專利名稱：具有外腔主動(dòng)熱調(diào)諧的激光裝置的制作方法
背景技術(shù)：
光纖遠(yuǎn)程通信不斷需要增加帶寬。通過(guò)其中在單個(gè)光纖中共存多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流的密集波分復(fù)用(DWDM)利用出現(xiàn)在不同信道上的每個(gè)數(shù)據(jù)流的調(diào)制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了帶寬擴(kuò)展的一種途徑。將每個(gè)數(shù)據(jù)流調(diào)制到在特定信道波長(zhǎng)工作的相應(yīng)半導(dǎo)體發(fā)射激光器的輸出光束上，并且自半導(dǎo)體激光器的調(diào)制輸出被組合到單個(gè)光纖上以便在其各自信道中進(jìn)行傳輸。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)目前要求大約0.4納米或大約50GHz的信道間隔。這種信道間隔允許高達(dá)128個(gè)信道在目前可用的光纖和光纖放大器的帶寬范圍內(nèi)利用單個(gè)光纖承載。光纖技術(shù)的提高以及對(duì)較大帶寬需要的不斷增加將有可能在將來(lái)產(chǎn)生較小的信道間隔。
對(duì)較大帶寬的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致精確的波長(zhǎng)特定的DWDM設(shè)備的使用，為了在窄分隔的信道間隔上提供傳輸輸出，波長(zhǎng)特定的DWDM設(shè)備要求精細(xì)調(diào)整。隨著可調(diào)諧元件配置成用于較窄信道間隔，降低部件容限和熱波動(dòng)變得日益重要。特別是，由于引起波長(zhǎng)不穩(wěn)定和降低發(fā)射輸出功率的環(huán)境熱波動(dòng)，可調(diào)諧遠(yuǎn)程通信發(fā)射激光器易受可調(diào)諧元件的非最佳設(shè)置的影響。目前需要一種遠(yuǎn)程通信發(fā)射激光器，其提供簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確的可調(diào)諧元件的調(diào)整，以減小與在激光器工作期間存在的熱波動(dòng)和其它環(huán)境因素有關(guān)的耗損并提供波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種使用激光腔反射元件的主動(dòng)(active)熱調(diào)整以最小化耗損并提供波長(zhǎng)穩(wěn)定性的激光裝置和方法。本發(fā)明的裝置一般為一種激光器，包括限定激光腔的第一與第二反射鏡；和耦合到至少一個(gè)反射鏡并被配置成相對(duì)于另一反射鏡熱定位一個(gè)反射鏡的補(bǔ)償構(gòu)件。補(bǔ)償構(gòu)件可以直接耦合到第一反射鏡并被配置成相對(duì)于第二反射鏡定位第一反射鏡。通過(guò)操作上耦合到補(bǔ)償構(gòu)件并配置成通過(guò)加熱或冷卻來(lái)熱調(diào)整補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器進(jìn)行熱定位。
特別地，激光裝置包括具有第一與第二輸出平面并沿著光路從第一輸出平面發(fā)射光束的增益介質(zhì)。第一反射鏡位于光路中，第二輸出平面和第一反射鏡限定激光腔。補(bǔ)償構(gòu)件可以是導(dǎo)熱的并具有高的熱膨脹系數(shù)。
在一些實(shí)施例中，增益介質(zhì)和第一反射鏡可以是被動(dòng)(passively)絕熱的或相對(duì)于彼此是熱穩(wěn)定的。在這方面，激光器還包括基座，在基座上安裝有補(bǔ)償構(gòu)件和增益介質(zhì)?；哂械谝贿x擇的熱膨脹系數(shù)，補(bǔ)償構(gòu)件具有第二選擇的熱膨脹系數(shù)，基座和補(bǔ)償構(gòu)件被加工成所需要的尺寸并被配置成被動(dòng)使外腔絕熱。被動(dòng)熱穩(wěn)定可以與通過(guò)加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件的端面鏡的主動(dòng)熱控制同時(shí)進(jìn)行。
激光器裝置還包括位于光路中在端面鏡之前的格柵發(fā)生器，在一些實(shí)施例中還可以包括位于光路中在端面鏡之前并被配置成調(diào)諧或調(diào)整激光器的輸出波長(zhǎng)的信道選擇器。格柵發(fā)生器可以包括安裝到基座的格柵標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)。信道選擇器可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置或調(diào)諧裝備來(lái)耦合到基座。格柵標(biāo)準(zhǔn)具和信道選擇器還可以通過(guò)基座受到被動(dòng)熱穩(wěn)定。格柵標(biāo)準(zhǔn)具可以另外耦合到熱電控制器并受到主動(dòng)熱控制。
在其它實(shí)施例中，激光器還可以包括與外腔結(jié)合(associated)的檢測(cè)器，其被配置成檢測(cè)外腔的損耗狀況。檢測(cè)器可以設(shè)置成監(jiān)測(cè)自外腔的光輸出的光檢測(cè)器，或者設(shè)置成監(jiān)測(cè)穿過(guò)增益介質(zhì)電壓的電壓傳感器。通過(guò)控制器利用自檢測(cè)器輸出中導(dǎo)出的誤差信號(hào)通過(guò)加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件熱定位端面鏡來(lái)調(diào)整外腔。
激光器還可以包括操作上耦合到外腔并被配置成把可檢測(cè)頻率調(diào)制引入到外腔中的高頻振動(dòng)元件。高頻振動(dòng)元件可以與端面鏡相關(guān)或者位于外腔中的其它位置。由高頻振動(dòng)元件引入的頻率調(diào)制在自外腔到增益介質(zhì)的光反饋中產(chǎn)生了已知的或可預(yù)測(cè)的強(qiáng)度和/或相位變化。這種自高頻振動(dòng)元件的強(qiáng)度和/或相位變化在穿過(guò)增益介質(zhì)的監(jiān)測(cè)電壓或在自外腔的光輸出中是可檢測(cè)的。通過(guò)加熱或冷卻補(bǔ)償元件的端面鏡定位影響調(diào)制信號(hào)的相位和強(qiáng)度，并且可以使用通過(guò)電壓或光功率調(diào)制檢測(cè)到的調(diào)制器信號(hào)的幅度和相位來(lái)生成誤差信號(hào)。按照由補(bǔ)償構(gòu)件熱定位端面鏡，誤差信號(hào)可以用于定位或另外調(diào)整端面鏡，以使誤差信號(hào)無(wú)效。
本發(fā)明的方法是一種激光器操作方法，其一般包括提供限定激光腔的第一與第二反射鏡，和通過(guò)熱調(diào)整耦合到至少一個(gè)反射鏡的補(bǔ)償構(gòu)件來(lái)調(diào)整激光腔。補(bǔ)償構(gòu)件的熱調(diào)整包括利用耦合到補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器來(lái)加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件。該方法還包括被動(dòng)地絕熱或熱穩(wěn)定激光腔，并監(jiān)測(cè)與激光腔有關(guān)的外部損耗。按照自與外部腔有關(guān)的損耗監(jiān)測(cè)中導(dǎo)出的誤差信號(hào)進(jìn)行熱調(diào)整。該方法還包括把頻率調(diào)制引入到外腔，并且按照檢測(cè)的頻率調(diào)制器的振幅和相位來(lái)導(dǎo)出誤差信號(hào)。


圖1是按照本發(fā)明采用帶補(bǔ)償構(gòu)件的端面反射鏡的熱定位的外腔示意圖。
圖2是按照本發(fā)明帶外腔主動(dòng)熱控制的外腔激光器。
圖3A-3C是相對(duì)于在波長(zhǎng)格柵中的選擇信道用于信道選擇器、格柵標(biāo)準(zhǔn)具和外腔的圖2的外腔激光器的通帶特性的圖解說(shuō)明。
圖4A-4C是響應(yīng)用于波長(zhǎng)格柵中多個(gè)信道的圖2的外腔激光器調(diào)諧的增益的圖解說(shuō)明。
