專利名稱：根據(jù)增益介質(zhì)兩端的電壓對激光器損耗的估計(jì)和調(diào)節(jié)的制作方法
背景技術(shù)：
光通信系統(tǒng)對增大的帶寬需求，導(dǎo)致了對越來越復(fù)雜的激光器的使用以在單根纖維中通過多個(gè)獨(dú)立的并行的數(shù)據(jù)流進(jìn)行信號(hào)傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)流被調(diào)制到相應(yīng)的在特定信道波長上運(yùn)行的發(fā)射激光器上的輸出光束上，并且從激光器的被調(diào)制的輸出被結(jié)合至單根光纖中，以其各自的信道中進(jìn)行傳輸。國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)現(xiàn)在要求約0.4納米或約50GHz的信道間隔。這種信道間隔允許單根光纖在當(dāng)前可用的光纖和光纖放大器的帶寬范圍內(nèi)承載多達(dá)128個(gè)信道。光纖技術(shù)的提高以及對更大帶寬一直在增長的需求，在將來可能會(huì)導(dǎo)致更小的信道間隔，并對激光發(fā)射器件提出了更高的精確度要求。
為了在電信傳輸器激光器中使光學(xué)傳輸功率最大化并保持波長的穩(wěn)定，在發(fā)生器制造、組裝和操作的過程中采取了若干措施，以使與激光器操作相關(guān)的光學(xué)損耗最小化。一般采用兩種方法來表征光學(xué)損耗測量激光器的輸出功率；以及測量激光器閾值電流。例如，在外腔二極管激光器中，利用末端鏡來將光導(dǎo)向或反饋到增益介質(zhì)中。如果末端鏡傾斜或沒有被正確地調(diào)節(jié)，則發(fā)生反饋到腔中的光的量的損耗。一旦末端鏡被調(diào)節(jié)至損耗最小值，則在制造時(shí)鏡可以被固定在位?；蛘?，在操作過程中與末端鏡的傾斜相關(guān)的損耗可以被監(jiān)測并被持續(xù)地進(jìn)行最小化。對Bragg柵格的周期的調(diào)節(jié)是一個(gè)實(shí)例，其中，所述Bragg柵格將光反饋到DFB(分布反饋)激光器的增益部分中。
當(dāng)被用于確定損耗最小值時(shí)，光學(xué)功率測量和閾值測量都具有若干缺點(diǎn)。在測量光學(xué)功率中，損耗最小值不必與輸出功率最大值相對應(yīng)。假設(shè)在整個(gè)增益介質(zhì)中損耗不是理想分布的，例如，當(dāng)損耗發(fā)生在增益介質(zhì)的外部時(shí)，則激光器將改變其內(nèi)部的功率分布，以向損耗派送更多的功率。損耗的增大可以導(dǎo)致通過激光器的輸出所測量的功率根據(jù)具體的環(huán)境，增大、保持不變或減小。描述輸出功率和腔損耗的方程甚至是數(shù)值解也很難以被解出，使得輸出功率不能可靠地作為與具體的損耗元件的對準(zhǔn)相關(guān)的內(nèi)腔損耗的指示器。激勵(lì)增益介質(zhì)的全部功率是相關(guān)的腔損耗的相對可靠的指示器，但此數(shù)量難以測量。
測量激光器的閾值電流來確定損耗最小值也具有許多缺點(diǎn)。測量激光器的閾值電流的優(yōu)點(diǎn)是激光器的閾值電流最小值對應(yīng)于腔損耗的最小值。激光器閾值電流名義上通過如下的操作來確定，即通過調(diào)節(jié)注入到增益區(qū)的電流以確定第一次觀察到激光閾值的電流。一個(gè)主要的缺點(diǎn)是不斷變化注入電流改變了增益介質(zhì)的光路長度或厚度，因?yàn)樵鲆娼橘|(zhì)的溫度(以及因此其尺寸)連同其它的作用發(fā)生改變。光路長度的變化改變了激光器的操作的波長，并且當(dāng)損耗必須在腔內(nèi)隨其它的依賴于波長的損耗一起被最小化時(shí)，或當(dāng)損耗必須在一個(gè)特定的操作頻率被最小化時(shí)，激光器閾值難以或不可能測量。此外，激光器閾值不可能被用來最小化在高功率和高電流或恒定功率或恒定電流上的損耗，因?yàn)樗窃诎l(fā)射激光的行為被第一次觀察到時(shí)所測量的。
因?yàn)樾枰獜?fù)雜性日益增大的發(fā)射器激光器來滿足增大的帶寬需求，將需要用于損耗估計(jì)的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，以及用于校正在制造后和組裝后發(fā)生的損耗以及與激光器的操作相關(guān)的損耗的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法用于通過監(jiān)測增益區(qū)兩端的電壓，探測和估計(jì)與利用半導(dǎo)體增益介質(zhì)的激光器相關(guān)的光學(xué)損耗特性。本發(fā)明還提供激光器操作的方法，其中，通過監(jiān)測增益區(qū)兩端的電壓確定內(nèi)腔損耗；用于在激光器操作過程中調(diào)節(jié)內(nèi)腔損耗元件以最優(yōu)化與各種損耗元件相關(guān)的損耗特性的方法；以及用于波長的穩(wěn)定性和外腔激光器的控制的方法。本發(fā)明利用這樣的事實(shí)，即在激光器的操作過程中，由增益區(qū)兩端的電壓可以精確地探測到自增益區(qū)的外部的損耗元件至增益區(qū)之中的光學(xué)反饋。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施是一種用于控制或操作激光腔的方法，包括監(jiān)測沿光路發(fā)射相干光束的增益區(qū)的兩端的電壓，以及根據(jù)所監(jiān)測到的電壓確定與激光腔相關(guān)的光學(xué)損耗。所述方法還包括根據(jù)所監(jiān)測到的增益介質(zhì)兩端的電壓，調(diào)節(jié)所述激光器的損耗特性。損耗特性的調(diào)節(jié)可以包括調(diào)節(jié)置于激光腔的光路中的損耗元件的位置或其它的性能。激光器可以是外腔激光器，且損耗元件可以包括例如置于半導(dǎo)體增益介質(zhì)外部的可調(diào)諧濾波器或末端鏡。可以有多個(gè)諸如柵格生成器、信道選擇器、準(zhǔn)直光學(xué)器件、偏振光學(xué)器件和其它光學(xué)器件之類的附加的損耗元件存在于光路中，或用其它方式與外腔相關(guān)，且根據(jù)所監(jiān)測到的增益介質(zhì)兩端的電壓，可以估計(jì)與這樣的元件中的每一個(gè)相關(guān)的損耗，可以進(jìn)行對這樣的元件中的每一個(gè)的調(diào)節(jié)。
在某些實(shí)施例中，可以通過將頻率調(diào)制或高頻振動(dòng)引入至損耗元件來實(shí)現(xiàn)損耗特性的估計(jì)和損耗元件的調(diào)節(jié)，其中，可以在所監(jiān)測的電壓中探測所述的頻率調(diào)制或高頻振動(dòng)。指示頻率高頻振動(dòng)的傳播特性的誤差信號(hào)以及與損耗元件相關(guān)的損耗特性可以從所監(jiān)測的電壓中得到，并被用來調(diào)節(jié)損耗元件以控制激光腔的損耗特性。當(dāng)存在多個(gè)損耗元件時(shí)，可以將獨(dú)立的頻率高頻振動(dòng)引入每一個(gè)損耗元件，以提供指示與每一個(gè)損耗元件相關(guān)的損耗特性的相應(yīng)的誤差信號(hào)。可以依次進(jìn)行將頻率高頻振動(dòng)引入每一個(gè)損耗元件的操作，以及對每一個(gè)損耗元件的調(diào)節(jié)的操作?；蛘?，可以同時(shí)將不同的非干涉的頻率高頻振動(dòng)引入損耗元件中的每一個(gè)，使得可以在所監(jiān)測的增益介質(zhì)兩端的電壓中探測每一個(gè)頻率高頻振動(dòng)的傳播特性，并使得每一個(gè)損耗元件可以被同時(shí)調(diào)節(jié)以控制外腔的損耗特性。
還可以使用高頻振動(dòng)器，其中，損耗元件在兩個(gè)或更多的位置之間變動(dòng)，并且在每個(gè)位置上測量激光器電壓。然后利用較好的激光器電壓可以設(shè)定名義工作點(diǎn)。這樣，可以通過使每一個(gè)元件的高頻振動(dòng)依次在不同時(shí)間進(jìn)行，最優(yōu)化多個(gè)元件。
可以使用與損耗元件的多個(gè)位置自由度相關(guān)聯(lián)的多個(gè)高頻振動(dòng)元件，使得每一個(gè)高頻振動(dòng)元件產(chǎn)生能夠在所監(jiān)測到的電壓中被探測的頻率高頻振動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)利用從頻率高頻振動(dòng)中得到的誤差信號(hào)，來對損耗元件的多個(gè)位置自由度進(jìn)行位置調(diào)節(jié)?？梢允褂门c多個(gè)損耗元件的相關(guān)聯(lián)的多個(gè)高頻振動(dòng)元件，以允許同時(shí)或依次估計(jì)與跟激光腔相關(guān)的每一個(gè)損耗元件相關(guān)的損耗特性，以及允許同時(shí)或依次對每一個(gè)損耗元件的相應(yīng)的調(diào)節(jié)以控制激光腔的損耗特性。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是外腔激光器裝置，包括沿光路發(fā)射相干光束的增益介質(zhì)；置于所述光路中的末端鏡，使得末端鏡和增益介質(zhì)的后平面限定出外腔；以及電壓傳感器，所述電壓傳感器被可操作耦合到增益介質(zhì)，并被設(shè)置來監(jiān)測增益介質(zhì)兩端的電壓。所監(jiān)測到的增益介質(zhì)兩端的電壓指示與外腔相關(guān)的光學(xué)損耗，并可以用來控制外腔損耗特性。外腔激光器還包括可操作耦合到電壓傳感器和外腔的光路中的一個(gè)或多個(gè)損耗元件上的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被設(shè)置來根據(jù)所監(jiān)測到的增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)節(jié)損耗元件。


圖1是示出了監(jiān)測增益介質(zhì)兩端的電壓來探測與外腔中的所選定的損耗元件相關(guān)的損耗的外腔激光器裝置的示意圖。
圖2A-2C是對于選定的波長柵格中的信道，對于信道選擇器、柵格標(biāo)準(zhǔn)具和外腔的圖1中的外腔激光器的通帶特性的圖示說明。
圖3A-3C是對于波長柵格中的多個(gè)信道，對于圖1中的外腔激光器的調(diào)諧的增益響應(yīng)的圖示說明。
圖4A-4C是外腔激光器裝置的示意圖，其中利用監(jiān)測增益介質(zhì)兩端的電壓，以估計(jì)與末端鏡定位相關(guān)的光學(xué)損耗，并且根據(jù)從所監(jiān)測到的增益介質(zhì)兩端的電壓中得到的誤差信號(hào)，對此損耗進(jìn)行補(bǔ)償。
圖5A-5B是用于圖4A-4C的外腔激光器的控制系統(tǒng)的功能框圖。
圖6是從損耗元件的頻率高頻振動(dòng)中得到的誤差信號(hào)的圖示說明。
圖7是外腔激光器裝置的示意圖，所述外腔激光器裝置利用多個(gè)高頻振動(dòng)元件來將頻率調(diào)制引入多個(gè)損耗元件之中，而以增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)制探測損耗特性。
圖8是與損耗元件的多個(gè)位置自由度相關(guān)的多個(gè)高頻振動(dòng)元件的使用的示意圖。
