WO2015101048A1 - 一种具有双输出光束的可调谐激光器 - Google Patents
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Abstract
一种具有双输出光束的可调谐激光器，该激光器的第一种结构包括依次安装起来的第一激光腔反射镜（45）、激光增益介质（46）、腔内准直透镜（48）、有源光相位调制器（8）、可调谐声光滤波器（300）、可调谐法布里-珀罗滤波器（200）、第二激光腔反射镜（50）以及激光器控制和驱动系统。由所述第一激光腔反射镜（45）反射后进入所述可调谐声光滤波器（300）的零级光束（3）构成第一激光输出光束，由所述第二激光腔反射镜（50）反射后进入所述可调谐声光滤波器（300）的零级光束（7）构成第二激光输出光束。该激光器的第二种结构是在上述第一种结构中增加一个法布里-珀罗标准具（52）达到进一步压缩激光输出的频带宽度。该激光器设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点。
Description
说 明 书 一种具有双输出光束的可调谐激光器 技术领域
本发明属于光电领域， 尤其是一种采用了液晶光相位调制器的可调谐法布 里-珀罗滤波器和可调谐声光滤波器的外腔式具有双输出光束的可调谐激光 器。
背景技术
在外腔式宽带可调谐激光器中， 常用的调谐技术主要有以下方式： 1、 通过 精密步进马达带动光栅的旋转来进行调谐的， 其存在的问题体现在： 一是为实 现光频率的精密调谐， 对步进马达的步进精度和重复性要求很高， 因此制造成 本比较高； 二是由于采用步进马达， 不易做到小型化； 三是在恶劣工作环境 下的工作稳定性比较差， 特别是抗各类机械振动的能力比较差， 因此， 采用该 技术的可调谐激光器只适合用于实验室工作环境中使用。 2、 利用可调谐声光 滤波器进行调谐， 其优点是调谐速度快， 没有机械移动部件， 可以做到小型 化， 缺点是可调谐声光滤波器的滤波带宽比较宽， 使得激光器的调谐精度不 高， 因此， 单纯采用这种技术的可调谐激光器很难做到精密连续可调谐， 只适 合用于对调谐精度和输出带宽不高的应用中。 3、 利用光栅或激光谐振腔中的 其他光学滤波器件， 如光学标准具等透射光频率随温度漂移的特点进行调谐， 其优点是调谐精度高和输出光的光谱带宽比较窄， 缺点是速度比较慢， 特别是 在要求调谐光谱范围宽的情况下， 这个缺点尤为明显， 例如： 光学滤波器件的 温度漂移系数是 0. 02纳米 /度， 要求的光频谱范围是 20纳米， 温度调节范围 是 100度， 这在实际应用中是很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种调谐速度快、 精度高、 成本低、 尺寸小且易于生产并具有双光束输出的宽带可调谐激光器。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种具有双输出光束的可调谐激光器， 包括依次安装起来的第一激光 腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 可调谐声 光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 第二激光腔反射镜以及激光器控
制和驱动系统； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器包括依次安装起来的第一 反射镜、 液晶光相位调制器和第二反射镜， 并由所述第一反射镜和第二反 射镜构成法布里-珀罗腔； 所述激光增益介质发出的光束经所述腔内准直 透镜准直后以布拉格角入射到所述可调谐声光滤波器， 所产生的一级衍射 光进入所述可调谐法布里-珀罗滤波器， 在所述可调谐法布里 -珀罗滤波器 后设置所述第二激光腔反射镜， 所述第二激光腔反射镜的光轴与所述一级 衍射光的光轴重合； 由所述第一激光腔反射镜和所述第二激光腔反射镜构 成激光谐振腔； 由所述第一激光腔反射镜反射后进入所述可调谐声光滤波 器产生的零级光束构成第一激光输出光束， 由所述第二激光腔反射镜反射 后进入所述可调谐声光滤波器产生的零级光束构成第二激光输出光束。