圖5是外腔激光裝置的另一個(gè)實(shí)施例。
圖6是自外腔的頻率調(diào)制導(dǎo)出的誤差信號(hào)的圖解說(shuō)明。
圖7A和7B是其中包括使用按照本發(fā)明的外腔被動(dòng)絕熱的圖解說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
特別地參照附圖，為了說(shuō)明的目的，本發(fā)明體現(xiàn)為如圖1至7所示的裝置和方法?？梢岳斫獠幻撾x這里所公開(kāi)的基本原理，該裝置關(guān)于配置和部件的細(xì)節(jié)可以變化，該方法關(guān)于細(xì)節(jié)和實(shí)施的順序也可以變化。主要在與外腔激光器一起使用方面公開(kāi)了本發(fā)明。但是，本發(fā)明與其它激光器件和光學(xué)系統(tǒng)一起使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。還應(yīng)當(dāng)理解這里所用的技術(shù)名詞僅是為了說(shuō)明特定實(shí)施例的目的，并不是作為限定。
參照?qǐng)D1，示出了應(yīng)用按照本發(fā)明的外腔光路長(zhǎng)度的熱控制的外腔裝置10。裝置10包括第一反射元件12和第二反射元件14，其一起限定具有光路長(zhǎng)度l的外腔。如下所述，在反射元件12、14之間可以設(shè)置增益介質(zhì)(未示出)，或者反射鏡12、14之一包括增益介質(zhì)的鏡面或部分鏡面。同樣如下所述，在通過(guò)反射鏡12、14限定的外腔內(nèi)還可以設(shè)置各種其它的可用在外腔激光器中的光學(xué)部件，例如格柵發(fā)生器和信道選擇器(未示出)。反射元件12、14可以安裝在常規(guī)基座(未示出)上或者與常規(guī)基座結(jié)合。
第一反射鏡12耦合或接合到補(bǔ)償元件或構(gòu)件16，元件或構(gòu)件16通過(guò)主動(dòng)熱控制被配置成在位置上調(diào)整反射元件12。補(bǔ)償構(gòu)件16由具有高或相對(duì)高熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料構(gòu)成，例如鋁、鋅或其它金屬或金屬合金。例如，具有24*10^-6/℃的CTE的鋁和具有30.2*10^-6/℃的鋅。還可以使用具有4.8*10^-6/℃中等系數(shù)的KOVAR合金。根據(jù)這里公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以想到各種其它合適的CTE材料。
補(bǔ)償構(gòu)件16的材料理想地是導(dǎo)熱的以使部件16可以迅速地被加熱和冷卻。熱電控制器18在操作上耦合到補(bǔ)償構(gòu)件16并配置成加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件16，其依次經(jīng)受相應(yīng)的熱膨脹或收縮以位置上調(diào)整耦合到補(bǔ)償構(gòu)件16的反射鏡12。
由此，由熱電控制器18加熱補(bǔ)償構(gòu)件16導(dǎo)致補(bǔ)償構(gòu)件16熱膨脹，其把反射鏡12移近反射鏡14以縮短光路長(zhǎng)度l。通過(guò)熱電控制器18冷卻補(bǔ)償構(gòu)件16導(dǎo)致補(bǔ)償構(gòu)件16熱收縮以使反射鏡12遠(yuǎn)離反射鏡14移動(dòng)以增加外腔光路長(zhǎng)度l。在一些實(shí)施例中，補(bǔ)償構(gòu)件18可以耦合到反射鏡12、14，以便補(bǔ)償構(gòu)件的加熱和作為結(jié)果的熱膨脹用于使反射鏡移開(kāi)以增加外腔光路長(zhǎng)度l，并且補(bǔ)償構(gòu)件16的冷卻和作為結(jié)果的收縮使反射鏡12、14一起移動(dòng)以縮短光路長(zhǎng)度l。如下所述，附加控制器20可以在操作上耦合到熱電控制器19以根據(jù)源自監(jiān)測(cè)由反射鏡12、14限定的外腔的損耗特性的誤差信號(hào)來(lái)提供加熱或冷卻指令。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出了按照本發(fā)明的外腔激光裝置20，其中使用相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件。裝置20包括增益介質(zhì)22和端面反射元件24。增益介質(zhì)22包括常規(guī)法布里-珀羅二極管發(fā)光芯片并具有涂敷抗反射(AR)的前平面26和部分反射后平面28。外激光器腔由后平面28和端面鏡24勾劃出輪廓，并具有光路長(zhǎng)度l。增益介質(zhì)22自前平面26發(fā)射相干光束，前平面26與透鏡30對(duì)準(zhǔn)以限定與外腔光軸共線的光路32。增益介質(zhì)22的前和后平面26、28也與外腔的光軸對(duì)準(zhǔn)。常規(guī)輸出耦合光學(xué)裝置(未示出)與后平面28結(jié)合用于把外腔激光器20的輸出耦合到光纖(也未示出)中。端面鏡24耦合到如上所述的補(bǔ)償構(gòu)件16，其由導(dǎo)熱、高熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成。補(bǔ)償構(gòu)件16耦合到熱電控制器18，熱電控制器18依序操作上耦合到控制器19。
外腔激光器20包括格柵發(fā)生器元件和可調(diào)諧元件，如圖2所示其分別為位于增益介質(zhì)22和端面鏡24之間的光路32中的格柵標(biāo)準(zhǔn)具34和楔形標(biāo)準(zhǔn)具信道選擇器36。典型地，格柵標(biāo)準(zhǔn)具34位于光路32中可調(diào)諧元件36之前，并具有平行反射平面38、40。格柵標(biāo)準(zhǔn)具34作為干涉濾光器，由平面38、40的間距限定的格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的折射率和格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的光學(xué)厚度，在與例如包括ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)格柵的選擇波長(zhǎng)格柵的中心波長(zhǎng)一致的波長(zhǎng)產(chǎn)生通信頻帶內(nèi)的最低階。作為替換還可以選擇其它波長(zhǎng)的格柵。格柵標(biāo)準(zhǔn)具具有與在ITU格柵的格柵線之間間距相應(yīng)的自由光譜范圍(FSR)，由此格柵標(biāo)準(zhǔn)具34用于提供居于波長(zhǎng)格柵的每個(gè)格柵線中心上的多個(gè)通帶。格柵標(biāo)準(zhǔn)具34具有在波長(zhǎng)格柵的每個(gè)信道之間抑制外腔激光器的鄰近模的等強(qiáng)干涉束有效數(shù)(由半波寬最大值或FWHM劃分的自由光譜范圍)。
格柵標(biāo)準(zhǔn)具34可以是平行板固體、液體或氣體間隔標(biāo)準(zhǔn)具，并且可以通過(guò)經(jīng)溫度控制的熱膨脹和收縮來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量在平面38、40之間的光學(xué)厚度來(lái)調(diào)諧格柵標(biāo)準(zhǔn)具34。作為替換可以通過(guò)傾斜以改變?cè)谄矫?8、40之間的光學(xué)厚度或者通過(guò)向電光標(biāo)準(zhǔn)具材料施加電場(chǎng)來(lái)調(diào)諧格柵標(biāo)準(zhǔn)具34。格柵標(biāo)準(zhǔn)具34還可以被主動(dòng)地調(diào)諧到選擇通信格柵，如同此共同申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)09/900474，發(fā)明人AndrewDaiber，名稱“External Cavity Laser with Continous Tuning of Grid Generator”所介紹的，將其引證在此供參考。
