專利名稱：光柵外腔激光器及其準(zhǔn)同步調(diào)諧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)光柵外腔激光器的激光波長(zhǎng)或頻率的調(diào)諧，其中在選擇光柵或反射鏡的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心時(shí)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)同步的調(diào)諧。
背景技術(shù)：
在光柵外腔激光器中往往需要對(duì)所產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)或頻率進(jìn)行調(diào)諧，這種調(diào)諧是通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵從而改變光線在光柵上的入射角和衍射角、或者通過轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡從而改變光線在光柵上的衍射角來實(shí)現(xiàn)的。在

圖1、圖2和圖3中分別示出了三種類型的光柵外腔半導(dǎo)體激光器。其中圖1所示的是常規(guī)的掠入射(即入射角大于衍射角)結(jié)構(gòu)的外腔半導(dǎo)體激光器，這種結(jié)構(gòu)也被稱為L(zhǎng)ittman結(jié)構(gòu)；圖2中所示的是由同一申請(qǐng)人在中國(guó)專利申請(qǐng)200810097085. 4中提出的一種新型的掠衍射(即衍射角大于入射角)結(jié)構(gòu)的外腔半導(dǎo)體激光器；而圖3中所示的是常規(guī)的Littrow結(jié)構(gòu)的外腔半導(dǎo)體激光器，在該結(jié)構(gòu)中沒有反射鏡，因而僅通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵來進(jìn)行調(diào)諧。下面以光柵反饋外腔半導(dǎo)體激光器(ECDL)為例來說明光柵外腔激光器的基本結(jié)構(gòu)與原理。如圖1至3所示，LD表示半導(dǎo)體激光管，AL表示非球面準(zhǔn)直透鏡，G表示光柵， M表示反饋反射鏡，N表示光柵法線，θ i表示光線在光柵上的入射角，θ d表示光線在光柵上的衍射角，Δ θ為入射角與衍射角之差，S卩Δ θ = θ i-θ d，Δ χ為腔內(nèi)光學(xué)元件(例如非球面準(zhǔn)直透鏡和LD的增益介質(zhì))所產(chǎn)生的光程增量。在圖1所示的掠入射結(jié)構(gòu)和圖2所示的掠衍射結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體激光管LD發(fā)出的激光經(jīng)非球面鏡AL準(zhǔn)直后，入射到衍射光柵G上。光柵G的一級(jí)衍射光正入射在反饋反射鏡 M上，該光束在反射鏡M上被反射后，沿著與入射光共線且反向的路徑，按原路被光柵再次衍射后，經(jīng)非球面鏡AL返回到半導(dǎo)體激光管中。在圖3所示的Littrow結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體激光管LD發(fā)出的激光經(jīng)非球面鏡AL準(zhǔn)直后，入射到衍射光柵G上。光柵G的一級(jí)衍射光沿著與入射光共線且反向的路徑，按原路直接經(jīng)非球面鏡AL返回到半導(dǎo)體激光管中。可以看到，在Littrow結(jié)構(gòu)中光束在光柵上的入射角和衍射角相等，即9i= θ = θ，因而Δ θ = 0。為了說明外腔半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧原理，在附圖中引入了直角坐標(biāo)系xOy，其中0 點(diǎn)表示半導(dǎo)體激光管LD所發(fā)出的激光光束與光柵G在初始位置的衍射表面的交點(diǎn)，χ軸經(jīng)過0點(diǎn)且方向與LD發(fā)出的光線共線反向，y軸經(jīng)過0點(diǎn)并與χ軸垂直且方向向上。等效LD后端反射面、光柵G的衍射表面和反射鏡M的反射表面這三個(gè)平面均與 xOy坐標(biāo)平面垂直。用SG表示光柵衍射表面所在的平面與xOy坐標(biāo)平面的交線，0點(diǎn)位于該交線上；SL表示等效LD后端反射面所在的平面與xOy坐標(biāo)平面的交線，它距0點(diǎn)的距離為11 ；SM表示反饋反射鏡M的反射表面所在的平面與xOy坐標(biāo)平面的交線，它距0點(diǎn)的距離為12。在圖1和圖2所示的掠入射和掠衍射結(jié)構(gòu)中，11和12分別表示0點(diǎn)到等效LD后
8端反射面和反饋反射鏡M的光學(xué)距離，即光柵外腔的兩個(gè)子腔長(zhǎng)度，整個(gè)半導(dǎo)體激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)用它們之和1 = 11+12來表示。在圖3所示的Littrow結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體激光器的實(shí)際光學(xué)腔長(zhǎng)即為0點(diǎn)到等效LD后端反射面的距離11。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵G或反射鏡M進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與xOy坐標(biāo)平面垂直，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸與 xOy坐標(biāo)平面的交點(diǎn)(即轉(zhuǎn)動(dòng)中心)在圖1至3中用坐標(biāo)P(x，y)來表示。為了有助于分析，引入了距離參量U、ν和w，其中u表示轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到交線SM的距離；ν表示轉(zhuǎn)動(dòng)中心P 到交線SG的距離；w表示轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到交線SL的距離。這里各參量U、ν和w取值的符號(hào)規(guī)定如下當(dāng)光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在相應(yīng)平面交線的同側(cè)時(shí)用正值表示，而當(dāng)光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別在相應(yīng)平面交線的兩側(cè)時(shí)用負(fù)值表示。當(dāng)光柵G或反饋反射鏡M圍繞P點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，距離ν或u保持不變。在光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，決定激光波長(zhǎng)或頻率的兩個(gè)主要因素是1.由光線在光柵上的入射角和衍射角的取值和變化所決定的選頻作用；2.由SL、SM、SG所形成的等效F-P腔的腔長(zhǎng)的取值和變化所決定的選頻作用。