圖9是利用通過對增益介質(zhì)兩端的電壓的監(jiān)測來估計(jì)腔損耗的分布式Bragg反射器(DBR)激光器裝置的示意圖。
圖10是示出了外腔激光器的操作方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
更具體地參照附圖，為了說明的目的，在圖1至圖10所示出的裝置和方法中體現(xiàn)了本發(fā)明。在此所公開的是這樣的系統(tǒng)和方法，其中該系統(tǒng)和方法通過監(jiān)測激光器的激光增益區(qū)或介質(zhì)兩端的電壓，估計(jì)與激光腔相關(guān)的損耗，并控制激光腔的損耗特性。應(yīng)該理解，在不偏離如在此所公開的基本思想的情況下，裝置在結(jié)構(gòu)和部件的細(xì)節(jié)上可以變化，且方法在細(xì)節(jié)和事件的順序上可以變化。本發(fā)明主要以用于外腔激光器的形式進(jìn)行了公開。但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言很顯然，本發(fā)明可以用于任何具有半導(dǎo)體增益介質(zhì)或區(qū)的激光裝置或系統(tǒng)是很明顯的。還應(yīng)該理解，在此所使用的術(shù)語只是為了描述具體實(shí)施例的目的，而不是想要進(jìn)行限制。
本發(fā)明利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即二極管激光增益區(qū)兩端的電壓是有源區(qū)載流子密度的函數(shù)。二極管激光器兩端的電壓可以由式(1)描述V＝IRs+Vd(1)其中，I是驅(qū)動(dòng)或泵浦電流，Rs是串聯(lián)電阻，Vd是二極管電壓。在使用恒定電流源的情況下，IRs的值可以看成是常數(shù)。二極管電壓Vd等于準(zhǔn)費(fèi)米能級差Efc-Efv，其由二極管激光增益介質(zhì)中的載流子密度決定。
對于二極管增益介質(zhì)的導(dǎo)帶，多余電子密度N由式(2)給出N=2∫Ec∞ρ(E-Ec)fc(E)dE---(2)]]>其中，ρ是狀態(tài)密度，Ec是有源介質(zhì)的導(dǎo)帶的最低能級，fc(E)是準(zhǔn)費(fèi)米分布。準(zhǔn)費(fèi)米分布可以由式(3)表示
fC(E)=11+exp[(E-EfC)/KBT]---(3)]]>其中，Efc是準(zhǔn)費(fèi)米能級，KB是Boltzmann常數(shù)。
根據(jù)上述的式(2)和式(3)，越高的電子濃度N對應(yīng)于越高的準(zhǔn)費(fèi)米能級Efc。此外，為了對二極管激光器閾值電流Ith之上的電流進(jìn)行良好的近似，電子密度N被固定或“鉗制”在其閾值Nth。類似的，在價(jià)帶中，越高的空穴濃度P(中性條件要求P＝N)對應(yīng)于越低的價(jià)帶中的準(zhǔn)費(fèi)米能級Efv。
當(dāng)如下所述的在激光腔中操作二極管激光增益區(qū)時(shí)，閾值電子密度值Nth將由總的腔損耗確定。因?yàn)槎O管電壓Vd服從關(guān)系式Vd＝Efc-Efv，所以最小腔損耗將對應(yīng)于最小電子密度閾值Nth并因而對應(yīng)于最小二極管電壓Vd。因此，二極管激光增益介質(zhì)兩端的電壓反映了與腔相關(guān)的損耗。
在考慮了上述內(nèi)容的情況下，現(xiàn)在參考圖1，其中示出了被設(shè)計(jì)來用于監(jiān)測增益區(qū)兩端的電壓的外腔激光器裝置10。裝置10包括增益介質(zhì)12和末端或外部反射元件14。增益介質(zhì)12可以包含傳統(tǒng)的Fabry-Perot二極管發(fā)射器芯片并具有覆蓋有防反射(AR，anti-reflection)涂層的前平面16和部分反射的后平面18。輸出平面18和末端鏡14限定出裝置10的激光腔。增益介質(zhì)12從前平面16發(fā)射相干光束，該相干光束由透鏡20進(jìn)行準(zhǔn)直以限定出與外腔的光軸共線的光路22。或者，輸出平面16可以包含“角度平面”。傳統(tǒng)的輸出耦合光學(xué)器件(沒有示出)與后平面18相連，以便將外腔激光器10的輸出耦合至光纖(也沒有示出)之中。
由于外腔之中的末端鏡14或其它損耗元件(如下所述)，各種損耗或損耗特性將與外腔相關(guān)。通過監(jiān)測增益介質(zhì)12兩端的電壓可以探測或估計(jì)這些外腔損耗。根據(jù)這一點(diǎn)，第一和第二電極24、26被置于增益介質(zhì)12附近并可操作耦合到增益介質(zhì)12。第一電極24通過導(dǎo)體28被可操作耦合到驅(qū)動(dòng)電流源(沒有示出)，第二電極通過導(dǎo)體30接地。電壓傳感器32被可操作耦合到導(dǎo)體28并被設(shè)置來測量或監(jiān)測在外腔激光器10的操作過程中增益介質(zhì)12兩端的電壓?；蛘撸梢詫㈦妷簜鞲衅?2耦合到或者是電極24、26，或者是導(dǎo)體30上。因?yàn)榭梢匀菀椎厍腋呔鹊靥綔y增益介質(zhì)兩端的電壓，所以電壓傳感器32不需要緊緊地鄰近增益介質(zhì)，且可以在遠(yuǎn)離增益介質(zhì)12的某一點(diǎn)與導(dǎo)體28或30相連。
由末端鏡14所反射的光沿著光路被反饋到增益區(qū)12中。由于相對于腔光軸的角度對準(zhǔn)不良所引起的與末端鏡14相關(guān)的損耗改變了至增益介質(zhì)12之中的光學(xué)反饋，而這可以由于增益介質(zhì)12兩端的電壓的變化而通過電壓傳感器探測?？梢詮脑谠鲆娼橘|(zhì)12兩端所測量到的電壓得到誤差信號(hào)，以校正或用其它方式調(diào)節(jié)由末端鏡14或與外腔相關(guān)的其它損耗元件所引起的與外腔相關(guān)的損耗特性。與外腔相關(guān)的其它損耗元件可以包括柵格發(fā)生器元件和信道選擇器元件，所述柵格發(fā)生器元件和信道選擇器元件分別在圖1中示為置于增益介質(zhì)12和末端鏡14之間的光路22中的柵格標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)34和信道選擇器36。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34一般在光路22中被置于楔形標(biāo)準(zhǔn)具36之前，且具有平行反射面38、40。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34起到干涉濾波器的作用，且柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的折射率和由面38、40的間距限定出的柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的光學(xué)厚度導(dǎo)致在通信波段之中與所選波長柵格的中心波長相一致的波長上的多個(gè)最小值，其中所述柵格可以包括例如ITU柵格。或者，可以選擇其它波長的柵格。因此，柵格標(biāo)準(zhǔn)具34具有對應(yīng)于ITU柵格或其它所選擇柵格的柵格線之間的間距的自由頻譜范圍(FSR)，且柵格標(biāo)準(zhǔn)具34因此起到以所述波長柵格的每一個(gè)柵格線為中心提供多個(gè)通帶的作用。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34具有抑制波長柵格的每個(gè)信道的之間的外腔激光器的相鄰模式的精細(xì)度(半高全寬或FWHM除以自由頻譜范圍)。
柵格標(biāo)準(zhǔn)具34可以是固體、液體或氣體隔開的平行板標(biāo)準(zhǔn)具，并可以通過確定面38、40之間的光學(xué)厚度的精確尺寸進(jìn)行調(diào)諧，其中通過溫度控制由熱膨脹和收縮來確定面38、40之間的光學(xué)厚度的精確尺寸?；蛘撸梢酝ㄟ^傾斜來改變面38、40之間的光學(xué)厚度或通過對電光標(biāo)準(zhǔn)具材料施加電場來對柵格標(biāo)準(zhǔn)具34進(jìn)行調(diào)諧。各種其它柵格生成元件對本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，并可以用來代替柵格標(biāo)準(zhǔn)具34。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34可以是熱控制的，以防止在外腔激光器10的操作過程由于熱波動(dòng)可能引起的所選柵格的偏差?；蛘撸瑬鸥駱?biāo)準(zhǔn)具34可以是在激光器操作過程中主動(dòng)調(diào)諧的，就如在標(biāo)題為“External Cavity Laser with Continuous Tuningof Grid Generator(可對柵格生成器進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧的外腔激光器)”，發(fā)明人為Andrew Daiber，同此一起遞交并在此作為參考文獻(xiàn)被全文引用的美國專利申請Ser.No.09/900,474中所描述的。
當(dāng)激光器所正在發(fā)射的激光的波長偏離柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的透射峰時(shí)，引起了光學(xué)損耗。這些損耗特性可以在增益介質(zhì)12兩端所監(jiān)測的電壓中探測出來。從電壓所得到的誤差信號(hào)可以因此用來調(diào)節(jié)腔的長度和所發(fā)射的激光的波長，直至波長對應(yīng)于柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的透射光譜的局部最大值?？梢酝ㄟ^沿著由光束22所限定的光軸移動(dòng)末端鏡14，通過加熱和使增益區(qū)12的光路長度熱膨脹，或通過其它過程來改變腔的長度。當(dāng)將末端鏡14從被認(rèn)為是正確的工作點(diǎn)移動(dòng)或高頻振動(dòng)了一個(gè)小的正位移或負(fù)位移時(shí)，可以通過測量由電壓傳感器32檢測的電壓來產(chǎn)生誤差信號(hào)。如果電壓傳感器32在若干偏離的位置中的一個(gè)位置檢測到增益區(qū)12兩端的一個(gè)更小的電壓，則可以將末端鏡14的名義工作點(diǎn)向所述對應(yīng)的偏離點(diǎn)移動(dòng)?；蛘?，可以在一個(gè)高頻振動(dòng)頻率(dither frequency)上持續(xù)進(jìn)行末端鏡14的高頻振動(dòng)，利用鎖定放大器(沒有示出)來探測由傳感器32所觀察的與所述高頻振動(dòng)頻率同步的電壓信號(hào)。此同步的電壓信號(hào)構(gòu)成一個(gè)誤差信號(hào)，且可以使用PID控制器(沒有示出)來重新定位末端鏡14并使誤差信號(hào)達(dá)到零。
信道選擇器36被示為具有面或表面42、44的楔形標(biāo)準(zhǔn)具。通過將表面42、44延伸到光束照射這些的表面之處的以外的區(qū)域，并通過使這些表面之間的間隔逐漸變細(xì)而形成錐度，以致所述的錐度足夠的小而使表面42、44在激光束所穿過的范圍中的厚度變化是可忽略和容忍的，并且以致所述的錐度足夠的大而使穿過光束的濾波器的宏觀運(yùn)動(dòng)引起沿著光束的表面42和44之間的距離的微觀變化，可以沿著激光器的軸，以小于或等于工作波長的量精細(xì)地改變表面42和44之間的間距。表面42和44之間的空間可以是氣體填充的、液體填充的或用固定填充。通過熱膨脹固定標(biāo)準(zhǔn)具，通過熱膨脹、壓電膨脹或微機(jī)械膨脹氣體或液體標(biāo)準(zhǔn)具的所述間距，通過傾斜氣體、固體或液體標(biāo)準(zhǔn)具，通過改變氣體標(biāo)準(zhǔn)具的壓強(qiáng)，通過使用電光材料作為間隔材料并利用所施加的電場來改變折射率，通過在間隔層中使用非線性光學(xué)材料并利用第二光束來引起路徑長度的變化，或通過任何其它的適合于波長調(diào)諧的系統(tǒng)或方法，可以改變表面42和44之間的間距。