具有非平行反射平面42、44設(shè)置成梯形形狀的楔形標(biāo)準(zhǔn)信道選擇器36還可以用作干涉濾光片。楔形標(biāo)準(zhǔn)具36包括梯形透明基片、在鄰近透明基片的反射表面之間的梯形空氣間隔、或薄膜楔形干涉濾光片。如圖2所示的楔形標(biāo)準(zhǔn)具26可以僅是一個(gè)按照本發(fā)明用于外腔激光器中的可調(diào)諧元件?？梢杂枚鄠€(gè)可調(diào)諧元件例如光柵器件和電光器件而不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具代替楔形標(biāo)準(zhǔn)具26。使用空氣間隔楔形標(biāo)準(zhǔn)具作為信道選擇器在美國(guó)專利6108355中公開(kāi)，其中“楔形物”是由鄰近基片限定的梯形空氣間隔。使用這種樞軸可調(diào)整的光柵器件作為由光柵角調(diào)整調(diào)諧的信道選擇器和使用在外腔激光器中并由選擇施加電壓來(lái)調(diào)諧的使用電光可調(diào)諧信道選擇器在美國(guó)專利申請(qǐng)09/814646中公開(kāi)，發(fā)明人Andrew Daiber，申請(qǐng)日2001年3月21日。使用平移調(diào)諧分級(jí)薄膜干涉濾光片在與此共同申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)09/814646和美國(guó)專利申請(qǐng)09/900412中公開(kāi)，名稱為“Graded Thin Film WedgeInterference Filter and Method of Use for Laser Tuning”，發(fā)明人Hopkins等。上述公開(kāi)引證在此供參考。
在某些舉例中為了清楚，放大了在外腔激光器20的各個(gè)光學(xué)部件之間的相對(duì)尺寸、形狀和距離，而不必按比例示出。外腔激光器20包括附加部件(未示出)，例如聚焦和對(duì)準(zhǔn)部件，和配置成消除與外腔激光器20的各個(gè)部件有關(guān)的寄生反饋的偏振光器件。
由楔形標(biāo)準(zhǔn)具36限定的通帶基本上比格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的通帶寬，楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的較寬通帶具有基本上與由格柵標(biāo)準(zhǔn)具34限定的最短和最長(zhǎng)波長(zhǎng)信道之間間隔相應(yīng)的周期。換句話說(shuō)，楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的自由光譜范圍與由格柵標(biāo)準(zhǔn)具34限定的波長(zhǎng)格柵的整個(gè)波長(zhǎng)范圍相應(yīng)。楔形標(biāo)準(zhǔn)具36具有抑制鄰近特定選擇信道的信道的等強(qiáng)干涉束有效數(shù)。
通過(guò)改變?cè)谛ㄐ螛?biāo)準(zhǔn)具36的平面42、44之間的光學(xué)厚度使用楔形標(biāo)準(zhǔn)具36在多個(gè)通信信道之間進(jìn)行選擇。這可以通過(guò)沿x軸平移或驅(qū)動(dòng)楔形標(biāo)準(zhǔn)具36來(lái)實(shí)現(xiàn)，x軸與楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的梯形方向平行并與光路32和外腔激光器20的光軸垂直。由楔形標(biāo)準(zhǔn)具36限定的每個(gè)通帶承載可選擇的信道，并且隨著楔形的發(fā)展或平移到光路32中，沿著光路32移動(dòng)的光束穿過(guò)承載在較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道相對(duì)平面42、44之間相長(zhǎng)干涉的楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的顯著較厚部分。從光路32中取走楔形標(biāo)準(zhǔn)具36，光束將經(jīng)歷楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的顯著較薄部分并把通帶暴露于承載相應(yīng)較短波長(zhǎng)信道的光路32。如上所述，楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的自由光譜范圍與格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的完整波長(zhǎng)范圍相對(duì)應(yīng)，以便可以穿過(guò)波長(zhǎng)格柵調(diào)諧在通信帶內(nèi)的單獨(dú)損耗最小值。從格柵標(biāo)準(zhǔn)具34和楔形標(biāo)準(zhǔn)具36到增益介質(zhì)22的組合反饋承載在選擇信道中心波長(zhǎng)的激光。穿過(guò)調(diào)諧范圍，楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的自由光譜范圍比格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的寬。
楔形標(biāo)準(zhǔn)具36通過(guò)調(diào)諧裝備在位置上被調(diào)諧，調(diào)諧裝備包括驅(qū)動(dòng)元件或波長(zhǎng)調(diào)諧器46，波長(zhǎng)調(diào)諧器46構(gòu)造或配置成按照選擇信道可調(diào)地定位楔形標(biāo)準(zhǔn)具36。調(diào)諧器46包括與用于楔形標(biāo)準(zhǔn)具36準(zhǔn)確平移的合適硬件結(jié)合的步進(jìn)馬達(dá)。作為替換，調(diào)諧器46包括多種類型的致動(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、壓電制動(dòng)器、超聲驅(qū)動(dòng)器、形狀存儲(chǔ)器件等本領(lǐng)域已知的線形致動(dòng)器。
波長(zhǎng)調(diào)諧器46在操作上耦合到控制器19，控制器19提供信號(hào)以通過(guò)調(diào)諧器46控制楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的定位?？刂破?9包括數(shù)據(jù)處理器和存儲(chǔ)器(未示出)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)用于與可選擇信道波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的定位信息查找表。如所示控制器19還耦合到熱電控制器18并向波長(zhǎng)調(diào)諧器46和熱電控制器18提供控制指令。作為替換可使用分離的控制器(未示出)用于波長(zhǎng)調(diào)諧器46，而且可以在調(diào)諧器46的內(nèi)部或是在外部由其它調(diào)諧部件和外腔激光器20的伺服函數(shù)共享。
當(dāng)外腔激光器20調(diào)諧到不同的通信信道時(shí)，控制器19根據(jù)在查找表中存儲(chǔ)的定位數(shù)據(jù)向調(diào)諧器46發(fā)信號(hào)，并且調(diào)諧器46把楔形標(biāo)準(zhǔn)具36變換或驅(qū)動(dòng)到正確的位置，其中位于光路32中的部分楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的光學(xué)厚度提供承載選擇信道的相長(zhǎng)干涉。使用線性編碼器50與楔形標(biāo)準(zhǔn)具36和調(diào)諧器46結(jié)合以確保通過(guò)調(diào)諧器46正確定位楔形標(biāo)準(zhǔn)具36。
