專利名稱：具有包括楔的氣隙標準具的外腔可調(diào)諧激光器的制作方法
具有包括楔的氣隙標準具的外腔可調(diào)諧激光器
背景技術(shù)：
可調(diào)諧激光器是能夠以可控方式改變工作波長的激光器。雖然所有的激光增益介 質(zhì)都允許輸出波長有小的偏移，但是僅有少數(shù)幾種類型的激光器允許在寬的波長范圍內(nèi)連 續(xù)調(diào)諧。存在許多類型和種類的可調(diào)諧激光器，一種已知類型的激光器調(diào)諧稱作單線調(diào)諧 (single line timing)。由于沒有任何實際的激光器真正地是單色的，因此所有激光器都 能夠發(fā)射某些頻率范圍的光線，這稱作激光躍遷的線寬(Iinewidth)。在大多數(shù)激光器中， 這種線寬是非常窄的(例如，Nd:YAG激光器的1064納米波長躍遷的線寬大約是120GHz， 相當于0. 45納米的波長范圍)。通過將波長選擇性光學(xué)元件放置在激光器的光學(xué)腔體內(nèi)， 能夠?qū)崿F(xiàn)在該范圍的激光輸出調(diào)諧，從而提供對所述腔體的特定縱模(longitudinalmode) 的選擇。一種這樣的波長選擇性光學(xué)元件是標準具(etalon)，其包括兩個基本上平行的部 分透射鏡(partially transmitting mirror)。除了一系列的峰，穿過標準具的透射通常是 比較低的，這些峰以稱作標準具的自由光譜范圍(freespectral range (FSR))的間隔相距 大約相等的距離?？梢酝ㄟ^改變標準具透射鏡(etalon mirror)之間的光學(xué)距離來改變標 準具透射峰(transmission peak)的中心波長。需要標準具的FSR明顯大于激光器的所需 調(diào)諧范圍，從而確保只有一個標準具透射峰位于所需的調(diào)諧范圍內(nèi)。透射峰的帶寬也是進 行激光器調(diào)諧的重要參數(shù)，因為帶寬決定了與激光模相鄰的模所造成的損耗，這進而決定 了邊模抑制比(SMSR)。標準具的帶寬和自由光譜范圍都可以根據(jù)已知的設(shè)計原理來改變。美國專利申請公開US2005/0008045A1描述了一種可調(diào)諧激光器，其中，在半導(dǎo)體 外腔中，將可調(diào)諧標準具用作透鏡?？梢越柚糜诳刂苾蓚€平行透鏡之間的光學(xué)空間的微 機電裝置來調(diào)諧用于調(diào)諧所述腔體的標準具。但是，這種操作會造成僅僅調(diào)諧激光發(fā)射波 長的后果，這會導(dǎo)致模跳躍(modehopping)。給予簡單的解釋，激光器腔體僅僅能夠支持 特定的振動模，這種?？梢允强v向的和橫向的。模跳躍僅僅是可能的模之間的激光躍變 (Iaserjumping)，對于縱模跳躍，激光波長有效地躍變。在許多應(yīng)用場合中，模跳躍是不希 望的，因為這會引起不希望的劇烈噪音。本發(fā)明的發(fā)明人現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出了改進的可調(diào)諧激光器，其中與已知系統(tǒng)相關(guān)聯(lián) 的至少一些問題得到了緩解。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種激光器系統(tǒng)，其包括激光光源、激光器腔體以及波長分辨 結(jié)構(gòu)(wavelength discriminating structure)，所述波長分辨結(jié)構(gòu)用于接收來自所述激 光光源的輸入并且產(chǎn)生激光輸出，所述系統(tǒng)進一步包括以下裝置，所述裝置用于選擇性地 改變所述輸入在所述波長分辨結(jié)構(gòu)上的入射角，從而導(dǎo)致所述激光器腔體的長度和所述激 光輸出的頻率發(fā)生同步的相應(yīng)變化。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對激光發(fā)射的可靠調(diào)諧，而不會產(chǎn)生模跳躍，因為波長分辨結(jié)構(gòu)(可以是衍射光柵，但是優(yōu)選是標準具結(jié)構(gòu))設(shè)計成使得通過選擇性地改變激光 輸入在所述波長分辨結(jié)構(gòu)上的入射角來同步地調(diào)諧波長和腔體長度。