如圖1所示的楔形標(biāo)準(zhǔn)具信道選擇器僅僅是一種可以根據(jù)本發(fā)明用于外腔激光器中的可調(diào)諧元件。各種其它類型的信道選擇器可以用于本發(fā)明。在美國專利No.6,108,355中描述了對用于信道選擇的空氣間隙楔形標(biāo)準(zhǔn)具的使用，其中，所述“楔形”是由鄰近的襯底所限定的逐漸變細(xì)的空氣間隙。在發(fā)明人為Andrew Daiber，并于2001年3月21日遞交的美國專利申請Ser.No.09/814,646中描述了使用可樞軸調(diào)節(jié)柵格器件作為通過柵格角度調(diào)節(jié)來進(jìn)行調(diào)諧的信道選擇器，以及描述了在外腔激光器中的通過選擇性地施加電壓來進(jìn)行調(diào)諧的電光可調(diào)諧信道選擇器的使用。在美國專利申請Ser.No.09/814,646和在標(biāo)題為“Graded Thin Film WedgeInterference Filter and Method of Use for Laser Tuning(漸變薄膜楔形干涉過濾器及其用于激光調(diào)諧的方法)”，發(fā)明人為Hopkins等，同此一起遞交的美國專利申請Ser.No.09/900,412中描述了使用平移調(diào)諧漸變薄膜干涉濾波器作為信道選擇器。前面提及的公開作為參考文獻(xiàn)在此被全文引用。在一些實(shí)例中，外腔激光器10的各種光學(xué)部件之間的距離、相對尺寸和形狀為了清楚的目的而進(jìn)行了夸張，并不必按比例示出。外腔激光器10可以包括另外的損耗元件(沒有示出)，諸如被設(shè)置來去除于外腔激光器10的各種部件相關(guān)的偽反饋的偏振光學(xué)器件以及聚焦和準(zhǔn)直部件。柵格發(fā)生器34和信道選擇器36可以不同于圖1中所示的。
信道選擇器36限定多個(gè)比柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的通帶更寬的通帶，而信道選擇器36的更寬的通帶具有基本對應(yīng)于和大于由柵格標(biāo)準(zhǔn)具34所限定的最大波長信道和最小波長信道之間的間隔的周期。換句話說，信道選擇器36的自由頻譜范圍超出了由柵格標(biāo)準(zhǔn)具34所限定的波長柵格的全波長范圍。信道選擇器36具有抑制在鄰近特定的選定信道的信道進(jìn)行激光發(fā)射的精細(xì)度。
信道選擇器36被用于通過改變信道選擇器36的面42、44之間的光學(xué)厚度在多個(gè)通信信道之間進(jìn)行選擇。這通過沿著x軸移動(dòng)或驅(qū)動(dòng)信道選擇器36來實(shí)現(xiàn)，其中所述的x軸平行于信道選擇器36的錐度的方向并垂直于外腔激光器10的光軸和光路22。由信道選擇器36所限定的通帶中的每一個(gè)支持一個(gè)可選的信道，并且隨著所述楔形標(biāo)準(zhǔn)具在光路22之中前進(jìn)或移動(dòng)，沿光路22傳播的光束穿過信道選擇器36的不斷增厚的部分，其支持彼此相對的面42、44之間在更大波長信道的相長干涉。隨著信道選擇器36被從光路22回撤，光束將遇到信道選擇器36的不斷變薄的部分，并使通帶面臨支持相應(yīng)更短波長信道的光路22。如上面所說明的，信道選擇器36的自由頻譜范圍對應(yīng)于柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的全波長范圍，使得整個(gè)波長柵格在通信波段之中可以調(diào)諧出單個(gè)損耗最小值。從柵格標(biāo)準(zhǔn)具34和信道選擇器36至增益介質(zhì)12的結(jié)合反饋支持在所選的信道的中心波長發(fā)射激光。在整個(gè)調(diào)諧范圍中，信道選擇器36的自由頻譜范圍比柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的更寬。
通過包含驅(qū)動(dòng)元件46的調(diào)諧組件對信道選擇器36進(jìn)行定位調(diào)諧，其中，構(gòu)造和設(shè)計(jì)所述的驅(qū)動(dòng)元件46以可調(diào)節(jié)定位或通過其它的方式調(diào)諧信道選擇器36來選擇信道。例如，驅(qū)動(dòng)元件46可以包含用于信道選擇器36的精確移動(dòng)的步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)以及適當(dāng)?shù)挠布??；蛘?，?qū)動(dòng)元件46可以包含各種類型的致動(dòng)器，包括但不限于DC伺服電動(dòng)機(jī)、螺線管、音圈致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器、超聲驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶器件以及類似的線性致動(dòng)器。如果將不同于楔形標(biāo)準(zhǔn)具的其它類型的信道選擇器用于本發(fā)明，則將相應(yīng)地設(shè)置波長調(diào)諧器驅(qū)動(dòng)器46以對信道選擇器進(jìn)行調(diào)諧?？梢允褂门c楔形標(biāo)準(zhǔn)具36以及波長調(diào)諧器驅(qū)動(dòng)器46相關(guān)聯(lián)的線性譯碼器50，以確保通過驅(qū)動(dòng)器46正確定位楔形標(biāo)準(zhǔn)具36?？梢允褂帽O(jiān)測工作波長的粗分光計(jì)來確保通過驅(qū)動(dòng)器46正確定位楔形標(biāo)準(zhǔn)具36或確保通過其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器正確定位信道選擇器的可選實(shí)施例。當(dāng)沿著光路22的光束的波長與在沿著光路22的光束與信道選擇器36相交的位置處的信道選擇器36的最大透射波長不相對應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生與信道選擇器36相關(guān)的光學(xué)損耗。假設(shè)在先前已經(jīng)被調(diào)節(jié)到柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的透射最大值的波長是正確的，并假設(shè)信道選擇器存在誤差。可以通過改變反射表面42、44之間的間隔來改變信道選擇器36的最大透射的波長?？梢酝ㄟ^使用具有表面42和44的信道選擇器36，并通過利用驅(qū)動(dòng)器46移動(dòng)信道選擇器36改變所述間隔直至表面42、44之間的正確間距出現(xiàn)在光束穿過信道選擇器36的位置，其中，所述的表面42和44沿其長度具有不同的間距。
可用于確定如何移動(dòng)信道選擇器36的信號(hào)可以通過如下的操作得到，即通過將信道選擇器36的位置高頻振動(dòng)至名義工作點(diǎn)的任意一側(cè)以將頻率調(diào)制引入至信道選擇器36，并通過測量增益區(qū)兩端的電壓調(diào)制以生成誤差信號(hào)。如果對于偏向名義工作點(diǎn)的任意一側(cè)的電壓低于名義工作點(diǎn)的，則在改進(jìn)點(diǎn)的方向上重新設(shè)置名義工作點(diǎn)?；蛘?，可以調(diào)和地高頻振動(dòng)信道選擇器36，并且從在高頻振動(dòng)頻率觀察到的AC激光電壓信號(hào)得到誤差信號(hào)?？梢酝ㄟ^使用與所述的用于信道選擇器36的技術(shù)相類似的技術(shù)高頻振動(dòng)其反射表面的有效間隔，來調(diào)節(jié)信道選擇器36的其它設(shè)計(jì)。在下面將進(jìn)一步討論使用高頻振動(dòng)元件來向信道選擇器36或其它光學(xué)部件提供頻率調(diào)制。在下面將進(jìn)一步討論使用高頻振動(dòng)元件來向腔損耗元件引入頻率調(diào)制。
驅(qū)動(dòng)元件46被可操作耦合到控制器48，所述控制器48通過驅(qū)動(dòng)元件46控制信道選擇器36的定位。可以根據(jù)如上所述從信道選擇器36的頻率調(diào)制和增益介質(zhì)12兩端所監(jiān)測到的電壓得到的誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)信道選擇器36的控制?；蛘?，或另外，控制器48可以使用對應(yīng)于可選擇信道波長的所存儲(chǔ)的用于信道選擇器36的位置信息查詢表?？刂破?8可以在驅(qū)動(dòng)元件46的內(nèi)部或外部，并分擔(dān)用于信道選擇器36以及末端鏡14和/或外腔激光器10中其它部件或損耗元件的定位和飼服功能。線性譯碼器50可以與信道選擇器36和驅(qū)動(dòng)元件46結(jié)合使用，以確保通過驅(qū)動(dòng)器46正確定位信道選擇器36。
信道選擇器36在其末端可以包括不透明區(qū)52、54，其中，所述不透明區(qū)52、54是可光學(xué)探測的，并在已經(jīng)將信道選擇器36定位調(diào)諧至超出其最大或最小波長時(shí)，該不透明區(qū)52、54起到檢驗(yàn)信道選擇器36的定位的作用。不透明區(qū)52、54提供可以用于信道選擇器36的定位調(diào)諧的附加譯碼器機(jī)構(gòu)。當(dāng)楔形標(biāo)準(zhǔn)具36被移動(dòng)至這樣一個(gè)位置上以致不透明區(qū)52、54中的一個(gè)進(jìn)入到光路22中時(shí)，不透明區(qū)52、54將阻擋或衰減沿光路的光束。如下面所進(jìn)一步描述的，此光的衰減是可探測的。這些不透明區(qū)可以作為“原位”和“太遠(yuǎn)”信號(hào)使用。原位信號(hào)可以用來初始化坐標(biāo)系統(tǒng)，而電動(dòng)機(jī)的位置可以參照此坐標(biāo)系統(tǒng)。通過對步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)已運(yùn)行的步進(jìn)數(shù)或微步進(jìn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并將此信息與步進(jìn)采用的角度以及絲杠的間距相結(jié)合，則可以確定驅(qū)動(dòng)系離開原位的位置?；蛘?，可以將譯碼器固定到驅(qū)動(dòng)系上。原位信號(hào)還可以用于通過提供靠近光學(xué)元件的參照物并定期地搜尋此參照物來補(bǔ)償絲杠的熱膨脹或驅(qū)動(dòng)絲母的機(jī)械磨損。