楔形標(biāo)準(zhǔn)具36包括在它端部的不透明區(qū)52、54，不透明區(qū)52、54是光學(xué)上可檢測(cè)的并且當(dāng)它在位置上被調(diào)諧到它的最長(zhǎng)或最短信道長(zhǎng)度時(shí)可以用作檢驗(yàn)楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的位置。不透光區(qū)36提供可用于在楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的位置調(diào)諧中的附加編碼器機(jī)構(gòu)。當(dāng)楔形標(biāo)準(zhǔn)具36移動(dòng)到一個(gè)位置以使不透光區(qū)52、54之一進(jìn)入光路32時(shí)，不透光區(qū)52、54將沿著光路阻擋或減弱光束。如下面的進(jìn)一步說(shuō)明，這種光的減弱是可以檢測(cè)的。因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地確定在楔形標(biāo)準(zhǔn)具36上不透光區(qū)52、54的位置，所以當(dāng)不透光區(qū)52、54將進(jìn)入光路32時(shí)，控制器38可以預(yù)測(cè)。在光路32中在不是預(yù)期的點(diǎn)不透光區(qū)52、54的出現(xiàn)將表示編碼錯(cuò)誤，并且控制器19根據(jù)在光路32中檢測(cè)存在不透光區(qū)52、54做出合適的校正。附加不透光區(qū)(未示出)可以包含在楔形標(biāo)準(zhǔn)具36上的其它位置。
在激光器20工作期間，在光路32中位置上調(diào)整楔形標(biāo)準(zhǔn)具36以選擇通過(guò)格柵標(biāo)準(zhǔn)具34限定的傳輸或通帶。通過(guò)加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件18定位端面鏡34來(lái)調(diào)諧外腔以把外腔鎖定到選擇的信道長(zhǎng)度。在圖3A至3C中圖解示出了格柵標(biāo)準(zhǔn)具34、楔形標(biāo)準(zhǔn)具36和由后平面28和端面鏡24限定的外腔的通帶關(guān)系，其示出了外腔通帶PB1、格柵標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2和楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3。在縱軸示出了相對(duì)增益，在橫軸示出了波長(zhǎng)?？梢钥闯?，楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的自由光譜范圍(FSR信道選擇器)比格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的自由光譜范圍(FSR格柵發(fā)生器)大，而格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的自由光譜范圍(FSR格柵發(fā)生器)比外腔的自由光譜范圍(FSR腔)大。外腔的通帶峰值PB1與由格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的波長(zhǎng)格柵限定的通帶PB2的中心波長(zhǎng)周期性地一致。存在自楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的且在波長(zhǎng)格柵的所有通帶PB2上延伸的一個(gè)通帶。在圖3A-3C所示的特定實(shí)例中，波長(zhǎng)格柵在由0.5納米(nm)或62GHz間隔開(kāi)的64個(gè)信道上延伸，最短的波長(zhǎng)信道在1532nm，最長(zhǎng)的波長(zhǎng)信道在1563.5nm。
格柵標(biāo)準(zhǔn)具34和楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的等強(qiáng)反射束有效數(shù)確定鄰近模或信道的減弱。如上所述，等強(qiáng)干涉束有效數(shù)等于在半波寬上的自由光譜范圍，或者等強(qiáng)干涉束有效數(shù)＝FSR/FWHM。圖3B示出了在半波寬的格柵標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2的寬度，圖3C示出了在半波寬楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3的寬度。在外腔激光器內(nèi)定位格柵標(biāo)準(zhǔn)具34和楔形標(biāo)準(zhǔn)具36提高了旁模抑制。
在圖4A-4C中圖解示出中心在1549.5nm的信道和在1550nm鄰近信道之間的楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的通帶PB3的調(diào)諧，其中示出了由格柵標(biāo)準(zhǔn)具34產(chǎn)生的選擇信道和鄰近信道或模的減弱。為了清楚在圖4A-4C中省略了在圖3A-3C中示出的外腔通帶PB1。格柵標(biāo)準(zhǔn)具34選擇與格柵信道間隔對(duì)應(yīng)的外腔周期性縱模，同時(shí)濾去鄰近模。楔形標(biāo)準(zhǔn)具36選擇在波長(zhǎng)格柵中的特定信道并濾去所有其它信道。在一個(gè)用于過(guò)濾在大約正或負(fù)0.5信道間隔范圍內(nèi)的偏移的特定信道，選擇信道或激光模是穩(wěn)定的。對(duì)于較大的信道偏移，激光模跳到下一個(gè)鄰近的信道。
在圖4A中，楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3位于相對(duì)于在1549.5nm格柵信道的中心。與在1549.5nm通帶PB2相聯(lián)系的相對(duì)增益很高，而與在1549.0nm和1550.0nm的鄰近通帶PB2相聯(lián)系的相對(duì)增益值相對(duì)于選擇的1549.5nm信道受到抑制。與在1550.5nm和1548.5nm的通帶PB2相聯(lián)系的增益進(jìn)一步受到抑制。虛線表示不受楔形標(biāo)準(zhǔn)具36抑制的通帶PB2的相對(duì)增益。
圖4B示出在發(fā)生信道轉(zhuǎn)換期間在1549.5nm和1550.0nm信道之間的位置的楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB。與在1549.5nm和1550.0nm的通帶PB2相聯(lián)系的相對(duì)增益值都很高，沒(méi)有一個(gè)信道受到抑制。與在1549.0nm和1550.5nm的通帶PB2相聯(lián)系的相對(duì)增益值相對(duì)于1549.5nm和1550.0nm信道受到抑制。虛線表示不受楔形標(biāo)準(zhǔn)具36抑制的通帶PB2的相對(duì)增益。
圖4C示出在相對(duì)位于1550.0nm格柵信道中心的楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3、與在1550.0nm上的通帶PB2相關(guān)的相對(duì)增益很高，同時(shí)與在1549.5nm和1550.0nm的通帶PB2相關(guān)的相對(duì)增益相對(duì)于選擇的1550.0nm信道受到抑制，而且與在1551.0nm和1549.0nm上的通帶PB2相關(guān)的增益進(jìn)一步受到抑制。而且，虛線表示不受楔形標(biāo)準(zhǔn)具36抑制的通帶PB2的相對(duì)增益。
在圖4A-4C中沒(méi)有示出的外腔通帶PB1在外腔激光器20的調(diào)諧中是重要的考慮因素。理想的是，當(dāng)外腔激光器20被調(diào)諧到選擇信道波長(zhǎng)時(shí)，一個(gè)外腔通帶PB1將對(duì)準(zhǔn)或被鎖定到選擇格柵發(fā)生器通帶PB2和信道選擇器通帶PB3。通過(guò)熱定位帶補(bǔ)償構(gòu)件16的端面鏡24以按照發(fā)明調(diào)整外腔光路長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)了以這種方式調(diào)整外腔通帶PB1。