第一標準具透射鏡 (etalon mirror)和第二標準具透射鏡可以設(shè)置在相應(yīng)的第一基底和第二基底上，然后將 所述第一基底和第二基底有利地布置和配置成使得相對于所述激光光源調(diào)節(jié)所述標準具 結(jié)構(gòu)(優(yōu)選地，使得所述標準具結(jié)構(gòu)相對于所述激光光源圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，所述軸線相對于 激光器系統(tǒng)的光程是橫切的(transverse))導(dǎo)致所述激光輸入在所述波長分辨結(jié)構(gòu)上的 入射角發(fā)生相應(yīng)的變化，更優(yōu)選地，所述第一基底和第二基底以及所述相應(yīng)的第一標準具 透射鏡和第二標準具透射鏡配置成起到有效的堅固剪力板(substantially shear plate) 的作用。在一個優(yōu)選實施方式中，所述第一基底具有輸入表面，所述第二基底具有輸出表 面，所述輸入表面和輸出表面基本上相互平行，并且不與所述第一標準具透射鏡和第二標 準具透射鏡平行。例如，所述第一基底和第二基底可以包括匹配的透射楔(transmissive wedge)ο所述第一標準具透射鏡和第二標準具透射鏡之間的空間優(yōu)選地包括密封的氣隙， 使得所述結(jié)構(gòu)對于溫度是不敏感的。所述系統(tǒng)優(yōu)選進一步包括濾光片(filter)，用于將來自所述激光光源的所述輸入 的光譜限制到預(yù)定的調(diào)諧范圍，所述預(yù)定的調(diào)諧范圍有利地基本上等于所述標準具結(jié)構(gòu)的 自由光譜范圍(FSR)。本發(fā)明的這些和其他方面從本文中描述的實施方式是顯而易見的，并且將結(jié)合這 些實施方式對本發(fā)明的這些和其他方面進行說明。


下面將僅借助實施例并且參考附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述。圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的激光器系統(tǒng)的一些主要組件的示意 圖；圖2示意性地示出設(shè)置在圖1所示的系統(tǒng)中的濾光片的帶通頻率(bandpass frequency)；圖3a和圖3b示意性地示出設(shè)置在圖1所示的系統(tǒng)中的標準具結(jié)構(gòu)；圖4和圖5示意性地示出通過改變激光輸入相對于一對匹配楔的入射角來改變激 光傳輸?shù)墓獬痰脑?，所述楔例如是用在設(shè)置在圖1所示的系統(tǒng)中的標準具結(jié)構(gòu)中的楔；圖6和圖7分別示意性地示出用在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的激光器系統(tǒng)中 的標準具結(jié)構(gòu)的替代性設(shè)計。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施方式的可調(diào)諧的窄線寬激光器設(shè)計成穩(wěn)健 的(robust)，具有小于500kHz的線寬，重復(fù)頻率為IkHz的大于IOOGHz的頻率啁啾 (frequency chirp over 100GHz)，并且沒有發(fā)生模跳躍。參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的可調(diào)諧激光器具有泵浦增益介質(zhì) (pumped gain medium) 10，所述泵浦增益介質(zhì)在激光輸入面上具有高反射率(HR)的反射鏡(reflector) 12 (例如，反射率R > 35% )并且在其相對的激光輸出面上具有抗反射(AR) 涂層(例如，R <0.1%)。激光輸出面上的抗反射涂層14允許建立有效的外腔，而不發(fā)生 模競爭(modecompetition)。來自增益介質(zhì)10的激光輸出通過準直透鏡16到達紅外(IR)濾光片18，濾光片 18被布置和配置成將光譜范圍限制在IOOGHz，即，標準具20的調(diào)諧范圍和FSR(如圖2中 示意性地示出的)。由于紅外濾光片18將激光頻率限制到了僅僅IOOGHz的小范圍，因此 100GHz FSR標準具在該頻率僅具有一個共振波模(resonant mode)。標準具20包括兩個平行的部分透射鏡22a和22b，它們設(shè)置在各自的匹配的楔形 板(wedge plate) 24a和24b上。由設(shè)置在反射鏡22a和22b之間的相對的隔板26來限定 反射鏡22a和22b之間的光學(xué)空間。因此，標準具反射鏡22a和22b之間的間隔是固定的。 來自標準具20的激光輸出傳送到激光輸出耦合器28 (例如，R >90%),以提供所述的啁 啾激光輸出30。旋轉(zhuǎn)標準具反射鏡22a和22b使得激光發(fā)射波長能夠被調(diào)諧到高達100GHz。