在圖2A至圖2C中圖示了柵格標(biāo)準(zhǔn)具34、信道選擇器36和由后平面18和末端鏡14所限定出的外腔的通帶的關(guān)系，其中示出了外腔通帶PB1、柵格標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2和楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3。在垂直軸上示出了相對增益，在水平軸上示出了波長。如可以觀察到的，信道選擇器36的自由頻譜范圍(FSR信道選擇器)大于柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的自由頻譜范圍(FSR柵格生成器)，而柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的自由頻譜范圍(FSR柵格生成器)反過來大于外腔的自由頻譜范圍(FSR腔)。外腔的通帶峰PB1與由柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的波長柵格所限定的通帶PB2的中心周期性地對準(zhǔn)。存在來自信道選擇器36的一個(gè)通帶PB3，該通帶PB3延伸覆蓋了波長柵格的全部通帶PB2。在圖2A-2C所示出的具體實(shí)施例中，波長柵格延伸覆蓋了以0.5納米(nm)或62GHz為間隔的64個(gè)信道，其中，最短波長信道在1532mn，最長波長信道在1563.5nm。
柵格標(biāo)準(zhǔn)具34和信道選擇器36的精細(xì)度決定相鄰模式或信道的衰減。如上所說明的，精細(xì)度等于自由頻譜范圍比半高全寬，或精細(xì)度＝RSR/FWHM。在圖2B中示出了柵格標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2在最大值的一半處的寬度，在圖2C中示出了楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3在最大值的一半處的寬度。在外腔中對柵格標(biāo)準(zhǔn)具34和信道選擇器36的這樣的定位提高了邊模式(side mode)的抑制。
在圖3A-3C中圖示了在以1549.5nm為中心的信道和在1550nm處的相鄰信道之間的信道選擇器36的通帶PB3的調(diào)諧，其中，示出了柵格標(biāo)準(zhǔn)具34所產(chǎn)生的信道的選擇和相鄰信道或模式的衰減。為了清晰的目的從圖3A-3C中省略了在圖2A-2C中示出的外腔通帶PB1。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34選擇對應(yīng)于柵格信道間隔的外腔的周期性縱模式而同時(shí)拒絕鄰近模式。信道選擇器36選擇波長柵格中的特定的信道，并拒絕所有其它信道。對于范圍在約正或負(fù)半個(gè)信道間隔的濾波偏移，所選擇的信道或激光發(fā)射模式固定在一個(gè)特定的信道。對于更大的信道偏移，激光發(fā)射模式跳至下一個(gè)相鄰的信道。
在圖3A中，楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3以1549.5nm處的柵格信道為中心。在1549.5nm處的與通帶PB2相關(guān)的相對增益較高，而相對于所選擇的1549.5nm信道，與在1549.0nm和1550.0nm處的相鄰?fù)◣B2相關(guān)的相對增益水平被抑制。在1550.5nm和1548.5nm處的與通帶PB2相關(guān)的增益被進(jìn)一步抑制。短劃線表示沒有被信道選擇器36抑制的通帶PB2的相對增益。
圖3B示出了如在信道切換過程中所出現(xiàn)的處在1549.5nm和1550.0nm處的信道之間的位置上的楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2。在1549.5nm和1550.0nm處的與通帶PB2相關(guān)的相對增益都較高，而兩個(gè)信道都沒有被抑制。相對于1549.5nm和1550.0nm信道，與在1549.0nm和1550.5nm處的通帶PB2相關(guān)的相對增益水平被抑制。短劃線表示沒有被信道選擇器36抑制的通帶PB2的相對增益。
圖3C示出了以1550.0nm處的柵格信道為中心的楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3，在1550.0nm處的與通帶PB2相關(guān)的相對增益較高，而相對于所選擇的1550.5nm信道，與在1549.5nm和1550.5nm處的相鄰?fù)◣B2相關(guān)的相對增益水平被抑制，并且在1551.0nm和1549.0nm處的與通帶PB2相關(guān)的增益被進(jìn)一步抑制。同樣，短劃線表示沒有被信道選擇器36抑制的通帶PB2的相對增益。
從圖2和圖3中可以看出，信道選擇器36、末端鏡14和/或柵格生成器34的非最佳定位或調(diào)諧將導(dǎo)致通帶PB1、PB2和PB3的對準(zhǔn)失誤，并引起外腔激光器10的光學(xué)輸出功率的損耗和邊模式抑制率的降低。通過電壓傳感器32對增益介質(zhì)12兩端的電壓的監(jiān)測允許此外腔損耗特性在激光器工作的過程中被探測或估計(jì)。從所監(jiān)測的電壓得到的誤差信號(hào)則可以被用來在工作過程中調(diào)節(jié)或飼服外腔的損耗特性，使得通過適當(dāng)?shù)闹匦露ㄎ换蛘{(diào)節(jié)末端鏡14、信道選擇器36和/或柵格標(biāo)準(zhǔn)具34使通帶PB1、PB2和PB3實(shí)現(xiàn)相對彼此的最佳對準(zhǔn)，因此提供精確的波長調(diào)諧和穩(wěn)定性。
圖4A說明了外腔激光裝置56的另一個(gè)實(shí)施例，其中相似的參考數(shù)字被用來指代相似的部件。在圖4A的實(shí)施例中，電光激活調(diào)諧元件58被置于末端鏡14之前的光路22中。調(diào)諧元件58通過通信接口62被可操作耦合到控制器60。控制器60通過接口64被可操作耦合到電壓傳感器32。熱電控制器66被耦合到柵格生成器34，控制器60通過通信接口68被可操作耦合到熱電控制器66?？刂破?0還通過導(dǎo)體28被可操作耦合到增益介質(zhì)，其中所述的導(dǎo)體28起到通信接口的作用?？刂破?0通過通信接口70被可操作耦合到驅(qū)動(dòng)元件或組件46。驅(qū)動(dòng)元件46被可操作耦合到信道選擇器36。
如圖4A中所示的電光調(diào)諧元件58以頻率高頻振動(dòng)的形式提供信號(hào)調(diào)制，其通過在光路22中放置元件58被引入外腔激光器56的光路長度中。調(diào)諧元件包含諸如鈮酸鋰或電光液晶材料之類的電光材料的標(biāo)準(zhǔn)具，并具有可電壓調(diào)節(jié)的折射率。作為可選實(shí)施例中，可以將壓電或微機(jī)械調(diào)諧元件固定至末端鏡14，通過末端鏡14的物理位移起到與元件58中的相移相同的功能。例如，信號(hào)調(diào)制可以包括約20KHz的頻率調(diào)制。調(diào)諧元件的電光材料兩端的電壓調(diào)節(jié)改變調(diào)諧元件58的有效光學(xué)厚度，并由此改變橫穿外腔激光器56的外腔(二極管平面18和末端鏡14之間)的整個(gè)光路的長度。因此，電光調(diào)諧元件58既(1)向外腔提供頻率調(diào)制信號(hào)或高頻振動(dòng)，又(2)提供通過施加在調(diào)諧元件58上的電壓來調(diào)諧或調(diào)節(jié)外腔光路長度的機(jī)構(gòu)?；蛘?，電光調(diào)諧元件58可以包含聲光器件、機(jī)械器件或其它能夠?qū)⒖商綔y的頻率高頻振動(dòng)或調(diào)制信號(hào)引入外腔的輸出的器件。
通過由元件58所引入的頻率高頻振動(dòng)的光路長度的調(diào)制在外腔激光器56的輸出功率中產(chǎn)生強(qiáng)度變化，其中，由于從外腔至增益介質(zhì)12之中的光學(xué)回饋，可在所監(jiān)測的增益介質(zhì)12兩端的電壓中探測所述的強(qiáng)度變化。隨著使激光腔模式與由柵格生成器34和信道選擇器36所限定的通帶的中心波長相對準(zhǔn)，此強(qiáng)度變化的幅度和相差將減小。換句話說，當(dāng)如圖2A-2C所示使通帶PB1、PB2和PB3最佳地對準(zhǔn)時(shí)，調(diào)制信號(hào)中的強(qiáng)度變化和相差為最小值或名義上為零。參照圖7，下面將進(jìn)一步描述對于誤差信號(hào)確定的調(diào)制信號(hào)中的強(qiáng)度變化和相差的使用。
在外腔激光器56的工作過程中，來自電壓傳感器32的電壓信號(hào)通過接口被傳送到控制器60?？刂破?0從通過頻率高頻振動(dòng)所引入的調(diào)制中得到誤差信號(hào)，并通過接口62將補(bǔ)償信號(hào)傳送到電光調(diào)諧元件，其中所述的調(diào)諧元件通過改變折射率并由此改變有效光路長度，來調(diào)諧或調(diào)節(jié)穿過電光調(diào)諧元件58的光路長度。
在激光器56的工作過程中，控制器60還通過由接口28傳送的信號(hào)來控制至增益介質(zhì)12的驅(qū)動(dòng)電流，并根據(jù)由接口70發(fā)送的信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)元件46控制信道選擇器36的定位。控制器還可以通過熱電控制器66和由接口68傳送的信號(hào)控制柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的溫度。參照圖5A將在下面更詳細(xì)地描述在實(shí)現(xiàn)上述操作中的控制器60的操作。
圖4B示出了外腔激光器72的另一個(gè)實(shí)施例，其中相似的參考數(shù)字被用來指代相似的部件。在外腔激光器72中，末端鏡14被耦合到調(diào)諧臂72，調(diào)諧臂72用于根據(jù)來自控制器76的指令定位調(diào)節(jié)末端鏡14。調(diào)諧臂72由具有高熱膨脹系數(shù)的諸如鋁或其它金屬或金屬合金之類的材料制成?？刂破?6通過通信接口80被可操作耦合到熱電控制器78。熱電控制器78被耦合到調(diào)諧臂72并被設(shè)置來調(diào)節(jié)臂72的溫度。在此實(shí)施例中，根據(jù)來自控制器76的信號(hào)對調(diào)諧臂72的熱控制(加熱或冷卻)被用來控制末端鏡14的位置和由末端鏡和二極管平面18所限定的外腔的光路長度。
在發(fā)明人為Andrew Daiber，并于2001年3月21日遞交的美國專利申請Ser.No.09/814,646中，以及在標(biāo)題為“Laser Apparatus with ActiveTuning Thermal of Extemal Cavity(對外腔進(jìn)行主動(dòng)熱調(diào)諧的激光器裝置)”，發(fā)明人為Mark Rice，同此同時(shí)遞交的美國專利申請Ser.No.09/900,443中也描述了使用熱控制的調(diào)諧元件來對外腔激光器中的末端鏡和其它光學(xué)部件進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。這些公開在此作為參考文獻(xiàn)被全文引用?；蛘?，還可以根據(jù)從在增益介質(zhì)12兩端所測量的電壓得到的誤差信號(hào)，通過各種其它的調(diào)諧機(jī)構(gòu)對末端鏡14進(jìn)行調(diào)諧或調(diào)節(jié)。例如，末端鏡14可以通過相補(bǔ)償器進(jìn)行調(diào)諧，或通過根據(jù)來自控制器76的指令進(jìn)行操作的步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械定位。