參照?qǐng)D5，示出了具有熱外腔調(diào)諧的外腔激光器裝置56的另一個(gè)實(shí)施例，使用相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件。在裝置56中，如下所述，各種部件安裝到常規(guī)基座58或通過(guò)常規(guī)基座58支撐以產(chǎn)生裝置56各個(gè)部件的集中、被動(dòng)熱穩(wěn)定。增益介質(zhì)12耦合到熱電控制器60，熱電控制器60安裝在支座或平臺(tái)62上。平臺(tái)62依序安裝到基座58上。平臺(tái)62用作合適地定位增益介質(zhì)12以使準(zhǔn)直器30、格柵標(biāo)準(zhǔn)具34、楔形標(biāo)準(zhǔn)具36和端面鏡24位于由自增益介質(zhì)22的平面26發(fā)射的光束限定的光路32中。熱電控制器18安裝在基座58上，以使補(bǔ)償構(gòu)件16和端面鏡24通過(guò)熱電控制器18安裝到基座58。熱電控制器60向增益介質(zhì)22提供熱控制以阻止會(huì)改變平面26、28之間的光學(xué)厚度的增益介質(zhì)的熱波動(dòng)。格柵發(fā)生器34耦合到熱電控制器64，熱電控制器64安裝到基座58上。熱電控制器64向格柵標(biāo)準(zhǔn)具34提供溫度控制以避免或最小化在平面38、40之間的光學(xué)厚度的變動(dòng)，其將改變由格柵發(fā)生器34限定的通信格柵。
基座58、平臺(tái)62和補(bǔ)償構(gòu)件由具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的材料構(gòu)成，如下所述選擇熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料提供被動(dòng)熱穩(wěn)定?；?8、補(bǔ)償構(gòu)件18和平臺(tái)62包括銅鎢合金，其提供優(yōu)良的導(dǎo)熱性和通過(guò)改變銅對(duì)鎢、或鋁和/或鋁合金的比率的高度可修整性。作為替換，基座58、平臺(tái)62和補(bǔ)償構(gòu)件18包括多種提供導(dǎo)熱性并可以準(zhǔn)確選擇CTE的材料。所需CTE材料選擇在本領(lǐng)域是公知的，例如合適的材料包括各種金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物和/或它們的組合物、化合物、混合物和合金。
電極66、68耦合到增益介質(zhì)12，電極66操作上耦合到驅(qū)動(dòng)電流源70，電極68適當(dāng)?shù)亟拥?。?qū)動(dòng)電流源70操作上耦合到控制器19，控制器19根據(jù)需要調(diào)節(jié)傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)22的電流。電壓傳感器72操作上耦合到電極66和控制器19。電壓傳感器72配置成監(jiān)測(cè)在激光器運(yùn)行期間穿過(guò)增益介質(zhì)22的電壓并且把傳感器輸出傳送到指示監(jiān)測(cè)電壓的控制器19上。因?yàn)樽远嗣骁R24的光反饋通過(guò)平面26反射回增益介質(zhì)22，所以監(jiān)測(cè)電壓指示與由端面鏡24和增益介質(zhì)平面28限定的外腔有關(guān)的光損耗。由此，由電壓傳感器72的輸出產(chǎn)生誤差信號(hào)，通過(guò)控制器19使用其以再定位端面鏡24，通過(guò)加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件16來(lái)調(diào)整外腔并無(wú)效掉誤差信號(hào)。自格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的平面38、40和楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的平面42、44的光反饋也反射回增益介質(zhì)22，在某些實(shí)施例中，穿過(guò)增益介質(zhì)的傳感電壓提供可用于通過(guò)熱電控制器64調(diào)整格柵標(biāo)準(zhǔn)具34和通過(guò)調(diào)諧器46調(diào)整楔形標(biāo)準(zhǔn)具36的誤差信號(hào)。
在激光器56工作期間，按照自控制器19的指令通過(guò)電極66、68由驅(qū)動(dòng)電流源70向增益介質(zhì)22提供電流。通過(guò)電壓傳感器72測(cè)量穿過(guò)增益介質(zhì)22的電壓，并將電壓傳輸?shù)娇刂破?9。由于外部環(huán)境因素例如振動(dòng)或熱波動(dòng)，或是在其中由于如上所述的有意地定位楔形標(biāo)準(zhǔn)具36以選擇不同傳輸信道的信道變化的結(jié)果，如果外腔通帶PB1不是相對(duì)于選擇格柵標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2和楔形標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB3最佳設(shè)置，那么可能發(fā)生各種情況。在這些情況中，在由端面鏡24和增益介質(zhì)平面28限定的外腔中會(huì)產(chǎn)生損耗，控制器19選擇性地發(fā)出通過(guò)熱電控制器18加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件16的指令以定位或調(diào)諧端面鏡24來(lái)最小化外腔損耗并無(wú)效誤差信號(hào)的指令。
外腔激光器裝置56還包括配置成把頻率調(diào)制器引入到外腔的高頻振動(dòng)元件74。如下所述，在激光器外腔中存在已知的頻率調(diào)制器提供了用于擴(kuò)大表示外腔損耗的誤差信號(hào)的優(yōu)良機(jī)構(gòu)。如圖5的實(shí)施例中所示，高頻振動(dòng)元件74包括耦合到端面鏡2的透明電光元件。高頻振動(dòng)元件74操作上耦合到控制器19。高頻振動(dòng)元件74能夠按照通過(guò)電極(未示出)穿過(guò)元件74施加的電壓調(diào)制產(chǎn)生頻率調(diào)制。高頻振動(dòng)元件74的電光材料可以包括例如鈮酸鋰，或?yàn)閷?duì)沿光路32傳輸?shù)墓馐该鞯钠渌姽獠牧?。端面鏡24包括直接淀積到高頻振動(dòng)元件74的電光材料上的反射表面。由高頻振動(dòng)元件74引入的調(diào)制包括例如大約20KHz的頻率調(diào)制。穿過(guò)元件74的電光材料的電壓調(diào)整改變了元件74的有效光學(xué)厚度，由此整個(gè)光路長(zhǎng)度l穿過(guò)外腔激光器56的外腔(在二極管平面18和端面鏡14之間)。
作為替換，高頻振動(dòng)元件74包括聲光或壓光材料，或其它能夠向激光器56外腔提供頻率調(diào)制的材料或器件。高頻振動(dòng)元件74可以不與端面鏡24耦合，而位于外腔中的其它位置，或者可以在外腔之外并適當(dāng)?shù)囟ㄎ灰园杨l率調(diào)制引入到端面鏡24由此引入到外腔中。使用不耦合到端面反射鏡的電光高頻振動(dòng)元件在與此共同申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)09/900426中描述，名稱“Evaluation and Adjustment of LaserLosses According to Voltage Across Gain Medium”，發(fā)明人Daiber等，在光學(xué)腔外使用壓電高頻振動(dòng)元件在美國(guó)專利申請(qǐng)09/814646中描述，名稱“Error SignalGeneration System”，發(fā)明人Andrew Daiber，申請(qǐng)日2001年3月21日，將其引證在此供參考。如上面所提到的美國(guó)專利申請(qǐng)09/900426，名稱“Evaluation and Adjustmentof Laser Losses According to Voltage Across Gain Medium”還公開(kāi)了可用于具有配置成以向端面鏡或其它損耗元件提供頻率調(diào)制的高頻振動(dòng)元件的外腔激光器的控制系統(tǒng)。