一种具有双输出光束的可调谐激光器， 包括依次安装起来的第一激光 腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 可调谐声 光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 法布里-珀罗标准具、 第二激光腔 反射镜以及激光器控制和驱动系统； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器包括 依次安装起来的第一反射镜、 液晶光相位调制器和第二反射镜， 并由所述 第一反射镜和所述第二反射镜构成法布里-珀罗腔； 由所述激光增益介质 发出的光束经所述腔内准直透镜准直后以布拉格角入射到所述可调谐声光 滤波器， 所产生的一级衍射光进入所述可调谐法布里-珀罗滤波器， 在所 述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述法布里 -珀罗标准具和第二激光腔 反射镜， 所述第二激光腔反射镜的光轴与所述一级衍射光的光轴重合； 由 所述第一激光腔反射镜和所述第二激光腔反射镜构成激光谐振腔； 由所述 第一激光腔反射镜反射后进入所述可调谐声光滤波器产生的零级光束构成 第一激光输出光束， 由所述第二激光腔反射镜反射后进入所述可调谐声光 滤波器产生的零级光束构成第二激光输出光束。
而且， 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围大 于或等于其本征自由光谱范围。
而且， 所述第一激光腔反射镜和所述第二激光腔反射镜均为下列几种反射 镜之一： 平面镜， 凹面镜和凸面镜， 具有部分或 100%的反射率并与所述激光增 益介质具有相同的光谱范围。
而且， 所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
而且， 所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一： 电光相位调制 器、 声光相位调制器、 磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某种组合。
而且， 所述可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上 的一个电声换能器。
而且， 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的第一反射镜的外表面通光面上设 置增透膜， 所述的第一反射镜的内表面通光面上设置高反膜， 所述可调谐法布 里-珀罗滤波器的第二反射镜的内表面通光面设置高反膜， 所述第二反射镜的 外表面通光面上设置增透膜； 所述第二反射镜的内表面通光面上的高反膜与所 述第一反射镜的内表面通光面上的高反膜具有相同的反射率。
而且， 所述液晶光相位调制器包括一种向列相型液晶材料，厚度为几微米 到十几微米， 在外加电场的驱动下对某一方向的线偏振光产生一定的光相位延 迟， 并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且， 所述的激光器控制和驱动系统包括： 一个中央控制系统、 一个激光 泵浦源、 一个有源光相位调制器驱动源、 一个射频信号源、 一个可调谐法布 里-珀罗滤波器的驱动源； 通过所述中央控制系统来分别实现对所述激光增益 介质、 所述有源光相位调制器、 所述可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里- 珀罗滤波器的控制和驱动功能， 并实现光频率的调谐功能。 本发明的优点和积极效果是：
1、 本激光器系统利用液晶对光的相位调制和在通光方向尺寸薄 （约几微米 到十几微米） 的特点， 结合传统的法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 标准具的技 术， 设计了可调谐法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 滤波器， 并结合可调谐声光 滤波器， 不仅降低了对可调谐声光滤波器的窄的滤波带宽到要求， 而且实现在 宽频谱范围内的激光频率的快速精密调谐， 保证了大的调谐光谱范围和窄的激 光器输出光谱。
2、 本激光器利用可调谐声光滤波器在激光腔内产生的两个零级衍射光束作 为激光器的两个输出光束， 在不增加激光器腔内零部件和不需要在输出光路上 插入分光器件的情况下， 可同时实现对激光器的两个输出光束的调谐， 两束激
光输出可以独立使用， 也可同时使用。 由于两个输出光束之间的光频率的差值 正好等于可调谐声光滤波器的调制频率， 可应用于象激光精密测量等领域里， 有着单输出光束激光器所没有的突出优点。
4、 本发明设计合理， 可实现在宽频谱范围内光频率调谐精度小于 1GHz和 窄频谱带宽的稳定激光输出， 具有无机械移动部件、 性能稳定可靠、 成本低、 尺寸小、 易于安装及生产等特点， 可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的 可靠运行， 可广泛应用于光学测量、 光纤通讯、 生物、 医疗器械和光纤传感器 网络等领域中。