在外腔激光器72的操作中，電光調(diào)諧元件58以上述的方式，將頻率高頻振動(dòng)或調(diào)制引入至外腔的光路長度中。通過電壓傳感器32可在于增益介質(zhì)12兩端所監(jiān)測的電壓中探測頻率調(diào)制，并且如上所述的，頻率調(diào)制包括指示出激光腔模式與通帶的中心波長相對準(zhǔn)的相差和幅度變化，其中所述的通帶的中心波長由柵格生成器34和信道選擇器36所限定?？刂破?6從由頻率高頻振動(dòng)所引入的調(diào)制中得到誤差信號(hào)，并通過接口80將補(bǔ)償信號(hào)傳送至熱電控制器78，其中所述的熱電控制器78相應(yīng)地加熱或冷卻調(diào)諧臂72，以定位末端鏡14并調(diào)節(jié)外腔激光器的光路長度來使誤差信號(hào)為零。控制器76還進(jìn)行如下的控制通過接口28控制至增益介質(zhì)12的驅(qū)動(dòng)電流；通過接口70由驅(qū)動(dòng)元件46控制信道選擇器36的定位；以及通過熱電控制器和由接口68所傳送的信號(hào)控制柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的溫度。參照圖5B將在下面更詳細(xì)地描述在實(shí)現(xiàn)上述操作中的控制器76的操作。
參照圖4C，示出了外腔激光器裝置82的另一個(gè)實(shí)施例，其中相似的參考數(shù)字被用來指代相似的部件。在裝置82中，將末端鏡14形成為直接涂覆在調(diào)諧元件58的電光材料上的反射涂層。因此，末端鏡14和調(diào)諧元件58被結(jié)合成一個(gè)部件。如上所述的，電光調(diào)諧元件58將頻率高頻振動(dòng)或調(diào)制引入至外腔的光路長度中，其中所述頻率高頻振動(dòng)或調(diào)制可在增益介質(zhì)12兩端的電壓中探測，并且被用來得到誤差信號(hào)?？刂破?6通過接口80將相應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)傳送至熱電控制器78，其中所述的熱電控制器78如上所述的根據(jù)定位末端鏡14和調(diào)節(jié)外腔激光器的光路長度來使誤差信號(hào)為零的需要，加熱或冷卻調(diào)諧臂72。在其它方面，所述外腔激光器的操作基本與上述外腔激光器72的操作相同。在裝置82中，調(diào)諧臂74和熱電控制器78可以被省略，可以如上述的圖4A中的外腔激光器裝置56一樣直接通過電光調(diào)諧元件的有效光學(xué)厚度的電壓控制來實(shí)現(xiàn)光路長度的調(diào)節(jié)。
現(xiàn)在參照圖5A和圖5B，在此所示出的是分別用于圖4A和圖4B中的控制器60、76的功能框圖，其中類似的參考數(shù)字用于指示類似的部件。控制器60、76中的每一個(gè)分別包含調(diào)諧電路84、通過導(dǎo)體28可操作耦合至增益介質(zhì)12上的電流/電壓驅(qū)動(dòng)器86、通過接口68可操作耦合至熱電控制器66的柵格控制器88以及通過接口70可操作耦合至驅(qū)動(dòng)元件46的信道控制器90。電流/電壓驅(qū)動(dòng)器86通過接口28控制傳送到增益介質(zhì)12的功率。柵格控制器88通過利用熱電控制器66根據(jù)需要來加熱或冷卻柵格標(biāo)準(zhǔn)具34而對其進(jìn)行熱控制，來保持柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的基準(zhǔn)一致性(referential integrity)。信道控制器90指定驅(qū)動(dòng)元件46至一定的位置或用其它方式調(diào)節(jié)信道選擇器36，來在由柵格標(biāo)準(zhǔn)具34所限定的柵格中選擇所要的透射波長。調(diào)諧電路84還包含信號(hào)處理器94、光學(xué)低通濾波器96、誤差校正器98、光路長度調(diào)節(jié)器100和調(diào)制信號(hào)生成或高頻振動(dòng)元件102。
調(diào)制信號(hào)生成器102向所選擇的損耗元件(例如，調(diào)諧元件254)提供頻率高頻振動(dòng)或調(diào)制信號(hào)，其產(chǎn)生激光器外腔的光路的相應(yīng)調(diào)制。例如，調(diào)制頻率和振幅可以被選擇，以增大有效耦合系數(shù)。來自電壓傳感器32的電壓信號(hào)通過通信線28被傳送至調(diào)諧電路84，并被輸送至信號(hào)處理電路94。信號(hào)處理電路94還接收來自高頻振動(dòng)元件102的參考調(diào)制信號(hào)。信號(hào)處理電路94確定外腔的通帶PB1(圖2和圖3)與柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的通帶PB2以及信道選擇器36的通帶PB3的對準(zhǔn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，利用相同步探測以確定由高頻振動(dòng)元件102所引入的調(diào)制信號(hào)和由電壓傳感器32所探測的電壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，來進(jìn)行信號(hào)處理。由信號(hào)處理94產(chǎn)生誤差信號(hào)，其指示了高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)和所檢測的電壓強(qiáng)度之間的相對相位。誤差信號(hào)通過低通濾波器96被輸送到誤差校正器98。在此實(shí)施例中，可以用鎖相環(huán)來實(shí)施信號(hào)處理94。
在另一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)處理94可以監(jiān)測來自電壓傳感器32的電壓信號(hào)的頻率和強(qiáng)度變化，以確定強(qiáng)度變化何時(shí)最小。當(dāng)通帶PB1、PB2和PB3實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)時(shí)，此強(qiáng)度變化最小并且強(qiáng)度信號(hào)的頻率增大。指示頻率和強(qiáng)度變化的誤差信號(hào)從電壓傳感器32的輸出中得到，并被傳送到誤差校正器98。或者，信號(hào)處理94可以對由高頻振動(dòng)元件102提供的調(diào)制頻率的所選擇的諧波進(jìn)行響應(yīng)。
誤差校正器98從由信號(hào)處理94提供的誤差信號(hào)產(chǎn)生誤差校正或補(bǔ)償信號(hào)，其中所述信號(hào)用于通過光路長度調(diào)節(jié)器100來調(diào)節(jié)光路長度，以便最優(yōu)化調(diào)制信號(hào)和強(qiáng)度信號(hào)之間的關(guān)系，或使調(diào)制信號(hào)和強(qiáng)度信號(hào)之間的關(guān)系達(dá)到所選定的偏移或值。如在下面參照圖6將進(jìn)一步所討論的，當(dāng)外腔模式或通帶PB1被與由柵格生成器34和信道選擇器36所生成的通帶PB2和PB3對準(zhǔn)，在光路22上傳播的相干光束中在調(diào)制頻率(以及其奇數(shù)倍)上的強(qiáng)度變化基本被最小化。同時(shí)，電壓信號(hào)強(qiáng)度在調(diào)制頻率的兩倍處將發(fā)生變化。這些可探測的效應(yīng)中的之一或全部可用用估計(jì)與損耗特性相關(guān)的外腔損耗，并可用于生成可用于腔損耗特性的調(diào)節(jié)的誤差信號(hào)以使調(diào)制信號(hào)和強(qiáng)度信號(hào)最優(yōu)化，其中，所述的損耗特性與末端鏡14、柵格生成器34和信道選擇器36的定位或相互關(guān)系相關(guān)。
圖5A示出了用于圖4A中的外腔激光器56的控制系統(tǒng)。在外腔激光器56中，通過電光元件58的有效光學(xué)厚度的電壓控制來調(diào)節(jié)光路長度。光路長度調(diào)節(jié)器100提供使外腔通帶PB1與通帶PB2和PB3的中心對齊所需的“DC”偏移，以提供適當(dāng)?shù)摹癆C”補(bǔ)償信號(hào)，其中所述“DC”偏移與來自高頻振動(dòng)元件102的調(diào)制信號(hào)相結(jié)合，所述的“AC”信號(hào)通過接口62被傳送到電光元件58。
圖5B示出了用于外腔激光器72的控制系統(tǒng)，其中，如圖4B所示并如上所述的，利用電光元件58實(shí)現(xiàn)光路長度的調(diào)制并通過由補(bǔ)償臂74進(jìn)行的末端鏡14的熱定位實(shí)現(xiàn)光路長度的調(diào)節(jié)。在此情況下，光路長度調(diào)節(jié)器通過接口80將補(bǔ)償信號(hào)傳送至熱電控制器78，所述熱電控制器78相應(yīng)地加熱或冷卻補(bǔ)償臂74以重新定位末端鏡14，來最優(yōu)化外腔的損耗特性。圖3的外腔激光器系統(tǒng)72可以利用圖5A和圖5B的控制系統(tǒng)中的任意一種。
現(xiàn)在參照圖6，以相對強(qiáng)度隨波長的變化，圖示了被引入外腔的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)與增益介質(zhì)12兩端所探測的電壓調(diào)制的關(guān)系。圖6示出了柵格標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2，以及分別對應(yīng)于外腔激光模式106A、106B和106C的頻率或高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)104A、104B和104C。利用上述的方式，通過電光元件58的電壓調(diào)制將頻率調(diào)制信號(hào)104A-104C引入激光器外腔。如圖6所示，激光模式106A相對通帶PB2的中心朝向通帶PB2的較短波長的一側(cè)偏離中心，而激光模式106B大致位于通帶PB2的中心波長，激光模式106C位于通帶PB2的較長波長的一側(cè)。激光模式106B對應(yīng)于波長鎖定位置，并代表外腔的最優(yōu)損耗特性。激光模式106A和106C相對于通帶PB2是偏離中心的，并導(dǎo)致非最優(yōu)的腔損耗特性，這將如上所述需要通過調(diào)節(jié)電光元件58的有效光學(xué)厚度或通過定位末端鏡14來調(diào)節(jié)外腔長度。
對于高頻振動(dòng)信號(hào)104A、104B和104C的由電壓傳感器32所探測的增益介質(zhì)12兩端的電壓被分別以電壓調(diào)制信號(hào)108A、108B和108C在圖6的右側(cè)示出，所述的電壓調(diào)制信號(hào)108A、108B和108C分別對應(yīng)于激光模式波長106A、106B和106C。激光模式106A的位置處在小于通帶PB2的中心波長的波長處，導(dǎo)致了電壓信號(hào)108A，所述電壓信號(hào)108A具有與高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)104A同相的調(diào)制。激光模式106C的位置處在大于通帶PB2的中心波長的波長處，導(dǎo)致了與高頻振動(dòng)信號(hào)104C的調(diào)制異相的電壓信號(hào)108C的調(diào)制。