如上所述，通過(guò)由元件58引入的高頻振動(dòng)元件調(diào)制光路長(zhǎng)度l在外腔激光器56的輸出功率中產(chǎn)生了強(qiáng)度變化。由于從外腔到其內(nèi)的光反饋，這種調(diào)制在穿過(guò)增益介質(zhì)22的監(jiān)測(cè)電壓中是可檢測(cè)的。隨著激光器腔模或通帶與格柵發(fā)生器34和信道選擇器36限定的通帶的中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，這些強(qiáng)度變化將在振幅和相位誤差中減小。換句話說(shuō)，當(dāng)通帶PB1、PB2和PB3是如圖3A-3C所示的最佳排列時(shí)，在調(diào)制信號(hào)中的強(qiáng)度變化和相位誤差最小或名義上為零。以下參照?qǐng)D6進(jìn)一步說(shuō)明了在關(guān)于誤差信號(hào)確定的調(diào)制信號(hào)中強(qiáng)度變化和相位誤差的使用。
在具有高頻振動(dòng)元件74的外腔激光器56工作期間，電壓信號(hào)從電壓傳感器72傳送到控制器19，控制器19從由頻率高頻振動(dòng)器引入的調(diào)制導(dǎo)出誤差信號(hào)，并把補(bǔ)償信號(hào)傳送到熱電控制器18，控制器18加熱或冷卻補(bǔ)償構(gòu)件16，補(bǔ)償構(gòu)件16按照由位置上調(diào)整端面鏡24調(diào)諧或調(diào)整光路長(zhǎng)度l來(lái)膨脹或收縮。在激光器56工作期間，控制器19還控制至增益介質(zhì)12的驅(qū)動(dòng)電流和利用調(diào)諧器46的信道選擇器36的定位?？刂破?9還通過(guò)熱電控制器66控制格柵標(biāo)準(zhǔn)具34的溫度。
參照?qǐng)D6，由波長(zhǎng)對(duì)相對(duì)強(qiáng)度圖解說(shuō)明引入到外腔中的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)與穿過(guò)增益介質(zhì)12的檢測(cè)電壓調(diào)制的關(guān)系。圖6示出格柵標(biāo)準(zhǔn)具通帶PB2，以及分別與外腔激光器模78A、78B和78C相應(yīng)的頻率或高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76A、76B、76C。以上述方式通過(guò)電光元件58的電壓調(diào)制把頻率調(diào)制信號(hào)76A-C引入到激光器外腔。如圖6所示，激光模78A相對(duì)于通帶PB2朝向通帶PB2的較短波長(zhǎng)側(cè)偏離中心，而激光模78B位于通帶PB2的大約中心波長(zhǎng)位置，激光模78C位于通帶PB2的較長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)位置。激光模波長(zhǎng)78B相應(yīng)于波長(zhǎng)鎖定位置并表現(xiàn)外腔的最佳損耗輪廓。激光模78A和78C相對(duì)于通帶PB2偏離中心并導(dǎo)致了非最佳腔損耗輪廓，其將需要通過(guò)調(diào)整電光元件58的有效光學(xué)厚度或通過(guò)如上所述定位端面鏡14來(lái)調(diào)整外腔長(zhǎng)度l。
示出分別作為在圖6右側(cè)的電壓調(diào)制信號(hào)80A、80B和80C的高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76A、76B和76C通過(guò)電壓傳感器72穿過(guò)增益介質(zhì)22檢測(cè)的電壓，其分別對(duì)應(yīng)于激光模波長(zhǎng)78A、78B和78C。在波長(zhǎng)短于通帶PB2的中心波長(zhǎng)的激光模78A的位置產(chǎn)生了具有帶高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76A相位中的調(diào)制的電壓信號(hào)80A。在波長(zhǎng)大于通帶PB2的中心波長(zhǎng)的激光模78C的位置產(chǎn)生了具有有關(guān)高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76C相位之外的電壓信號(hào)80C的調(diào)制。
相對(duì)于通帶PB2的坡度的每個(gè)激光波長(zhǎng)的位置作用于相應(yīng)電壓信號(hào)的幅度。由此，與在通帶PB2較陡坡度上的激光模78A波長(zhǎng)相應(yīng)的電壓信號(hào)80A具有較大的調(diào)制幅度，而與具有不陡坡度的PB2部分有關(guān)的激光模78C相應(yīng)的電壓信號(hào)80C具有相應(yīng)較小的調(diào)制幅度。因?yàn)楦哳l振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76B的周期與PB2的中心波長(zhǎng)大約對(duì)稱發(fā)生，所以與中心激光模78B相應(yīng)的電壓信號(hào)80B具有最小的調(diào)制幅度。在這種情況下，在電壓信號(hào)80B中主要強(qiáng)度頻率是高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76B頻率的兩倍。
從圖6中可以看出通過(guò)檢測(cè)器72在穿過(guò)增益介質(zhì)22的電壓中檢測(cè)的調(diào)制幅度表示激光器外腔所需的校正或調(diào)整幅度，而電壓信號(hào)調(diào)制相位表示調(diào)整的方向。選擇高頻振動(dòng)調(diào)制信號(hào)76A-C的幅度以在波長(zhǎng)鎖定期間把電壓信號(hào)調(diào)制的強(qiáng)度變化保持在對(duì)于外腔激光器特定使用的可接受的水平。選擇高頻振動(dòng)調(diào)制頻率足夠高以提供相干控制，和足夠低以阻止傳輸期間對(duì)調(diào)制到由外腔提供的承載信號(hào)上的信息的干擾。如上所述，大約20KHz的高頻振動(dòng)頻率對(duì)圖4A-4C所示的特定調(diào)諧是有效的。
使用如上所述的用于定位端面鏡24的主動(dòng)熱控制和激光器56的外腔以及其中的光部件的被動(dòng)熱穩(wěn)定。被動(dòng)熱穩(wěn)定或“不透熱裝置”在它最簡(jiǎn)形式中包括使用區(qū)分端至端交接的熱膨脹系數(shù)(CTE)且具有長(zhǎng)度與元件CTE比率成反比的被動(dòng)元件。在這種情況下，雖然各個(gè)元件的長(zhǎng)度隨著溫度的變化而變化，但是在元件的未交接端之間的距離將不取決于溫度，維持恒定。使用上述原理建立多個(gè)復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。被動(dòng)不透熱裝置的原理是公知的，并介紹在Yoder等的“Opto-mechanical Systems Design”第二版，1993年，Marcel Dekker公司，14章；“OpticalInstrument Structural Design”，將其引證在此供參考。
在外腔激光器中僅使用被動(dòng)熱穩(wěn)定，而不用由本發(fā)明提供的外腔主動(dòng)熱控制是有利的，但難于在某種激光器機(jī)構(gòu)中準(zhǔn)確地運(yùn)用。由此，由于被動(dòng)熱穩(wěn)定不能輕易補(bǔ)償?shù)臒崽荻群蜏囟茸兓?，將產(chǎn)生激光器特性的改變。如上所述，本發(fā)明通過(guò)電壓檢測(cè)或其它方法提供用于檢測(cè)激光器特性中的這種變化，接著按照檢測(cè)變化改變與外腔結(jié)合的結(jié)構(gòu)部件的溫度以調(diào)整外腔光路長(zhǎng)度。
在激光器工作期間，溫度變化作用于整個(gè)腔長(zhǎng)和腔與其內(nèi)部件的折射率，其將導(dǎo)致與自選擇傳輸信道波長(zhǎng)的外腔?！拔存i定”有關(guān)的輸出波長(zhǎng)和光損耗的變化。在腔內(nèi)承載的半波長(zhǎng)的總數(shù)隨著外腔光路長(zhǎng)度相對(duì)于溫度變化而變化。外腔的光路長(zhǎng)度是每個(gè)元件物理厚度的函數(shù)，包括在外腔內(nèi)的光學(xué)部件和空氣以及每個(gè)部件和空氣的折射率。具有相同光學(xué)厚度和不同折射率的兩個(gè)元件將各自承載通過(guò)其的不同數(shù)量的半波長(zhǎng)。如上所述，對(duì)于外腔激光器一旦選擇了輸出波長(zhǎng)，在外腔光路長(zhǎng)度中的任何變化將導(dǎo)致由外腔通帶沒(méi)有與選擇格柵通帶對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生的輸出光束中的光損耗。