附图说明
图 1给出了一种普通可调谐声光滤波器示意图；
图 2给出了声光晶体中一次衍射入射光束、 声波场和衍射光束的波矢关系 图；
图 3给出了一种普通法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的示意图； 图 4给出了一个液晶光相位调制器的示意图；
图 5给出了液晶光相位调制器在外电场作用下光相位延迟和电场的关系曲 线示意图；
图 6给出了一种包含一个液晶光相位调制器的可调谐法布里-珀罗滤波器的 示意图；
图 7给出了可调谐声光滤波器的衍射光谱示意图；
图 8给出了普通法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的透射光谱示意 图；
图 9给出了可调谐法布里 -珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图 10给出了本发明的第一种结构示意图；
图 11给出了本发明的第二种结构示意图；
图 12给出了本发明的第一种结构激光器的输出光谱示意图；
图 13给出了本发明的第二种结构激光器的输出光谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
可调谐声光滤波器
图 1是一种现有的可调谐声光滤波器的结构示意图， 该可调谐声光滤波器 100包括一个换能器 20和一个声光晶体 30; 由射频信号源 10连接到换能器 20； 入射光束 2以布拉格角 ΘΒ入射到声光晶体 30中， 产生零级衍射光束 3 和 一级衍射光束 4。
声光滤波器的工作原理是基于一种布拉格衍射的现象。 布拉格衍射涉及了 光子 （光能的量子） 和声子 （声能的量子） 的相互作用过程。 在这个互作用的 过程中， 能量和动量都是守恒的。 动量守恒要求 K D = κ , + K s, 其中 K D是衍射 光子的动量， ^是入射光子的动量， K s是互作用的声子的动量， 这就给出了 布拉格衍射最基本的波矢等式。 它表明了衍射光的波矢是入射光波矢与声波波 矢的矢量和， 如图 3所示。 能量守恒要求 =ω + Ω， 其中 是衍射光的角频 率， ω是入射光的角频率， Ω是声波的角频率。 这表明衍射光子的角频率被声 波的角频率轻微改变， 即光线的频率产生了多普勒频移。
根据上面的公式， = ω + Ω， 公式表明光波频率偏移的大小等于声波 的频率， 因为光线频率和声波频率相差很多个数量级， 从而产生的偏移量很 小。
图 2显示了入射光 （ K i)、 衍射光 （ K D) 和声波 （ K s) 的波矢关系。 光线 2 ( κ 2)、 光线 4 ( κ 4) 和声波 40 ( K s) 的关系是： κ 2 + K s = κ 40 声波 κ s 不仅仅使得衍射光的方向向上偏移， 光线的角频率 " 也向上偏移了 Ω = Vs K s|， 其中 ^是声波的速度。
声光可调谐滤波器 （A0TF) 是一种固态的、 可采用电调谐的带通光滤波 器。 与传统的技术相比， A0TF提供了连续、 快速的调节能力和窄的光谱带宽。 声光滤波器有两种类型： 共线型与非共线型。 其中具有高射频频率的非共线型 和非近轴滤波器比较容易实现窄带滤波， 图 7给出了声光可调谐滤波器的衍射 光谱示意图， Δ V c是衍射光谱的半宽度， 在这里 Δ V c定义为衍射光的峰值 的频率和衍射光为零或接近零的频率的差值。 对于衍射光频谱为非对称的情 况， 衍射光频谱两侧的△ v c不同， 则取衍射光谱的半宽度较大一侧的值， 一 般地， 取决于不同的类型和声光作用的长度等因素， A v e的范围可以做到从 小于 1纳米到十几纳米。
在一些具体实施中， 例如需要窄带调节时， 采用的声光晶体是各向异性并
有双折射特性。 其中一种物质为二氧化碲 （Te02)， 由于其运行在剪切模式时具 有高光学均匀性、 低光吸收度和耐高光功率能力的特点， 广泛使用于这类应用 中。 其他物质例如铌酸锂 （LiNb03 )、 磷化镓 （GaP ) 和钼酸铅 （PbMo04) 也经 常用于各种声光器件中。 影响选择特定物质的因素有很多， 下面仅列出几种， 如： 声光器件的类型、 高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求， 例如 衍射效率功率损耗、 入射光与衍射光的分散度和整体器件的大小等。
法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot)光标准具