每一個(gè)激光模式相對于通帶PB2的斜率的位置影響相對應(yīng)的電壓信號(hào)的振幅。因此，對應(yīng)于處在通帶PB2的相對較陡的斜率上的激光模式106A波長的電壓信號(hào)108A具有相對較大的調(diào)制振幅，而對應(yīng)于與通帶PB2的具有相對較小的斜率的部分相關(guān)的激光模式106C的電壓信號(hào)108C具有相應(yīng)較小的調(diào)制振幅。對應(yīng)于處在中心的激光模式106B的電壓信號(hào)108B具有最小的調(diào)制振幅，因?yàn)楦哳l振動(dòng)調(diào)制信號(hào)104B的周期關(guān)于通帶PB2的中心波長對稱。在此實(shí)施例的電壓信號(hào)108B的情況下，主強(qiáng)度的頻率是高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)104B的兩倍。
從圖6中可以看出，在增益介質(zhì)12兩端的電壓中所探測到的調(diào)制的振幅指明激光器外腔所需的校正或調(diào)節(jié)的幅度，而電壓信號(hào)調(diào)制的相位指明調(diào)節(jié)的方向。選擇這樣的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)104A-104C的振幅，使得在波長鎖定過程中，電壓信號(hào)調(diào)制的強(qiáng)度的變化被保持在對于外腔激光器的具體使用的可接受的水平。在傳輸?shù)倪^程中，選擇足夠高的高頻振動(dòng)調(diào)制的頻率以提供相干性控制，但所選擇的高頻振動(dòng)調(diào)制的頻率低得足以防止與被調(diào)制到載波信號(hào)上信息的干涉，其中所述載波信號(hào)由外腔激光器提供。
本發(fā)明可以用于估計(jì)和調(diào)節(jié)與多個(gè)外腔激光器中的損耗元件相關(guān)的損耗特性。參考圖7，在此示出了外腔激光器裝置110，其中相似的參考數(shù)字用于指示相似的部件。在裝置110中，將獨(dú)立的頻率調(diào)制或高頻振動(dòng)元件用于數(shù)個(gè)損耗元件中的每一個(gè)。因此，高頻振動(dòng)元件112被耦合至柵格標(biāo)準(zhǔn)具34，高頻振動(dòng)元件114被耦合到信道選擇器36，高頻振動(dòng)元件116被耦合至末端鏡14。例如，高頻振動(dòng)元件112、114、116可以包括傳統(tǒng)的機(jī)械、壓電、電光或聲光振動(dòng)器或類似的振動(dòng)器器件，其中所述的振動(dòng)器可以分別將頻率調(diào)制信號(hào)引入柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的傾斜度、信道選擇器36的橫向位置和末端鏡14的軸向位置。高頻振動(dòng)元件112、114和116中的每一個(gè)分別通過通信接口117、118和120被可操作地耦合到控制器76。附加的高頻振動(dòng)元件可以和在外腔激光器裝置110中存在的或用其它方式與外腔激光器裝置110相關(guān)的附加的損耗元件(沒有示出)結(jié)合使用。
用由上述在圖4A-4C中的電光元件58所提供的方式相同的方式，通過高頻振動(dòng)元件116將調(diào)制信號(hào)引入至末端鏡14，直接調(diào)制由末端鏡14和輸出面18所限定出的外腔的光路長度。這導(dǎo)致在增益介質(zhì)12兩端的電壓的調(diào)制，其可通過電壓傳感器32來探測并也如上所述的可以用于通過定位末端鏡14來調(diào)節(jié)外腔的光路長度，其中，所述的定位末端鏡14的操作通過利用熱電控制器78加熱或冷卻補(bǔ)償臂74來實(shí)現(xiàn)。
通過頻率高頻振動(dòng)器112將調(diào)制信號(hào)引入至柵格標(biāo)準(zhǔn)具34，導(dǎo)致在柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的面38、40之間的光路長度dGE的調(diào)制。當(dāng)調(diào)制柵格標(biāo)準(zhǔn)具34時(shí)，不通過元件116調(diào)制末端鏡14，除非如下所述的情形。柵格標(biāo)準(zhǔn)具34之中的光路長度的調(diào)制調(diào)制了柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的傳輸通帶。因?yàn)闁鸥駱?biāo)準(zhǔn)具34的FSR大于激光腔模式的FSR，所以與用和給定的光路長度調(diào)制類似的腔長度的光路長度調(diào)制來產(chǎn)生激光模式的波長調(diào)制相比，給定的光路長度的調(diào)制產(chǎn)生相應(yīng)更大的標(biāo)準(zhǔn)具傳輸模式的波長調(diào)制。
利用與圖6中所述的相類似的方法，柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的調(diào)制可以用于飼服鎖定腔長度，除了在此情況下激光頻率名義上是固定的且柵格標(biāo)準(zhǔn)具通帶被調(diào)制這點(diǎn)不同。柵格標(biāo)準(zhǔn)具通帶的振動(dòng)調(diào)制至增益介質(zhì)12中的反饋，其導(dǎo)致了由電壓傳感器32可探測的增益介質(zhì)12兩端的電壓調(diào)制。因此利用上述的方式，通過控制器76從增益介質(zhì)12兩端的電壓調(diào)制所得到的誤差信號(hào)可以用于調(diào)節(jié)腔長度。
柵格標(biāo)準(zhǔn)具34的光路長度的調(diào)制還調(diào)制激光器110的腔長度，并因此產(chǎn)生小的波長調(diào)制。在某些應(yīng)用中，很小的或沒有激光信號(hào)的波長調(diào)制是理想的。為了消除波長調(diào)制，可以利用高頻振動(dòng)元件116以與高頻振動(dòng)元件112相關(guān)的相位相應(yīng)的相反相位、適合于獲得最小腔凈長度調(diào)制和相應(yīng)最小的激光發(fā)射波長調(diào)制的振幅來驅(qū)動(dòng)末端鏡14。
向信道選擇器36提供調(diào)制信號(hào)的操作導(dǎo)致在信道選擇器36的面42、44之間的光路長度dCS的調(diào)制。通過信道選擇器36的傳輸?shù)恼{(diào)制調(diào)制至增益介質(zhì)12中的反饋，其調(diào)制由電壓傳感器32可探測的增益介質(zhì)12兩端的電壓。利用與圖6中所述的相類似的方法，從所探測的電壓調(diào)制中得到誤差信號(hào)，同樣除了激光波長固定且傳輸通帶一直被調(diào)制這點(diǎn)不同。通過控制器76，利用此誤差信號(hào)來生成補(bǔ)償信號(hào)，其被用于以上述的方式通過驅(qū)動(dòng)元件46對信道選擇器36進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以依次進(jìn)行調(diào)制信號(hào)與圖7中的損耗元件34、36的結(jié)合使用。在此情況下，控制器76依次地高頻振動(dòng)?xùn)鸥裆善?4和信道選擇器36。當(dāng)柵格標(biāo)準(zhǔn)具34被高頻振動(dòng)時(shí)，測量增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)制，且利用所得到的誤差信號(hào)調(diào)節(jié)腔長度。當(dāng)信道選擇器36被高頻振動(dòng)時(shí)，利用增益介質(zhì)12兩端所監(jiān)測到的電壓調(diào)制，通過相對于光束傳播光路22重新定位信道選擇器36來調(diào)節(jié)光路長度dCS。在激光器操作過程中可以持續(xù)反復(fù)地進(jìn)行上述的操作，以確保操作過程中的每一個(gè)損耗元件的最優(yōu)損耗特性和外腔激光器110的最優(yōu)損耗特性。
在另一個(gè)實(shí)施例中，高頻振動(dòng)調(diào)制可以分別通過高頻振動(dòng)元件112、114被依次引入至柵格標(biāo)準(zhǔn)具34和信道選擇器36之中，其中在不同的非干涉的頻率下進(jìn)行由元件112、114、116所提供的高頻振動(dòng)調(diào)制。因此，損耗元件34、36中的每一個(gè)的頻率調(diào)制導(dǎo)致在不同的非干涉的頻率下的增益介質(zhì)12兩端的電壓的同時(shí)調(diào)制，所述的同時(shí)調(diào)制可通過電壓傳感器32同時(shí)探測。這樣的設(shè)計(jì)允許根據(jù)從在增益介質(zhì)12兩端所探測到的不同的非干涉的頻率調(diào)制得到的誤差信號(hào)，同時(shí)原位調(diào)節(jié)光路長度dGE、光路長度dCS。
再一次應(yīng)該指出的是，柵格標(biāo)準(zhǔn)具34、信道選擇器36和末端鏡14代表的是可以出現(xiàn)在外腔激光器中的損耗元件中的僅僅一小部分，并且其中，所述的損耗元件可以具有這樣的損耗特性，即可以根據(jù)增益介質(zhì)12兩端的所探測的電壓調(diào)制調(diào)節(jié)所述損耗特性。與透鏡20、末端鏡14的斜度或其它光學(xué)部件(沒有示出)相關(guān)的損耗將具有可以根據(jù)本發(fā)明利用增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)制進(jìn)行調(diào)節(jié)的損耗特性。
現(xiàn)在參考圖8，在此示出了具有多個(gè)高頻振動(dòng)元件124、126、128的損耗元件122，其中將所述的高頻振動(dòng)元件124、126、128以允許將高頻振動(dòng)調(diào)制引入至損耗元件的多個(gè)位置自由度的設(shè)置，耦合到損耗元件122。例如，損耗元件122可以是在用于制造激光器的準(zhǔn)直固定中使用的激光器末端鏡，或可以是作為用于操作的末端鏡。多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)可以具有由高頻振動(dòng)元件124、126、128所引入的頻率調(diào)制，其中每一個(gè)位置自由度可以根據(jù)從增益介質(zhì)兩端所探測的電壓調(diào)制得到的誤差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。高頻振動(dòng)元件可以是壓電元件、微機(jī)械元件或另一種位置致動(dòng)器。所示出的損耗元件122具有位置自由度δz(沿z軸的平移)，θx(繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng))，θy(繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng))。這些位置自由度中的每一個(gè)影響損耗元件122的損耗特性，并可以通過平移和轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)元件124、126、128進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中所述調(diào)節(jié)元件124、126、128被設(shè)置用上述的方式，根據(jù)所監(jiān)測的電壓調(diào)制來調(diào)節(jié)損耗元件122的δz、θx和θy。