在 本發(fā)明的這一示例性實施方式中，標準具基底是匹配的楔24a和24b，它們形成有效的、 相對較厚的剪力板，當所述剪力板旋轉(zhuǎn)時，由于這種結(jié)構(gòu)允許激光傳輸?shù)娜肷浣?AOI) 改變，從而還能夠改變腔體長度，這一點將在后面做更詳細的解釋。換句話說，標準具 的旋轉(zhuǎn)同時調(diào)諧激光發(fā)射波長和腔體長度，由此消除模跳躍并且能夠可靠地將激光發(fā) 射調(diào)諧到高達100GHz?？紤]到所示的示例性實施方式，為了使標準具能夠調(diào)諧到高達 100GHz (tunethrough 100GHz)，有效的標準具腔體長度需要變化 100e9/lel4，即，lOOOppm。 為了消除調(diào)諧期間的模跳躍，必須滿足以下表達式N λ /2 = L腔體(激光器條件)mA = 2ndcos θ (標準具條件)當激光頻率增加100GHz (IOOOppm)時，激光器腔體的長度需要縮短 IOOOppmX 30mm，S卩，30 μ m，從而避免發(fā)生模跳躍。借助構(gòu)建在標準具基底22a和22b中的 有效的剪力板(經(jīng)由匹配的楔24a，24b)，當標準具旋轉(zhuǎn)時，激光器腔體長度變化正確的量， 從而允許無模跳躍的調(diào)諧(mode hopfree tuning)。額外參見圖3a和圖3b，能夠更詳細地觀察標準具結(jié)構(gòu)20。示出的結(jié)構(gòu)20包括設(shè) 置在各自的匹配的楔形板24a和24b上的兩個平行的反射鏡22a和22b。由設(shè)置在反射鏡 22a和22b之間的相對的隔板26來限定反射鏡22a和22b之間的光學(xué)空間(或氣隙32)。 為了完整，例如，設(shè)想匹配的楔24a和24b可以由熔融石英制成(具有例如20度的頂角)， 標準具隔板26可以由ULE制成(如果制成密封的，其能夠保持對溫度的不敏感性)。但是， 可以設(shè)想其他合適的材料，關(guān)于這一點，本發(fā)明并不限于此。另一個考慮存在于匹配的楔 24a和24b的設(shè)計，特別是頂角a。在示出的實例中，匹配的楔采取直角三角形的形式，使 得標準具相對于垂直線的角度為0。但是，關(guān)于這一點，本發(fā)明并不限于此。參見圖6和圖 7，角度da可以分別大于或小于0。但是，如果匹配的楔的頂角增大，則輸入激光傳輸?shù)目?能的AOI增大。因此，如果頂角增大地太多，則所述AOI可以增大到超過理想的頻率調(diào)諧范 圍所需的角度。同樣地，如果頂角減小地太多，則標準具角度將會減小到小于理想的頻率調(diào) 諧范圍所需的角度。因此，對于角度da存在設(shè)計限制。如所示出的，當標準具結(jié)構(gòu)20旋轉(zhuǎn)時，輸入光34在由匹配楔24a和24b形成的有效剪力板上的入射角θ i以及在標準具上的入射角θ將發(fā)生變化，這使得優(yōu)化的路徑和頻 率追蹤能夠避免模跳躍并且不再需要提供若干個致動器。更詳細地，可以通過根據(jù)下面的 表達式旋轉(zhuǎn)標準具結(jié)構(gòu)來調(diào)諧標準具頻率透射峰(frequency transmission peak)Δ λ /λ = - θ 2/2η2其中λ是輸出光的頻率，Δ λ是頻率偏移，θ是標準具角度，并且η是反射鏡22a 和22b之間的光學(xué)空間32的折射率，在該情況下，η是1。因此，在1550nm下由AOI 93周 諧使得標準具角度θ從0. 5度變化至大約2度，這導(dǎo)致頻率偏移IOOGHz或0. 8nm。當標準 具旋轉(zhuǎn)時，其共振波長減小，這需要更短的腔體長度，從而消除可能的模跳躍。因此，當在基 底上的AOI變化通過exchange through θ 時，標準具角度θ增大，S卩，標準具的共振波 長減小，并且在第二基底24b上的AOI減小，導(dǎo)致光程的長度有效地減小，如圖4中示意性 地示出的。如圖5所示，在本文中描述的本發(fā)明的特定的示例性實施方式中，將在基底上的 AOI從31度變化至29. 5度，則光程變化大約30 μ m。同樣的AOI變化導(dǎo)致標準具角度從 0. 5度變化至1. 8度，這等同于頻率增大了大約100GHz。關(guān)于頻率調(diào)諧的精確度，Ippm的頻率精確度(等同于1. 25nm的標準具位移分辨 率)需要高度線性的調(diào)諧裝置、高度可再現(xiàn)的調(diào)諧裝置，或者，更優(yōu)選地，用于精確測量操 作過程中的頻率調(diào)諧的裝置。參見圖1，提出的用于旋轉(zhuǎn)標準具結(jié)構(gòu)的致動機構(gòu)包括安裝在 實心金屬底座38上的金屬撓性件(fleXtUre)36，所述撓性件36與標準具結(jié)構(gòu)耦合并且被 壓電致動器40促動。