在以轉(zhuǎn)動(dòng)中心P為軸轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡的過程中，光柵的選頻作用和F-P腔的選頻作用均發(fā)生改變。一般而言，上述改變不是同步的，這將引起激光模式的跳模變化，中斷了激光頻率的連續(xù)調(diào)諧，因而能夠得到的激光頻率不跳模時(shí)的連續(xù)調(diào)諧范圍非常小，例如為1至2GHz。為了實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)或頻率的同步調(diào)諧，即實(shí)現(xiàn)大范圍不跳模的頻率連續(xù)調(diào)諧，需要有目的地選擇光柵G或反饋反射鏡M的轉(zhuǎn)動(dòng)中心P。假設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧之后光柵或反射鏡相對(duì)于其初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為α，則激光光束在F-P腔內(nèi)往返一周后的相位變化Ψ可表示為ψ = ψ0+Α(α ) · [B · Sina+C · (I-COSCt )](1)其中Ψ0表示在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧之前光束在腔內(nèi)往返一周的初始相位變化，Α(α)是與調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)角度α有關(guān)的函數(shù)，而Ψ0、B和C是與角度α無關(guān)的函數(shù)。Ψ0、Α(α)、Β和C 與外腔半導(dǎo)體激光器的初始參數(shù)有關(guān)，這些初始參數(shù)包括初始角度(如初始入射角9i、初始衍射角θ d等)、初始位置(如初始腔長(zhǎng)u和12、初始距離u、v和w等)、以及光柵常數(shù)d 等等。當(dāng)滿足完全同步調(diào)諧的條件時(shí)，相位變化Ψ應(yīng)當(dāng)與調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)角度α無關(guān)，即公式1 中的B和C均應(yīng)為零。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)完全同步調(diào)諧的轉(zhuǎn)動(dòng)中心PO的距離參量應(yīng)滿足也就是說，滿足同步調(diào)諧限制條件的轉(zhuǎn)動(dòng)中心PO應(yīng)當(dāng)位于光柵衍射表面所在的平面與x0y坐標(biāo)平面的交線SG上；同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心PO到反射鏡反射表面所在平面的距離u0 和PO到等效LD后端反射面所在平面的距離wO的絕對(duì)值相同而符號(hào)相反。當(dāng)用坐標(biāo)PO (xO，yO)表示這種滿足同步調(diào)諧限制條件的轉(zhuǎn)動(dòng)中心時(shí)，對(duì)于掠入射和掠衍射結(jié)構(gòu)可以得到
權(quán)利要求
1. 一種用于對(duì)光柵外腔激光器進(jìn)行準(zhǔn)同步調(diào)諧的方法，其中以一個(gè)準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq 為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵外腔激光器的光柵或反射鏡，使得在轉(zhuǎn)動(dòng)期間光柵衍射表面所在的平面或反射鏡反射表面所在的平面與該準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq之間的距離保持不變，從而實(shí)現(xiàn)光柵和諧振腔的選頻作用的準(zhǔn)同步調(diào)諧，其中以下述方式確定所述準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq 確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)P0(x0，y0)，使得當(dāng)以該同步調(diào)諧點(diǎn)PO為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在光柵外腔激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變，準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍用下面的方法給出做坐標(biāo)變換，對(duì)于光柵轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍進(jìn)一步為以下范圍 確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)(x0，y0)，以該步調(diào)諧點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變。做坐標(biāo)變換，對(duì)于光柵轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光柵外腔激光器是Littman結(jié)構(gòu)或掠 衍射結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)激光器，并通過以所述準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)(Pq)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵來進(jìn)行調(diào)諧。 其中由公式(10)限定的兩條拋物線的對(duì)稱軸距離嚴(yán)格同步調(diào)諧點(diǎn)的距離分別為+_b，并且 當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧時(shí)，近似平行于反射鏡M的法線與半導(dǎo)體激光管LD發(fā)出的光線之間夾角的 角平分線，當(dāng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧時(shí)，平行于反射鏡M的初始位置法線方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光柵外腔激光器是Littrow結(jié)構(gòu)激 光器，并通過以所述準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)(Pq)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵來進(jìn)行調(diào)諧；其中由公式(10) 限定的兩條拋物線的對(duì)稱軸距離嚴(yán)格同步調(diào)諧點(diǎn)的距離分別為+_b，并且平行于入射到光 柵上的光線方向。