图 3给出了一种普通的法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的示意图。 该法布里-珀罗光标准具 44的材料一般在近红外和可见光波段采用象融石英或 BK7这样的光学玻璃， 假设材料的折射率为 n， 两个通光面 42 和 43都镀高反 射膜， 假设反射率为 R， 厚度为 h， 光以接近零度的入射角入射， 则光标准具 44的自由光谱范围 FSI^可以表示为： Δ λ = λ 7(2η!ι)，或用频率表示： Δ ν =c/ (2nh)，其中 c 是光速。 透射光的峰值频率可以表示为： V=mc/ (2nh)，其中 m是干涉级次， 透射光的频谱带宽可以表示为： Δ v ei ( FWHM) =c (l-R) / (2 π nhR1/2)， 其中 c是光速。
从上述两个公式可以看出， 光标准具 44的自由光谱范围 FSI^ 与厚度为 h 成反比。 假设材料的折射率为 n=l. 5， 要实现 FSR^lOOGHz , 厚度 h l毫米。 FSI^要求越大， 厚度就越小。 在标准具的材料和厚度确定后， 透射光的频谱带 宽主要和反射率 R有关， 反射率越高， 频谱带宽或锐度 （finesse ) 越小。 法 布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽 非常窄， 输出光谱的频率间隔相等并且光频带宽度非常宽， 如图 8所示。
一般情况下， 对于光纤通讯用的激光器， 要求有很窄的输出频谱带宽， 也 相应地要求采用高锐度系数的标准具。
液晶光相位调制器
一般用作光电器件的液晶材料具有高的电阻率。 因此， 可以被认为是理想 的电介质材料。 由于构成分子的有序的取向和拉伸延长的形态， 液晶具有各向 异性的电介质特性和单轴对称性， 就象一个单轴晶体一样， 其光轴的方向与分 子的排列取向一致。 当液晶分子在外界电场的作用下， 会形成电偶极子。 在电 偶极子所形成的力矩作用下， 使得液晶分子的取向转向电场的方向， 可以通过
改变电场的强弱， 改变液晶的光轴的方向， 从而改变对某一特定方向入射的线 偏振光的相位。 因此， 可以利用液晶的这一特性， 制作光相位调制器， 可调谐 滤波器， 或其他光电器件， 如光开关和光强调制器等。 图 4给出了一种液晶光 相位调制器 24的示意图。 液晶光相位调制器 24包括依次安装起来的透明材料 薄片 60、 液晶 23、 透明材料薄片 64， 在透明材料薄片 60的内表面 62上镀电 极和隔离层， 在透明材料薄片 64的内表面 66上镀电极和隔离层， 驱动源 22 连接到两个电极上。 一般用作相位调制器件的液晶的厚度约为几微米至十几微 米。 图 5显示的是一个液晶光相位调制器 24在 ΙΟΚΗζ方波电压的驱动下， 对 光波长为 1550纳米的光波相位变化的关系， 最大可实现约 271的光相位延迟。
可调谐法布里 -珀罗滤波器
图 6是一种采用液晶光相位调制器 24而设计的可调谐法布里 -珀罗滤波器 200。 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200包括反射镜 16和 26以及放置在反射镜 16 和 26之间的液晶光相位调制器 24， 在反射镜 16和 26的外表面 18和 29上镀 增透膜， 在内表面 21和 28上镀反射率为 R的高反射多层电介质膜层， 在并由 该两高反射膜层形成法布里 -珀罗 （Fabry-Perot ) 腔。 由于液晶的厚度很小 (约几至十几微米）， 因此， 可以制作本征自由光谱范围较大的 （在无外加电 场时， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的自由光谱范围） 法布里-珀罗滤波器。 利用外加电场改变法布里 -珀罗 （Fabry-Perot ) 腔内液晶的有效折射率， 来调 节法布里-珀罗滤波器的透射光的光频率 V和自由光谱范围 （FSR)。
如图 6所示， 入射到可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的光束 15是一束沿 z 方向传播， 偏振轴为 X 方向的线偏振光， 假设法布里-珀罗腔的长度为 D， 腔 内材料的折射率为 n， 则滤波器 200的自由光谱范围 FSR2、 透射光频率和透射 光的频谱带宽可分别表示为：
Δ λ = λ 2/ (2ηϋ+ Γ )，或用频率表示： Δ V =c/ (2nD+ r )，其中 c 是光速， Γ 代表由液晶光相位调制器 24在外加电场作用下对入射光所产生的附加光程； 透射光的峰值频率可以表示为： V=mc/ (2nD+ r )，其中 m是干涉级次； 透射光的 频谱带宽 （FW匪） 可以表示为： Δ V t=c (l-R) / ( (2 Ji nD+ Ji r ) R1/2)， 其中 c 是 光速。 图 9给出了可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的透射光谱示意图。
