements egenskaper. Sá som är välkänt för en fackman är sàdana element i realiteten vanligtvis endast delvis reflekterande och delvis genomsläppliga och sådana ”delvisa" egenskaper är inkluderade i den ovannämnda definitionen av ”reflekterande” och "genomsläppande". Vidare inser en fackman med lätthet att de ovan beskrivna utföringsformerna endast är exempel pá hur denna uppfinning kan realiseras. Det skall speciellt noteras att trots att de ovan beskrivna ljuskällorna vanligtvis har en eller tvà ljusutsläpp är multipla utsläppskaviteter möjliga inom ramen av uppfinningen.

Dock kommer vanligtvis ljuskällaresonatorn att ha två ljusutsläpp, ett för att koppla ut laserstràlen, och ett för att koppla ut till exempel en övervakningsstråle, som används för att övervaka och styra laseregenskaper, såsom effekt och våglängd.

Det skall vidare noteras att valet av numerisk apertur (NA) inuti resonatorn, dvs. sinus av vinkeln (9) av divergens för en mod som utbreder sig mot det andra spegelelementet mäste göras med omsorg. Om NA-värdet är lågt är resonatorns modselektivitet làg, och om NA-värdet är högt så är modselektiviteten hög. Företrädesvis är värdet på NA (nära det andra spegelelementet) vald inom intervallet 0,1-0,6, även om värden som ligger utanför detta intervall kan användas för vissa applikationer.

Dessutom skall det noteras att det optiska förstärkarelementets första och andra ändyta kan vara parallella eller icke-parallella alltefter omständigheterna, och att termen motstàende avser att täcka alla sådana fall, till exempel där det optiska förstärkarelementet är något böjt, och ändyteplanen bildar en vinkel i relation till varandra. De skall också .fl-zrfsèít 1 i 112; ï.,-'-:'f~.~ïï< .als-gi lO 15 20 25 30 35 en -man c u I 1 u . a 1 . n A. u nu o 1 o o uu n 0 :uu v 1 c > 0 n I 0 I v 1 u | . - Q un | u 0 u .- 524 828 å' 18 förstås att en ändyta av ett optiskt förstärkarelement kan vara antingen en yta på vilken en mod internt reflekteras, eller en yta genom vilken en mod tillåts utgå från det optiska förstärkarelementet. Angående det optiska förstärkarelementet skall det noteras att det kan tillverkas av ett flertal material, såsom halvledarmaterial, dopade vägledarmaterial såsom erbiumdopade optiska fibrer, eller dopade halvledarkristaller. Andra material kan dock också användas. Vidare skall det också noteras att pumpning av det optiska förstärkarmaterialet kan göras antingen elektriskt eller optiskt, och detta är inte en väsentlig egenskap för uppfinningen.

Ljuskällan enligt uppfinningen kan användas inom ett flertal applikationsomràden, såsom telekommunikation, och kan till exempel användas i applikationer såsom informationsgenerering och styrning eller komponenttestning och mätningar. I det senare fallet kan ljuskällan användas föra att testa och mäta vàglängdsegenskaper hos komponenter, delsystem och större system inom telekommunikationsområdet. Ljuskällan kan vara speciellt användbar inom WDM~omràdet, i vilket ljuskällan kan sättas i någon av över hundra standardiserade våglängdskanaler i enlighet med den så kallade ITU-grid standarden. Dessutom är ljuskällan enligt uppfinningen också lika applicerbar inom spektroskopiområdet, exempelvis för att detektera gaser eller mätning av halten av en gas. Ljuskällan kan också användas inom metrologiområdet, exempelvis för att mäta avstånd och/eller hastighet.

Slutligen skall det noteras att ett flertal andra modifikationer och förändringar av uppfinningen och dess komponenter är uppenbara för en fackman som studerar denna beskrivning och de bifogade kraven. , f 'z-Yfi- 'K.;_~:«:erï..~\f. iaf-I;- xï refàx '_ f: i :ng I..L:ÅI¿;I< _ qïcx; ...-10 1 -n-.nn

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 524 828 2 ï.= .13- 19 PATENTKRAV

1. Vàglängdsavstämbar ljuskälla innefattande: - en huvudresonator i form av en kavitet 20 som har 12), definierar en effektiv kavitetslängd a, dvs. en optisk en första och andra speglande ände (1; 11, 2; vilka stràlvägslängd för en resonansmod hos kaviteten, - ett optiskt förstärkarelement (3; 13) som har en första och en andra motstàende ändyta (3a; l3a, 3b; 13b), varvid nämnda andra ändyta är placerad inuti nämnda huvudresonator, 14) - ett spegelelement (4; som utgör nämnda andra speglande ände, och - ett dispersivt fokuserande diffraktivt (5: stràlväg mellan nämnda andra ändyta och nämnda resonatorelement 15) som är placerat längs en spegelelement, varvid nämnda effektiva kavitetslängd a av nämnda huvudresonator är anordnad att variera.