5.一種Littman結(jié)構(gòu)或掠衍射結(jié)構(gòu)的光柵外腔激光器，包括激光光源(1)、非球面準(zhǔn) 直透鏡(3)、光柵(1 和反射鏡(5)，其中所述激光器還包括準(zhǔn)同步調(diào)諧機(jī)構(gòu)，所述準(zhǔn)同步 調(diào)諧機(jī)構(gòu)圍繞一個(gè)準(zhǔn)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq轉(zhuǎn)動(dòng)所述光柵(1 或反射鏡(5)，使得在轉(zhuǎn)動(dòng)期 間光柵衍射表面所在的平面或反射鏡反射表面所在的平面與該準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq之間的距離保持不變，從而實(shí)現(xiàn)光柵和諧振腔選頻作用的準(zhǔn)同步調(diào)諧；其中以下述方式確定所述準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq 確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)P0(x0，y0)，使得當(dāng)以該同步調(diào)諧點(diǎn)PO為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在光柵外腔激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變，準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍用下面的方法給出設(shè)給定的頻率調(diào)諧范圍為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍進(jìn)一步為以下范圍確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)(xO，y0)，以該步調(diào)諧點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變。做坐標(biāo)變換，對(duì)于光柵轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺釘(8)來調(diào)整所述光柵(1 或反射鏡(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，和/或通過在壓電陶瓷(10) 上施加控制電壓來對(duì)該轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行微調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述激光光源和光柵之間進(jìn)一步放入1/2波片用以調(diào)整反饋功率。
9.一種Littrow結(jié)構(gòu)的光柵外腔激光器，包括激光光源(1)、非球面準(zhǔn)直透鏡(3)和光柵(12)，其中所述光柵外腔激光器還包括準(zhǔn)同步調(diào)諧機(jī)構(gòu)，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧機(jī)構(gòu)圍繞一個(gè)準(zhǔn)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心(Pq)轉(zhuǎn)動(dòng)所述光柵(12)，使得在轉(zhuǎn)動(dòng)期間光柵衍射表面所在的平面與該準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)(Pq)之間的距離保持不變，從而實(shí)現(xiàn)光柵和諧振腔選頻作用的準(zhǔn)同步調(diào)諧；其中以下述方式確定所述準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)Pq 確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)P0(x0，y0)，使得當(dāng)以該同步調(diào)諧點(diǎn)PO為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在光柵外腔激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變，準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍用下面的方法給出設(shè)給定的頻率調(diào)諧范圍為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧范圍進(jìn)一步為以下范圍確定一個(gè)同步調(diào)諧點(diǎn)(xO，y0)，以該步調(diào)諧點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡時(shí)，在激光器的諧振腔內(nèi)激光光束的往返相位差保持不變。做坐標(biāo)變換，對(duì)于光柵轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)同步調(diào)諧機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺釘(8)來調(diào)整所述光柵(1 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，和/或通過在壓電陶瓷(10)上施加控制電壓來對(duì)該轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行微調(diào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光柵外腔激光器，其特征在于，所述激光光源和光柵之間進(jìn)一步放入1/2波片用以調(diào)整反饋功率。
全文摘要
本發(fā)明提供了對(duì)光柵外腔激光器的激光波長(zhǎng)或頻率進(jìn)行準(zhǔn)同步調(diào)諧的方法，還提供了相應(yīng)的激光器。其中以一個(gè)準(zhǔn)同步調(diào)諧點(diǎn)(Pq)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵或反射鏡，從而實(shí)現(xiàn)光柵和諧振腔的選頻作用的準(zhǔn)同步調(diào)諧。其中從激光器的實(shí)際物理空間上看，在xOy坐標(biāo)平面上，滿足準(zhǔn)同步調(diào)諧條件的轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq(xq，yq)可以看作是從常規(guī)的同步調(diào)諧條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0(x0，y0)拓展到P0點(diǎn)附近的兩條拋物線所包含的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，以簡(jiǎn)單和靈活的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了激光的近似同步調(diào)諧。
文檔編號(hào)H01S5/06GK102340100SQ20101023653
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者方占軍, 曹建平, 李燁, 王少凱, 臧二軍 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院