根据上述公式和实验证明， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200对于接近零度入
射的线偏振光可以实现大于本征自由光谱范围 FSR2的透射光频率的调谐范围， 精度可达小于 lGHz。 相比较而言， 对自由光谱范围 FSR2和透射光的频带宽带 A v t的改变要小的多， 因此， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200 在外加电场的 作用下， 可以实现的透射光峰值频率的调谐范围大于其本征自由光谱范围， 而 基本不改变透射光的频谱带宽和自由光谱范围。 这个特性对于将可调谐法布 里 -珀罗滤波器 200在本发明中的应用具有重要意义。
通常情况下， 液晶光相位调制器 24的构成是将液晶材料放置在两片透明光 学材料构成的腔中， 因此， 所述两片透明光学材料 60和 64的厚度直接影响可 调谐法布里 -珀罗滤波器 200的法布里-珀罗腔的长度 D， 也就影响所能实现的 自由光谱范围， 自由光谱范围越大， 要求法布里-珀罗腔的长度越短， 也就要 求两片透明光学材料 60和 64的厚度越小。 假设上述两片透明光学材料的厚度 为 0. 5毫米， 折射率为 1. 5， 液晶的厚度为 10微米， 可调谐法布里-珀罗滤波 器 200能够实现的最大本征自由光谱范围约为 100GHz。 要实现更大的自由光谱 范围， 需要降低上述两片透明光学材料 60和 64的厚度， 这为制作液晶光相位 调制器 24带来了困难。 为了克服这个制作困难， 一个方法是在两片透明光学 材料 60和 64的其中一片的内表面镀高反射膜， 由该高反射膜与反射镜 16或 26的高反射膜构成可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的法布里-珀罗腔， 这样可以 大大缩短法布里-珀罗腔的长度， 增加自由光谱范围。 例如： 透明光学材料 60 的内表面可以先设置反射率为 R的高反膜层， 再设置电极和隔离层等， 则该高 反膜层与反射镜 26上的高反膜构成法布里-珀罗腔， 从而， 不仅可以省去反射 镜 16， 而且可以大大缩短法布里-珀罗腔的长度。 同样的方法， 也可以在透明 光学材料 64和 60的内表面各设置一层高反膜， 使其形成法布里-珀罗腔， 这 样可以省去两个反射镜 16和 26， 由于液晶层的厚度非常薄， 这种结构可以实 现非常大的自由光谱范围的可调谐法布里-珀罗滤波器， 但使用这种方法， 实 际制作难度很大。
另外， 在制作可调谐法布里 -珀罗滤波器 200时， 由于需要将液晶光相位 调制器 24放置在由反射镜 16和 26构成的法布里 -珀罗腔内， 为制作可调谐法 布里 -珀罗滤波器 200， 带来一定的难度， 特别是要求高锐度系数的情况， 由于 透过反射镜 16和 26的光强比较弱， 制作这样的滤波器难度更大。 因此， 降
低可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的锐度系数， 可以降低其制作难度。 下面对本发明的具有双输出光束的可调谐激光器的结构和工作原理进行详 细说明。
图 10给出了一种具有双输出光束的可调谐激光器， 该可调谐激光器 300使 用了可调谐声光滤波器 1 0 0和可调谐法布里 -珀罗滤波器 200， 其具体结构 为： 包括第一激光腔反射镜 45， （如果激光增益介质为半导体材料， 该反射镜 可由直接镀在激光增益介质 4 6上的反射膜形成）、 激光增益介质 4 6、 腔内准 直透镜 4 8、 有源光相位调制器 8、 可调谐声光滤波器 100、 可调谐法布里-珀 罗滤波器 200和第二激光腔反射镜 5 0， 其中， 第一激光腔反射镜 45和第二激 光腔反射镜 5 0构成了激光谐振腔。 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200设置在可调 谐声光滤波器 1 0 0的一级衍射光束的光轴方向上， 第二激光腔反射镜设置在 可调谐法布里 -珀罗滤波器后面， 其光轴与调谐声光滤波器 1 0 0的一级衍射 光束的光轴方向相同。 可调谐激光器 300还包括一个激光器控制和驱动系统， 该系统包括： 一个中央控制系统、 一个激光泵浦源、 一个有源光相位调制器驱 动源、 一个射频信号源、 一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源； 通过所述 中央控制系统来分别实现对所述激光增益介质、 所述有源光相位调制器、 所述 可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的控制和驱动功能。