圖7A和7B示意性示出分別與外腔激光器82、84有關(guān)的被動(dòng)熱穩(wěn)定方案，使用相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同的部件。外腔激光器82、84各自包括底座或基座58、帶平面26的增益介質(zhì)22、安裝在補(bǔ)償構(gòu)件18上的端面鏡或反射鏡24和調(diào)諧元件或信道選擇器36。多個(gè)附加光學(xué)元件共同地示為光學(xué)裝置86，其包括格柵發(fā)生器、準(zhǔn)直光學(xué)器件、偏振光器件和/或其它光學(xué)部件(未示出)。如上所述，熱電腔制器(未示出)耦合到補(bǔ)償構(gòu)件18用于其主動(dòng)熱控制。增益介質(zhì)22通過(guò)安裝元件88安裝到基座58，補(bǔ)償構(gòu)件18通過(guò)安裝元件90安裝到基座58。
在外腔激光器82、84的每一個(gè)中，形成在后平面28和端面鏡24之間長(zhǎng)度為L(zhǎng)Opl的諧振外腔。在外腔激光器82中，補(bǔ)償構(gòu)件18配置成在熱膨脹期間被動(dòng)地減小長(zhǎng)度LOpl，在部件18熱膨脹期間端面鏡24移動(dòng)到外腔內(nèi)。在外腔激光器84中，補(bǔ)償構(gòu)件18配置成在熱膨脹期間被動(dòng)地增加長(zhǎng)度LOpl，在部件18熱膨脹期間端面鏡24相對(duì)于外腔移動(dòng)到外部。在基座熱膨脹期間，安裝元件88、90將彼此移動(dòng)而分開(kāi)。
補(bǔ)償構(gòu)件18理想地被構(gòu)造和配置成維持光路程度LOpl不隨溫度而改變(除了在補(bǔ)償構(gòu)件18主動(dòng)熱控制期間)。如圖7A所示，光路長(zhǎng)度LOpl可以表達(dá)為通過(guò)激光器82各個(gè)部件光路的總和，包括增益介質(zhì)22、信道選擇器36、共同光學(xué)元件86和在上述元件之間的空氣間隙La1、La2、La3。通過(guò)增益介質(zhì)22的光學(xué)厚度或路徑長(zhǎng)度是Ld，通過(guò)元件86的光路長(zhǎng)度是Ll，通過(guò)信道選擇器36的光路長(zhǎng)度Lt。通過(guò)增益介質(zhì)22和光學(xué)元件86之間空氣間隙的光路長(zhǎng)度是La1，通過(guò)光學(xué)元件86和信道選擇器36之間空氣間隙的光路長(zhǎng)度是La2，信道選擇器36和端面鏡24之間的光路長(zhǎng)度是La3。因?yàn)榧す馄?2所有的元件都直接或間接地耦合到基座58，隨著基座58溫度的升高，它們相對(duì)的物理間隔將典型地增加。這將導(dǎo)致腔光路長(zhǎng)度LOpl變化。
元件的光路長(zhǎng)度通常等于它的折射率和它沿著光路尺寸的乘積。外腔激光器的光路長(zhǎng)度是在穿過(guò)外腔的光路中存在的多個(gè)元件的折射率和光學(xué)厚度乘積的總和，包括在腔內(nèi)存在的空氣。由此外腔激光器的光路長(zhǎng)度可以表示為L(zhǎng)Opl＝∑ni·li(1)其中ni是沿著光路每個(gè)元件的折射率，li是每個(gè)元件沿光路的厚度。使用小寫(xiě)字母l代表元件的物理尺寸，大寫(xiě)字母L代表光學(xué)尺寸。由Huygens定律可以看出由具有固定端點(diǎn)的元件承載的半波長(zhǎng)的總和隨著元件折射率的增加而增加。這由觀察在較高折射率的介質(zhì)中光傳輸較慢和波峰相應(yīng)地更緊密而得出。由此，在相同的距離上，具有較高折射率的元件承載更多數(shù)量的波長(zhǎng)，光路長(zhǎng)度不是物理路徑長(zhǎng)度而是由外腔承載的半波長(zhǎng)總和的更為準(zhǔn)確的測(cè)量。
作為第一階近似，補(bǔ)償構(gòu)件18需要熱膨脹以維持外腔物理路徑長(zhǎng)度尺寸(LOpl)恒定。對(duì)于如圖7A所示的結(jié)構(gòu)，需要滿足dlF1/dT＝dlC/dT。給出在固定點(diǎn)88、90之間的物理距離和基座58的熱膨脹系數(shù)αF，可以確定按需要結(jié)合安裝件90和端面鏡24之間材料和厚度以維持在由平面28和端面鏡24限定的腔端點(diǎn)之間的物理距離恒定。在第一階近似中存在幾個(gè)潛在的誤差源。首先，如上所述光路和物理路徑長(zhǎng)度不同。替代地，對(duì)于光路(例如Ld、LI、Lt、La1、La3)的每一段，為了保持腔內(nèi)半波長(zhǎng)總數(shù)的恒定，必須考慮每個(gè)元件的折射率。其次，確定每個(gè)元件可以承載的波長(zhǎng)數(shù)時(shí)，必須計(jì)算元件的膨脹。每個(gè)元件的膨脹根據(jù)它的熱膨脹系數(shù)和沿著光路的截面厚度而變化。此外，在溫度變化期間，一些腔元件膨脹，而其它元件收縮，由此改變腔的平均加權(quán)折射率。對(duì)于由腔的物理長(zhǎng)度分開(kāi)的每個(gè)元件，平均加權(quán)折射率是物理長(zhǎng)度和折射率的乘積的總和。例如，在溫度升高期間，由于補(bǔ)償構(gòu)件18向內(nèi)快速熱膨脹，減小了空氣間隔La3，同時(shí)光學(xué)元件增加了厚度。第三點(diǎn)誤差源來(lái)自于每個(gè)元件折射率隨著溫度而變化并且變化量不同的事實(shí)。需要一種方法把所有這些變化引入到補(bǔ)償構(gòu)件18的材料和尺寸的選擇中以使外腔在寬廣的溫度范圍光學(xué)穩(wěn)定。
通過(guò)等式(2)提供確定補(bǔ)償構(gòu)件18的材料和厚度或尺寸結(jié)合的更為準(zhǔn)確的方法，其中表達(dá)了由于每個(gè)元件物理長(zhǎng)度的變化和折射率的變化而引起的光路長(zhǎng)度中溫度相關(guān)的變化。
O=dLOpldT=Σd(ni·li)dT=Σ(ni·αi+dnidT)·li...(2)]]>在等式(2)中，光路長(zhǎng)度Lopl的變化率相對(duì)于溫度是零需要滿足條件光路長(zhǎng)度是溫度的不變量。光路長(zhǎng)度表達(dá)為每個(gè)元件的折射率ni、每個(gè)元件的熱膨脹系數(shù)αi和每個(gè)元件的物理長(zhǎng)度li乘積的導(dǎo)數(shù)。如上所述，外腔的各個(gè)元件包括增益介質(zhì)22、信道選擇器36、其它光學(xué)器件86和在光路中存在的空氣和其它氣體。
在圖7A中外腔激光器82的光路是由構(gòu)成它各段光路長(zhǎng)度的總和，包括空氣或其它氣體分隔光學(xué)部件的區(qū)域。由等式(1)的解法這種關(guān)系可以表達(dá)為等式(3)LOpl＝Ld+Ll+Lt+La123＝ndld+nlll+ntlt+nala123(3)空氣間隔長(zhǎng)度la123受基座58和補(bǔ)償構(gòu)件18膨脹和收縮影響，根據(jù)基座58的尺寸表達(dá)的空氣間隔為lF1，補(bǔ)償構(gòu)件18的尺寸表達(dá)的空氣間隔為lC。那么等式(3)可以表達(dá)為L(zhǎng)Opl＝ndld+nlll+ntlt+na(lF1-ld-ll-lt-lc)(4)等式(4)可以表達(dá)為如下的等式(5)，以根據(jù)基座58的光路長(zhǎng)度LF1、由腔內(nèi)光學(xué)元件86產(chǎn)生的附加光路長(zhǎng)度LO和補(bǔ)償件18的光路長(zhǎng)度LC示出光路長(zhǎng)度LOpl＝[nalF1]+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]-[nalc](5)等式(5)可以表示為