如上所述，可以利用不同的非干涉的頻率調(diào)制依次和同時(shí)進(jìn)行損耗元件122的每一個(gè)位置自由度的高頻振動(dòng)和調(diào)節(jié)。當(dāng)在激光腔(沒有示出)中存在多個(gè)損耗元件122時(shí)，每一個(gè)損耗元件122的每個(gè)位置自由度的高頻振動(dòng)可以同時(shí)或依次進(jìn)行。
參考下面的圖9，在此示出了固態(tài)激光器裝置130，所述的激光器裝置130根據(jù)本發(fā)明利用對增益區(qū)兩端的電壓的監(jiān)測來估計(jì)和校正損耗。所示的激光器130被構(gòu)造為集成單芯片的分布式Bragg反射器(DBR)，具有增益區(qū)132、相控制區(qū)134和Bragg柵格或反射器區(qū)136。激光器130包括限定出激光腔的平面138、140。增益區(qū)132被可操作耦合到第一電流源I1，而相控制區(qū)134被可操作耦合到第二電流源I2，且Bragg反射器136被可操作耦合到第三電流源I3。在操作中，利用來自第一電流源I1的驅(qū)動(dòng)電流對增益區(qū)132進(jìn)行泵浦。通過來自電流源I2的電流控制相控制區(qū)134，以調(diào)節(jié)腔的往返光路長度。Bragg反射器136起到調(diào)諧元件或信道選擇器的作用，并通過選擇性施加來自電流源I3的電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變有效的柵格間距。激光器130被構(gòu)造來從平面140傳送光學(xué)輸出。此類的DBR激光器的操作和制造是本領(lǐng)域所公知的?？梢越Y(jié)合功率分流器(powersplitter)和附加的相控制區(qū)和Bragg反射器區(qū)(沒有示出)，以通過Vernier效應(yīng)增大調(diào)諧范圍?？梢岳迷诖怂枋龅呐c用于圖9中所示的損耗元件的相同的技術(shù)，控制這些附件或其它的附加損耗元件。
DFB激光器130的Bragg反射器區(qū)136是與由平面138、140所限定出的激光腔相關(guān)的損耗元件。在這方面，除了具有作為固態(tài)激光器的整體部分出現(xiàn)的內(nèi)腔損耗元件，DFB激光器130與上述的外腔激光器相似。分布式Bragg反射器向增益區(qū)132之中提供波長選擇性反饋。附加到電流源I3的DC電平上的小的AC電流調(diào)制調(diào)制波長濾波元件136的通帶。此通帶調(diào)制調(diào)制至增益區(qū)132之中的反饋，并在傳感器142上產(chǎn)生電壓調(diào)制?？刂圃?沒有示出)利用所述電壓調(diào)制來調(diào)節(jié)電流源I3的DC電平。
附加到I3的AC調(diào)制還可以產(chǎn)生將表現(xiàn)為激光器輸出的波長調(diào)制的小的腔長度的調(diào)制，其可以通過增加補(bǔ)償電流調(diào)制至電流源I2以產(chǎn)生相等并相反的光路長度調(diào)制而被消除。利用控制元件(沒有示出)，基于分別來自波長鎖定器(locker)和監(jiān)測發(fā)光二極管(也沒有示出)的信號(hào)可以設(shè)定電流源I1和I2的DC電平?？刂圃€可以在附加到電流源I3上的所施加的電壓的頻率上，監(jiān)測波長鎖定器上的信號(hào)，并計(jì)算出可用于設(shè)定AC信號(hào)的幅度和相位的誤差信號(hào)，其中所述的AC信號(hào)被附加到電流源I3，補(bǔ)償激光器的波長調(diào)制。
在對本發(fā)明的使用中，可能會(huì)出現(xiàn)損耗元件的調(diào)制產(chǎn)生諸如例如不需要的波長或振幅調(diào)制之類的不期望的副作用的情況，其中沒有可用的方法來持續(xù)地消除這些副作用。在此情形下，可以以短突發(fā)(short burst)來實(shí)現(xiàn)損耗元件的高頻振動(dòng)。在此突發(fā)的過程中，通過控制器生成誤差信號(hào)。所述突發(fā)可以進(jìn)一步與諸如不發(fā)送數(shù)據(jù)的周期之類的其它系統(tǒng)事件同步。
參考圖10以及圖7至圖9，將更加充分地理解本發(fā)明的方法。圖10中的流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明在激光器的操作過程中發(fā)生的各種事件。在事件200A，第一損耗元件A被高頻振動(dòng)或頻率調(diào)制。例如，損耗元件A可以包括如圖7所示的末端反射器14、信道選擇器36、柵格標(biāo)準(zhǔn)具34，或如圖9所示的相控制區(qū)134或Bragg反射器136，或任何其它內(nèi)腔損耗元件。在事件200A中的元件A的高頻振動(dòng)可以包含損耗元件A的位置自由度δz(沿z軸的平移)，θx(繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng))和θy(繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng))中的每一個(gè)的單獨(dú)的高頻振動(dòng)，其可以如圖8中所示和如所上所述的同時(shí)或依次進(jìn)行。
當(dāng)損耗元件A被高頻振動(dòng)時(shí)，在事件210A，通過位置與增益介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的電壓傳感器監(jiān)測增益介質(zhì)或區(qū)兩端的電壓。如上所述的，可以以增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)制探測被引入至損耗元件A的高頻振動(dòng)或頻率調(diào)制。如圖6所示和如上所述的，電壓調(diào)制的振幅和相位指示了損耗元件A的損耗特性。在事件220A，進(jìn)行信號(hào)處理以從在事件210A中所監(jiān)測到的電壓中產(chǎn)生或得到誤差信號(hào)。如圖5A和5B所示和如上所述的，可以由控制器60或72中的信號(hào)處理元件94通過傅立葉變換進(jìn)行信號(hào)處理。根據(jù)在激光增益介質(zhì)兩端所探測到的電壓調(diào)制的振幅和/或相位，誤差信號(hào)可以反映損耗元件A的損耗特性，并且誤差信號(hào)將指明損耗元件A的任何所需的校正調(diào)節(jié)。
在事件230A，確定是否探測到了與損耗元件A相關(guān)的光學(xué)損耗。如上所述的，根據(jù)在激光增益介質(zhì)兩端所探測到的電壓調(diào)制的振幅或相位，確定損耗元件的損耗特性。如果所探測到的電壓調(diào)制表現(xiàn)出最優(yōu)的振幅和/或相位特性，則不再進(jìn)行探測，并且可以重復(fù)事件200A至230A。如果所探測到的電壓調(diào)制表明了非最優(yōu)的振幅和/或相位特性，則進(jìn)行事件240A。換句話說，事件230A為完成損耗元件的封閉循環(huán)控制環(huán)的事件240A提供誤差信號(hào)。
在事件240A，對損耗元件A進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使表明存在有與元件A相關(guān)的損耗的誤差信號(hào)為零或?qū)⑵湎?。調(diào)節(jié)的特點(diǎn)將依據(jù)損耗特性和損耗元件的類型而變化。例如，調(diào)節(jié)可以包括損耗元件A沿一個(gè)或多個(gè)位置自由度的線性或轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)?；蛘?，調(diào)節(jié)可以包括對于損耗元件的溫度或電壓調(diào)節(jié)。例如，如果如圖7所示損耗元件A是末端反射器14，則事件240A中的調(diào)節(jié)可以包括利用上述的方式通過加熱或冷卻補(bǔ)償元件74進(jìn)行的反射器14的熱定位。在一些實(shí)施例中，可以由同一致動(dòng)器提供損耗元件的高頻振動(dòng)和調(diào)節(jié)，而在其它的實(shí)施例中，由不同的致動(dòng)器提供損耗元件的高頻振動(dòng)和調(diào)節(jié)。
在事件200B，將高頻振動(dòng)或頻率調(diào)制施加到第二損耗元件B。事件200B可以在事件200A后發(fā)生，或可以與上述的事件200A-240A同時(shí)發(fā)生。同樣，損耗元件B可以包含與激光腔相關(guān)的任何損耗元件，并且在事件200B中元件B的高頻振動(dòng)可以包含位置自由度δz、θx和θy中的每一個(gè)的同時(shí)或依次的高頻振動(dòng)。
當(dāng)損耗元件B被高頻振動(dòng)時(shí)，在事件210B，如上所述的，通過位置與增益介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的電壓傳感器監(jiān)測增益介質(zhì)或區(qū)兩端的電壓。被引入損耗元件B的高頻振動(dòng)或頻率調(diào)制表現(xiàn)為增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)制，并且，調(diào)制的振幅和相位指示了損耗元件B的損耗特性。
在事件220B，進(jìn)行信號(hào)處理以從在事件210B中所監(jiān)測到的電壓中產(chǎn)生或得到誤差信號(hào)。如果元件B一直與元件A被同時(shí)但在不同的頻率下調(diào)制，則在不同頻率下的傅立葉變換將提供不同的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)可以指明損耗元件B的損耗特性，并且指明損耗元件B的任何所需的校正調(diào)節(jié)。
在事件230B，問詢或確定是否根據(jù)在激光增益介質(zhì)兩端所探測到的電壓調(diào)制的振幅或相位，探測到了損耗元件B的光學(xué)損耗。如果沒有探測到損耗，則可以重復(fù)事件200B至230B，并且如果探測到了損耗，則進(jìn)行事件240B，其中，對損耗元件B進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使表明存在有與元件B相關(guān)的損耗的誤差信號(hào)為零或?qū)⑵湎?。事?00B-240B可以與事件200A-240A同時(shí)發(fā)生，或跟隨事件240A之后發(fā)生。如上所述，使用與損耗元件A和B相關(guān)的不同的高頻振動(dòng)頻率允許同時(shí)監(jiān)測與不同頻率調(diào)制相關(guān)的振幅和相位的變化，并允許同時(shí)估計(jì)多個(gè)損耗特性和對多個(gè)損耗元件的調(diào)節(jié)。
事件200n至240n與上面在事件200A-240A和事件200B-240B中所述的大致相同，但事件200n至240n是為與激光腔相關(guān)的第n個(gè)損耗元件而進(jìn)行的。再次提醒的是，如上所述的，事件200n至240n可以通過對每一個(gè)損耗元件A，B，...，n使用非干涉高頻振動(dòng)頻率，與事件200A-240A和事件200B-240B同時(shí)進(jìn)行，或可以以依次進(jìn)行的方式進(jìn)行。與高頻振動(dòng)元件A，B，...，n相關(guān)的各自事件可以以同步或依次高頻振動(dòng)混合的方式進(jìn)行。元件的同時(shí)高頻振動(dòng)可以發(fā)生在有限的時(shí)間段內(nèi)的“突發(fā)”中，并隨后進(jìn)行其它的事件。