激光腔反射镜通常对不同波长或颜色光的反射率不同， 这里提到的反射率 是与激光器运行的频谱带宽相对应的反射率。 激光腔反射镜 45和 5 Q可以根 据不同的情况， 采用全反镜， 或部分反射镜。 如果激光增益介质是半导体增益 介质时， 由于一般都有比较大的输出发散角， 因此， 腔内准直透镜 4 8—般是 针对激光增益介质是半导体增益介质时使用。 当激光增益介质是气体， 液体或 有些固体介质时， 一般不用腔内准直透镜， 而是采用非平面腔镜以实现腔内光 束的合理分布。
腔内准直透镜 4 8不仅可以将激光增益介质 4 6发出的光起到准直作用， 同 时也是激光器输出光束的准直透镜。 用于光纤通讯中的这类激光器， 需要将输 出光束 4藕合到光纤中， 准直透镜 4 8是必不可少的。
在可调谐激光器 300中， 由激光增益介质 4 6发出的宽带荧光光束 4 7经腔 内准直透镜 4 8准直后的光束 2透过有源光相位调制器 8， 以布拉格角 ΘΒ进入
可调谐声光滤波器 1 0 0的声光晶体 30， 其一级衍射光 4透过可调谐法布里- 珀罗滤波器 200 后由第二激光腔反射镜 5 Q反射回激光腔内， 在激光腔内形成 激光振荡和放大。 在这个过程中， 产生的两个零级衍射光束 3和 7作为激光器 3 0 Q的两个输出光束， 根据上面的分析， 输出光束 7的光频率和输出光束 3 的光频率不同， 其差值等于可调谐声光滤波器 1 0 0的声波调制频率。
通过改变射频信号源 10的射频频率， 可改变激光腔内的衍射光的频率； 通过有源光相位调制器 8调节腔内光束的相位使得某一个特定频率的光在激光 腔内产生激光振荡和放大。 在可调谐法布里 -珀罗滤波器 200无外加电场作用 时， 这时的滤波器 200相当于一个法布里-珀罗标准具， 可调谐激光器 300输 出的光频率受滤波器 200的本征透射光谱的限制， 即可调谐激光器 300的输出 只能调谐在可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的本征透射光谱的其中一个透射光 谱。 通过调节信号源 2 2改变可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的外加电场， 可 以调谐滤波器 200的透射光谱和调谐激光器 300的输出光谱。 由于有源光相位 调制器 8， 可调谐声光滤波器 1 0 0和可调谐法布里 -珀罗滤波器 200均具有 很宽的光频谱范围， 因此， 可调谐激光器 300就能够实现在宽频谱范围内的精 密连续可调谐。
同时， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 200也决定了激光器输出光的频谱宽 度。 采用高锐度系数的法布里 -珀罗滤波器能起到压缩输出光束的频谱带宽和 提高边模抑制比。 图 12给出了可调谐激光器 300的输出光谱示意图， 输出光 谱的带宽 （FWBO Δ ν ρι取决于可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的透射光谱带 宽 Δ v t， A v t越小， Δ v pi就越小。
为了提高可调谐激光器 300的可调谐单模输出的稳定性， 应使得可调谐法 布里 -珀罗滤波器 200的自由光谱范围大于可调谐激光器 300的本征谐振光谱 的带宽 （FWHM ) Δ V L。 Δ V L 定义为可调谐激光器 300在没有可调谐法布里- 珀罗滤波器 200时的激光谐振光谱的带宽 （FWBO , 该激光谐振光谱带宽 A V L 受可调谐声光滤波器 1 0 0衍射光谱的带宽 Δ V c的限制， Δ V c越小， Δ V L 也越小。 由于可调谐法布里 -珀罗滤波器 200在调谐过程中， 基本不改变自由 光谱范围， 使得在可调谐激光器 300的调谐过程中， 能够继续维持稳定单模运