還設(shè)置測量傳感器42，所述測量傳感器42任選地處于與壓電致動器 40的閉環(huán)連接線路(closed loop connection) 44中。因此，使用中，被壓電致動器40促動 的撓性件36導(dǎo)致標準具結(jié)構(gòu)20旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)AOI的所需變化，從而實現(xiàn)所需的頻率偏移。 用于監(jiān)控這一操作進展的可行的測量技術(shù)包括監(jiān)控壓電致動器40的電壓輸出、測量撓性 件36和/標準具結(jié)構(gòu)20經(jīng)由線性或旋轉(zhuǎn)編碼器或標尺的位移，以及借助監(jiān)控標準具透射 的光學(xué)編碼器來測量標準具結(jié)構(gòu)20的旋轉(zhuǎn)。一項特定的供選擇方案是使用分辨率為20pm 的超靈敏電容表。但是，也可以設(shè)想其他技術(shù)，本發(fā)明并不限于此。應(yīng)當注意，本發(fā)明并不限于上面描述的實施方式，優(yōu)選的實施方式可以在權(quán)利要 求所限定的范圍內(nèi)變化。當用在說明書包括權(quán)利要求書中時，術(shù)語“包括”意圖指明所聲明 的特征、裝置、步驟或組件的存在，但是并不排除一個或多個其他特征、裝置、步驟或組件或 其集合的存在或增加。而且，出現(xiàn)在權(quán)利要求中的元素前面的用語“一個”和“一種”并不 排除多個所述元素的存在。而且，任何附圖標記都不意圖限制權(quán)利要求的范圍?？梢越柚?硬件和軟件兩者實施本發(fā)明，可以由硬件的同一項目代表若干個“裝置”。最后，本發(fā)明的特 征，無論是單獨出現(xiàn)或組合出現(xiàn)，也都能夠組合在一起或者相互分離，使得能夠容易地設(shè)想 本發(fā)明的許多種變化和應(yīng)用。
權(quán)利要求
一種激光器系統(tǒng)，其包括激光光源、激光器腔體以及波長分辨結(jié)構(gòu)，所述波長分辨結(jié)構(gòu)用于接收來自所述激光光源的輸入并且產(chǎn)生激光輸出，所述系統(tǒng)進一步包括以下裝置，所述裝置用于選擇性地改變所述輸入在所述波長分辨結(jié)構(gòu)上的入射角，從而導(dǎo)致所述激光器腔體的長度和所述激光輸出的頻率發(fā)生同步的相應(yīng)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述波長分辨結(jié)構(gòu)包括標準具結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于選擇性地改變所述輸入在所 述標準具結(jié)構(gòu)上的入射角的裝置包括光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置與所述標準具結(jié)構(gòu)分開，用 于在所述輸入入射到所述標準具結(jié)構(gòu)之前選擇性地改變所述輸入的光程。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于選擇性地改變所述激光輸入 在所述標準具結(jié)構(gòu)上的入射角的裝置包括用于相對于所述激光輸入調(diào)節(jié)所述標準具結(jié)構(gòu) 的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述標準具結(jié)構(gòu)包括第一基底和第二基 底，在所述第一基底和第二基底上設(shè)置有第一部分透射鏡和第二部分透射鏡，所述第一部 分透射鏡和第二部分透射鏡彼此相互平行并且在其間具有空間，所述第一基底和第二基底 配置成使得相對于所述激光輸入選擇性地調(diào)節(jié)所述第一基底和第二基底導(dǎo)致所述輸入在 所述第一部分透射鏡上的入射角發(fā)生變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于選擇性地改變所述輸入在 所述標準具結(jié)構(gòu)上的入射角的裝置包括用于相對于所述激光輸入機械地調(diào)節(jié)所述標準具 結(jié)構(gòu)的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述第一基底和第二基底是透射的，并且 所述標準具結(jié)構(gòu)配置成起到有效的堅固剪力板的作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于選擇性地改變所 述輸入在所述標準具結(jié)構(gòu)上的入射角的裝置包括用于相對于所述激光輸入旋轉(zhuǎn)所述標準 具結(jié)構(gòu)的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于相對于所述激光輸入旋轉(zhuǎn)所 述標準具結(jié)構(gòu)的裝置布置成圍繞軸線選擇性地旋轉(zhuǎn)所述標準具結(jié)構(gòu)，所述軸線橫切于所述 系統(tǒng)的光程。