雖然已參考其具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化和各種等價(jià)物的替換。此外，可以進(jìn)行許多改變以使具體的情況、材料、物質(zhì)組成、工藝、工藝步驟或多個(gè)步驟適應(yīng)于本發(fā)明的目的、精神和范圍。所有這樣的改變都被認(rèn)為是落入所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于操作具有半導(dǎo)體增益區(qū)的激光器的方法，包括監(jiān)測所述增益區(qū)兩端的電壓，以及根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益區(qū)兩端的電壓確定腔損耗。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓，調(diào)節(jié)與所述激光器相關(guān)的損耗特性。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗特性的操作包括調(diào)節(jié)與所述激光器相關(guān)的損耗元件。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗特性的操作包括對在所述腔中的所述損耗元件進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。
5.一種用于控制具有在其中傳播的光束的激光腔的性能的方法，包括(a)監(jiān)測發(fā)射所述光束的增益介質(zhì)的兩端的電壓；以及(b)根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓，確定與所述腔相關(guān)的光學(xué)損耗。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓，調(diào)節(jié)與所述腔的損耗特性。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗特性的操作包括對在所述腔激光器中的損耗元件進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗元件的操作包括(a)將頻率調(diào)制引入所述的損耗元件；以及(b)從所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓得到誤差信號(hào)，所述誤差信號(hào)指明所述頻率調(diào)制的傳播特性。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗元件的操作包括根據(jù)所述的誤差信號(hào)，對所述損耗元件進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的損耗元件包括末端鏡。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗元件的操作包括(a)將頻率調(diào)制引入所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度；(b)從所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓得到誤差信號(hào)，所述誤差信號(hào)指明對于所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)的所述頻率調(diào)制的傳播特性。(c)調(diào)節(jié)所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中依次進(jìn)行所述調(diào)節(jié)所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)的操作。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中將不同頻率的調(diào)制同時(shí)引入所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)，并且所述調(diào)節(jié)所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度中的每一個(gè)的操作同時(shí)進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓，調(diào)節(jié)多個(gè)與所述腔相關(guān)的多個(gè)損耗元件。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述多個(gè)損耗元件的操作依次進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述多個(gè)損耗元件的操作同時(shí)進(jìn)行。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗元件的操作包括(a)依次將頻率調(diào)制引入所述的損耗元件中的每一個(gè)；以及(b)從所述監(jiān)測到的電壓得到誤差信號(hào)，所述誤差信號(hào)指明所述每一個(gè)頻率調(diào)制的傳播特性。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述的調(diào)節(jié)所述損耗元件的操作包括(a)同時(shí)將不同的頻率調(diào)制引入所述的損耗元件中的每一個(gè)；以及(b)從所述監(jiān)測到的電壓得到誤差信號(hào)，所述誤差信號(hào)指明所述每一個(gè)頻率調(diào)制的傳播特性。
19.如權(quán)利要求8所述的方法，其中以周期性的突發(fā)實(shí)現(xiàn)所述的將所述頻率調(diào)制引入至所述損耗元件的操作。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中以周期性的突發(fā)實(shí)現(xiàn)所述的將所述頻率調(diào)制引入所述的損耗元件的多個(gè)位置自由度的操作。
21.一種激光器裝置，包括(a)沿光路發(fā)射相干光束的增益介質(zhì)；(b)置于所述光路中并限定出激光腔的反射器；以及(c)電壓傳感器，所述電壓傳感器被可操作耦合到所述的增益介質(zhì)，并被設(shè)置來監(jiān)測所述增益介質(zhì)兩端的電壓，所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓指明與所述腔相關(guān)的光學(xué)損耗。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括可操作耦合到所述電壓傳感器和被置于所述的腔的光路中的損耗元件上的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被設(shè)置來根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)節(jié)所述損耗元件。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括高頻振動(dòng)元件，所述高頻振動(dòng)元件被可操作耦合到所述損耗元件，并被設(shè)置來將頻率高頻振動(dòng)引入至所述損耗元件，在所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓中可以探測所述的頻率高頻振動(dòng)。
24.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述的損耗元件包括所述的反射器。
25.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括多個(gè)高頻振動(dòng)元件，所述每一個(gè)高頻振動(dòng)元件被可操作耦合到所述損耗元件的相應(yīng)的位置自由度，所述每一個(gè)高頻振動(dòng)元件產(chǎn)生頻率高頻振動(dòng)，在所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓中可以探測所述的頻率高頻振動(dòng)。
26.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括(a)多個(gè)置于所述的腔中的光路中的損耗元件；以及(b)可操作耦合到所述電壓探測器和所述損耗元件中的每一個(gè)上的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被設(shè)置來根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓調(diào)節(jié)所述每一個(gè)損耗元件。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括多個(gè)高頻振動(dòng)元件，所述每一個(gè)高頻振動(dòng)元件都被可操作耦合到所述損耗元件中的相應(yīng)的一個(gè)上，并被設(shè)置來將頻率高頻振動(dòng)引入至所述每一個(gè)損耗元件，在所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓中可以探測所述損耗元件中的每一個(gè)中的頻率高頻振動(dòng)。
28.一種激光器裝置，包括(a)用于發(fā)射穿過激光腔的相干光束的激光增益介質(zhì)裝置；(b)產(chǎn)生損耗特性的損耗裝置，所述損耗裝置被置于所述激光腔的中；(c)用于監(jiān)測所述增益介質(zhì)裝置兩端的電壓的裝置；以及(d)用于根據(jù)所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)裝置兩端的電壓確定所述損耗特性的裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，還包括用于根據(jù)從所述監(jiān)測到的所述增益介質(zhì)兩端的電壓得到的誤差信號(hào)，調(diào)節(jié)所述損耗元件的裝置。
30.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括用于將頻率調(diào)制引入所述損耗元件中的高頻振動(dòng)元件。
全文摘要
一種用于通過監(jiān)測激光增益介質(zhì)(12)兩端的電壓，探測和估計(jì)與激光器相關(guān)的的光學(xué)損耗特性的系統(tǒng)和方法，以及一種激光器和激光器操作的方法，其中，通過監(jiān)測增益介質(zhì)(12)兩端的電壓確定內(nèi)腔損耗，并根據(jù)通過增益介質(zhì)(12)兩端的電壓調(diào)節(jié)腔損耗特性。
文檔編號(hào)H01S5/026GK1524324SQ02813675
公開日2004年8月25日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者安德魯·約翰·戴貝爾, 安德魯 約翰 戴貝爾, B 查普曼, 華·李, E 麥克唐納, 威廉·B·查普曼, 馬克·E·麥克唐納 申請人:英特爾公司