对于可调谐激光器 300在光纤通讯的应用， 如 100GHz的 DWDM系统中， 要 求可调谐激光器 300的输出满足 ITU (国际通讯标准） 100GHz 的光频率要求 ( ITU Grid ) , 因此， 也就要求可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的透射光谱满足 国际电讯联盟 （ITU) 标准。 如前面的分析， 在这样的应用中， 假设可调谐激 光器 300的本征谐振光谱的带宽 Δ V L小于或等于 200GHz , 因此， 如果可调谐 法布里 -珀罗滤波器 200的本征自由光谱范围设置为 250GHz时， 就满足上面提 到的对激光器 300输出稳定性的要求， 则法布里-珀罗腔的长度 D约等于 0. 4 毫米， 真如前面分析的， 这是可能做到的。 在有外加电场作用时， 可调谐法布 里 -珀罗滤波器 200可以实现大于 250GHz的透射光的频谱的精密频率调谐， 因 此， 可实现在两个 100GHz ITU grid 光频率的之间的精密和连续调谐。 一般可 以做到间隔小于 1GHz的光频率精密调谐。 同样， 对于如 25GHz或 50GHz的光 纤通讯应用， 可调谐激光器 300同样也可以满足要求。 目前， 在光纤通讯中， 常用的 C频率带 （约 1530纳米 -1570纳米） 或 L频率带 （约 1570纳米 -1610 纳米） 的光频谱宽带约为 40纳米， 可调谐激光器 300完全可以实现在 C频率 带和 /或 L频率带范围内的精密调谐。 由于在 50GHz或 100GHz DWDM的光纤通 讯的应用中往往只要求可调谐激光器 300的输出满足 ITU 100GHz 的光频率要 求， 并不需要连续调谐， 因此， 可以采用另一种可调谐激光器 400结构来满足 这种要求。
图 11给出了本发明的一种可调谐激光器 400的结构示意图。
可调谐激光器 400是在可调谐激光器 300中增加了一个法布里 -珀罗标准具 52， 该标准具 52的透射光谱满足光纤通讯 ITU 的要求， 因此可调谐激光器系 统 400的输出只能调谐到 ITU的频率 （Grid ) 上。 图 13给出了包含一个法布 里 -珀罗标准具 52的可调谐激光器系统 400的输出光谱示意图。 假设法布里- 珀罗标准具 52的锐度系数大于法布里 -珀罗滤波器 200的锐度系数， 那么， 可 调谐激光器系统 400输出光谱的带宽 Δ V p2取决于法布里 -珀罗标准具 52的透 射光谱带宽 （假设为△ v e2 )， Δ v e2越小， 则 Δ v p2越小。 由于法布里 -珀罗 标准具 52比可调谐法布里 -珀罗滤波器 200更容易做到高的锐度系数， 因此， 这样的好处是： 1.可以易于压缩可调谐激光器系统 400输出光的光谱宽度， 2. 可以降低可调谐法布里 -珀罗滤波器 200的锐度系数， 使得其更容易制作。
需要强调的是， 上述说明仅起演示和描述的作用， 并不是一个详细无遗漏 的说明， 也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。 经过上面的描述， 对本发明的许多改动和变化都可能出现。 所选择的具体实施仅仅是为了更好的 解释本发明的原理和实际中的应用。 这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好 的利用本发明， 根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。
Claims
1、 一种具有双输出光束的可调谐激光器， 包括依次安装起来 的第一激光腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相 位调制器、 可调谐声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 第 二激光腔反射镜以及激光器控制和驱动系统； 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器包括依次安装起来的第一反射镜、 液晶光相位调制 器和第二反射镜， 并由所述第一反射镜和第二反射镜构成法布里 -珀罗腔； 所述激光增益介质发出的光束经所述腔内准直透镜准 直后以布拉格角入射到所述可调谐声光滤波器，所产生的一级衍 射光进入所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里- 珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜，所述第二激光腔反射 镜的光轴与所述一级衍射光的光轴重合； 由所述第一激光腔反射 镜和所述第二激光腔反射镜构成激光谐振腔； 由所述第一激光腔 反射镜反射后进入所述可调谐声光滤波器产生的零级光束构成 第一激光输出光束， 由所述第二激光腔反射镜反射后进入所述可 调谐声光滤波器产生的零级光束构成第二激光输出光束。