2. Ljuskälla enligt krav 1, varvid nämnda 11) av det optiska förstärkarelementets nämnda första ändyta (3a; 13a). huvudresonators nämnda första spegelände (l; utgörs

3. Ljuskälla enligt krav 1 eller 2, varvid den effektiva kavitetslängden är anordnad att varieras genom variation av avståndet mellan nämnda första och andra speglande ändar sett längs nämnda kavitets stràlväg.

4. Ljuskälla enligt krav 3, vari nämnda dispersiva fokuserande diffraktiva element (5; 15) har ett vàglängdsberoende avstånd till sitt bildplan.

5. Ljuskälla enligt krav 4, vari nämnda spegelelement (4; 14) som utgör nämnda andra speglande ände (2; 12) är anordnat att placeras på bildplansavstànd rnfäi. p f: i m: så.. . 1195.: Qi ""~_3«"š-«I&ïlíftrtce: ía*<ï/.:xf' lO 15 20 25 30 35 a n f | .n a e. u u u | .u 524 828 20 från det dispersiva diffraktiva fokuserande elementet (5; 15) för en våglängd med vilken lasern är anordnad att lasra.

6. Ljuskälla enligt krav 1 eller 2, innefattande ett andra dispersivt, fokuserande, diffraktivt element (Sb), varvid en spatialfiltreringsenhet är placerad mellan det första och andra fokuserande elementet.

7. Ljuskälla enligt krav 1 eller 2, vari det diffraktiva elementet (5; 15) har våglängdsberoende avvinklingsdispersion. dispersiva, fokuserande,

8. Ljuskälla enligt krav 7, vidare innefattande ett andra dispersivt, fokuserande, diffraktivt element (5b), varvid en avböjningsspegel (9) är anordnad att reflektera en stràle som utgår från ett av nämnda (Sa) den inträder i det andra dispersiva, fokuserande, dispersiva, fokuserande, diffraktiva element innan diffraktiva elementet (5b), varvid nämnda avböjningsspegel är rörlig för att variera nämnda effektiva kavitetslängd.

9. Ljuskälla enligt något av föregående krav, varvid nämnda optiska förstärkarelement (3; 13) utgörs av ett halvledarförstärkarelement.

10. Ljuskälla enligt krav 9, vari nämnda halvledarförstärkarelement utgörs av ett ytemitterande halvledarförstärkarelement (13).

11. Ljuskälla enligt krav 10, som har en automatiskt självlinjerande kavitet sådan att lasring sker väsentligen oberoende av ljuskällans ingående komponenters individuella lägen.

12. Ljuskälla enligt krav 9, vari nämnda ' XÉÉ rzïillt. 1 f, i ng ilššfëf' _ ;:l:3::: 10 15 20 25 30 35 . . - . nu u v v » .u 524 828 21 halvledarförstärkarelement utgörs av ett kantemitterande halvledarelement (3).

13. Ljuskälla enligt krav 12, vari nämnda ljuskälla innefattar organ för att variera nämnda optiska förstärkarelements optiska längd för att styra fasen hos en lasringsmod.

14. Ljuskälla enligt krav 13, vari nämnda optiska förstärkarlements optiska längd är anordnad att varieras genom reglering av förstärkarelementets temperatur.

15. Ljuskälla enligt krav 13, vari spegelelementet 1 innefattar ett axiellt gitter med varierande period som kan anordnas att förändra det optiska förstärkarelementets optiska längd.

16. Ljuskälla enligt krav 13, vari det optiska förstärkarelementet är uppdelat i en förstärkarsektion och en fassektion, vilka är anordnade i följd längs kavitetens optiska stràlväg, vari förstärkarelementets optiska längd är anordnad att varieras genom förändring av fassektionens optiska längd.

17. Ljuskälla enlig nägot av föregående krav, vari huvudresonatorns optiska längd är anordnad att varieras så att huvudkavitetens totala fasskift kan hållas vid ett konstant värde, oberoende av lasringsvàglängden.

18. Ljuskälla enlig nägot av föregående krav, vari det optiska förstärkarelementets andra yta (3b; l3b) och den andra speglande änden (2; 12) är anordnade att definieras som optiskt konjugerande plan.

19. Ljuskälla enlig något av föregående krav, vari nämnda andra speglande ände (2; 12) är anordnad pà en ändyta av en optisk fiber, i fallet med ett ytemitterande rig? ide z* fi; íal-yora -' .tervàtç v; i ng; _ 4101:. 10 524 828 »un n» 22 halvledarelement, företrädesvis pà ändytan av kärnan av den optiska fibern.

20. Ljuskälla enlig nàgot av föregående krav, vari det dispersiva, fokuserande, diffraktiva elementet (5; 15) utgörs av en enda avbildande optisk komponent.

21. Ljuskälla enlig nàgot av föregående krav, vari det dispersiva, fokuserande, diffraktiva elementet (5; 15) utgörs av en kombination av optiska komponenter.