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述第一基底具有輸入表 面，所述第二基底具有輸出表面，所述輸入表面和輸出表面基本上相互平行并且不與所述 第一部分透射鏡和第二部分透射鏡平行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述第一基底和第二基底包括匹配的 透射楔。
12.根據(jù)權(quán)利要求4至11中任一項所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述第一部分透射鏡和第 二部分透射鏡之間的所述空間填充有以下材料，所述材料具有不同于所述第一基底和第二 基底的折射率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光器系統(tǒng)，其中，在所述空間中的所述材料的所述折射 率小于所述第一基底和第二基底的折射率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述空間填充有空氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述空間是密封的。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的激光器系統(tǒng)，其進一步包括濾光片，用于將來自 所述激光光源的所述輸入的光譜限制到預(yù)定的調(diào)諧范圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定的調(diào)諧范圍基本上等于所述 標準具結(jié)構(gòu)的自由光譜范圍(FSR)。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的激光器系統(tǒng)，其進一步包括用于監(jiān)控所述激光 輸入在所述標準具結(jié)構(gòu)上的所述入射角的選擇性變化的監(jiān)控裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述監(jiān)控裝置產(chǎn)生代表所述激光輸入 在所述標準具結(jié)構(gòu)上的所述入射角和/或所述入射角的變化的信號，所述信號被輸入到用 于控制所述入射角的變化的控制裝置中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述的用于選擇性地改變所述激光輸 入在所述標準具結(jié)構(gòu)上的所述入射角的裝置包括用于相對于所述激光輸入調(diào)節(jié)所述標準 具結(jié)構(gòu)的裝置，并且所述監(jiān)控裝置包括用于測量對所述標準具結(jié)構(gòu)的所述相對調(diào)節(jié)的測量直o
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可調(diào)諧的窄線寬激光器，其中，使用可調(diào)節(jié)的標準具結(jié)構(gòu)(20)來同步地調(diào)諧激光傳輸波長和激光器腔體的長度。標準具結(jié)構(gòu)(20)是有效的、相對較厚的剪力板，其由匹配的楔形透明基底(24a，24b)和一對平行的、其間具有空間的部分透射鏡(22a，22b)組成。相對于激光輸入來旋轉(zhuǎn)標準具結(jié)構(gòu)(20)導(dǎo)致入射到第一基底(24a)上的入射角和標準具角度發(fā)生變化，由此導(dǎo)致激光波長和外部激光器腔體的長度發(fā)生變化。因此，實現(xiàn)了可靠的頻率調(diào)諧，而不發(fā)生模跳躍。使用以下更為一般性的構(gòu)思來定義本發(fā)明，即，通過選擇性地改變激光輸入在波長分辨結(jié)構(gòu)上的入射角能夠同步地改變波長和激光器腔體長度，從而消除頻率調(diào)諧期間的模跳躍，所述波長分辨結(jié)構(gòu)例如是標準具結(jié)構(gòu)，其定位在激光器體系的光程中。
文檔編號G02B26/00GK101896849SQ200880120808
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者奈杰爾·科普納, 納伊拉·埃爾達赫達赫 申請人:瑞尼斯豪公司