2、 一种具有双输出光束的可调谐激光器， 包括依次安装起来 的第一激光腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相 位调制器、 可调谐声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 法 布里-珀罗标准具、 第二激光腔反射镜以及激光器控制和驱动系 统； 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器包括依次安装起来的第一反 射镜、 液晶光相位调制器和第二反射镜， 并由所述第一反射镜和 所述第二反射镜构成法布里-珀罗腔； 由所述激光增益介质发出 的光束经所述腔内准直透镜准直后以布拉格角入射到所述可调 谐声光滤波器， 所产生的一级衍射光进入所述可调谐法布里-珀 罗滤波器，在所述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述法布里- 珀罗标准具和第二激光腔反射镜，所述第二激光腔反射镜的光轴 与所述一级衍射光的光轴重合； 由所述第一激光腔反射镜和所述 第二激光腔反射镜构成激光谐振腔； 由所述第一激光腔反射镜反 射后进入所述可调谐声光滤波器产生的零级光束构成第一激光
输出光束， 由所述第二激光腔反射镜反射后进入所述可调谐声光 滤波器产生的零级光束构成第二激光输出光束。
3、根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激光 器， 其特征在于： 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光的峰值频 率的调谐范围大于或等于其本征自由光谱范围。
4、根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激光 器， 其特征在于： 所述第一激光腔反射镜和所述第二激光腔反射镜均 为下列几种反射镜之一：平面镜， 凹面镜和凸面镜， 具有部分或 100% 的反射率并与所述激光增益介质具有相同的光谱范围。
5、 根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激 光器， 其特征在于： 所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
6、 根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激 光器，其特征在于：所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一： 电光相位调制器、声光相位调制器、磁光相位调制器或上述几种相位 调制器的某种组合。
7、 根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激 光器， 其特征在于： 所述可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置 在所述声光晶体上的一个电声换能器。
8、 根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激 光器， 其特征在于： 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的 外表面通光面上设置增透膜，所述的第一反射镜的内表面通光面上设 置高反膜， 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的内表面通 光面设置高反膜， 所述第二反射镜的外表面通光面上设置增透膜；所 述第二反射镜的内表面通光面上的高反膜与所述第一反射镜的内表 面通光面上的高反膜具有相同的反射率。
9、 根据权利要求 1和 2所述的一种具有双输出光束的可调谐激 光器， 其特征在于： 所述液晶光相位调制器包括一种向列相型液晶材 料，厚度为几微米到十几微米， 在外加电场的驱动下对某一方向的线 偏振光产生一定的光相位延迟，并具有与激光增益介质相同的光谱范
围。
10、 根据权利要求 1至 9任一项所述的一种具有双输出光束的可 调谐激光器， 其特征在于： 所述的激光器控制和驱动系统包括： 一个 中央控制系统、 一个激光泵浦源、 一个有源光相位调制器驱动源、一 个射频信号源、 一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源； 通过所述 中央控制系统来分别实现对所述激光增益介质、所述有源光相位调制 器、 所述可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的控制 和驱动功能， 并实现光频率的调谐功能。
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