LOpl＝LF+LO-LC(6)由上述等式(2)可以看出確定LOpl的導(dǎo)數(shù)并設(shè)置其等于零。如下面等式(7)中說(shuō)明的，這提供了一種由基座58的光路長(zhǎng)度導(dǎo)數(shù)LF′和在外腔中通過(guò)光學(xué)元件86產(chǎn)生的光路長(zhǎng)度導(dǎo)數(shù)LO′的總和表示補(bǔ)償構(gòu)件18的光路長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)LC′的解。在求導(dǎo)數(shù)過(guò)程中分別使用補(bǔ)償構(gòu)件18、基座58、增益介質(zhì)22和光學(xué)部件86的熱膨脹系數(shù)αC、αF、αd、αl。此外，分別使用空氣、增益介質(zhì)22、光學(xué)元件86和信道選擇器36的折射率na、nd、nl和nt，獲得如下等式[nalc]′＝[nalF]′+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]′(7)等式(7)還可以表示為L(zhǎng)C′＝LF′+LO′ (8)可以求解等式(7)中的導(dǎo)數(shù)以得到補(bǔ)償構(gòu)件18的熱膨脹系數(shù)和長(zhǎng)度乘積的解。
圖7B示出補(bǔ)償構(gòu)件18相對(duì)于基座58的不同放置，補(bǔ)償構(gòu)件18的膨脹導(dǎo)致增加激光器84的外腔光路長(zhǎng)度。在等式(9)中提供的等式(1)的解中示出了這種關(guān)系LOpl＝Ld+Ll+Lt+La124＝ndld+nlll+ntlt+na124(9)如上所述，空氣間隔長(zhǎng)度La123受基座58以及補(bǔ)償構(gòu)件18的膨脹和收縮影響。但是在這種情況下，補(bǔ)償構(gòu)件18的膨脹與圖7A所示的作用相反。可以根據(jù)基座的尺寸lF1和補(bǔ)償構(gòu)件18的尺寸LC表達(dá)空氣間隔長(zhǎng)度。等式(9)可以表達(dá)為等式(10)LOpl＝ndld+nlll+ntlt+na(lF1-ld-ll-lt+lc) (10)根據(jù)基座58的光學(xué)長(zhǎng)度LF1、由光學(xué)器件86提供的附加光學(xué)長(zhǎng)度LO和補(bǔ)償構(gòu)件18的光學(xué)長(zhǎng)度LC表達(dá)等式(10)LOpl＝[nalF1]+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]-[nalc] (11)或者，更為簡(jiǎn)化LOpl＝LF+LO+LC(12)計(jì)算LOpl的導(dǎo)數(shù)并設(shè)其為零提供了根據(jù)基座58的光路長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)LF′和光學(xué)部件86光路長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)LO′的總和表示的補(bǔ)償構(gòu)件18的光路長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)LC′的解，如下等式(13)所示。在求導(dǎo)數(shù)過(guò)程中分別使用補(bǔ)償構(gòu)件18、基座58、增益介質(zhì)22、光學(xué)部件86和信道選擇器36的熱膨脹系數(shù)αC、αF、αd、αl。此外，分別使用空氣、增益介質(zhì)22、光學(xué)元件86和信道選擇器36的折射率na、nd、nl和nt，獲得導(dǎo)數(shù)
-[nalc]′＝[nalF]′+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]′(13)其還可以表達(dá)為-LC′＝LF′+LO′ (14)等式(13)的解提供了補(bǔ)償構(gòu)件18的熱膨脹系數(shù)和尺寸的乘積，補(bǔ)償構(gòu)件18向圖7B的外腔激光器結(jié)構(gòu)提供被動(dòng)熱穩(wěn)定。
雖然參照特定實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解不脫離本發(fā)明的精神和范圍可以做出各種變型和等同替代。此外，為使特定的情況、材料、物質(zhì)的化合物、工藝、工藝步驟或步驟適應(yīng)本發(fā)明的目的、精神和范圍，可以做出多種改進(jìn)。所有這些改進(jìn)都在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光裝置，包括限定激光腔的第一與第二反射鏡；和補(bǔ)償構(gòu)件，所述補(bǔ)償構(gòu)件耦合到至少一個(gè)所述反射鏡，并被配置成相對(duì)于另一所述反射鏡來(lái)熱定位一個(gè)所述反射鏡。
2.權(quán)利要求1的激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件耦合到所述第一反射鏡并被配置成相對(duì)于所述第二反射鏡定位所述第一反射鏡。
3.權(quán)利要求1的激光裝置，還包括操作上耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件并被配置成熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器。
4.權(quán)利要求2的激光裝置，還包括具有第一與第二輸出平面的增益介質(zhì)，所述第一輸出平面沿著光路發(fā)射相干光束，所述第一反射鏡位于所述光路中，所述第二輸出平面限定所述第二反射鏡，所述第一反射鏡和所述第二輸出平面限定所述激光腔。
5.權(quán)利要求2的激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件是導(dǎo)熱的。
6.權(quán)利要求2的激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件具有高的熱膨脹系數(shù)。
7.權(quán)利要求4的激光裝置，其中所述增益介質(zhì)和所述第一反射鏡相對(duì)于彼此被動(dòng)絕熱。
8.權(quán)利要求1的激光裝置，還包括(a)檢測(cè)器，與所述外腔結(jié)合并被配置成檢測(cè)與所述外腔有關(guān)的損耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述補(bǔ)償元件和所述檢測(cè)器，并被配置成按照從所述檢測(cè)器中導(dǎo)出的誤差信號(hào)熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件。
9.權(quán)利要求8的激光裝置，還包括操作上耦合到所述激光腔并被配置成把頻率調(diào)制引入到所述激光腔的高頻振動(dòng)元件。
10.一種外腔激光器，包括(a)包括第一與第二輸出平面的增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)沿著光路從所述第一輸出平面發(fā)射相干光束；(b)位于所述光路中的端面鏡，所述端面鏡和所述第二輸出平面限定外腔；(c)耦合到所述端面鏡的補(bǔ)償構(gòu)件；和(d)耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件并被配置成通過(guò)熱控制所述補(bǔ)償構(gòu)件來(lái)在位置上調(diào)整所述端面鏡的熱控制器。
11.權(quán)利要求10的外腔激光器，還包括位于所述光路中所述端面鏡前面的格柵發(fā)生器。
12.權(quán)利要求11的外腔激光器，還包括位于所述光路中所述端面鏡前面的信道選擇器。
13.權(quán)利要求10的外腔激光裝置，還包括基座，所述增益介質(zhì)安裝在所述基座上，所述補(bǔ)償構(gòu)件安裝在所述基座上，所述基座具有第一熱膨脹系數(shù)，所述補(bǔ)償構(gòu)件具有第二熱膨脹系數(shù)，所述基座和所述補(bǔ)償構(gòu)件被加工成所需要的尺寸并被配置成被動(dòng)地與所述外腔絕熱。
14.權(quán)利要求12的外腔激光裝置，還包括基座，所述增益介質(zhì)、所述格柵發(fā)生器、所述信道選擇器和所述補(bǔ)償元件安裝在所述基座上，所述補(bǔ)償構(gòu)件具有第一熱膨脹系數(shù)，所述基座具有第二熱膨脹系數(shù)，所述基座和所述補(bǔ)償構(gòu)件被加工成所需要的尺寸并被配置成被動(dòng)地與所述外腔絕熱。
15.權(quán)利要求10的外腔激光裝置，還包括(a)檢測(cè)器，與所述外腔結(jié)合并被配置成檢測(cè)與所述外腔有關(guān)的損耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述補(bǔ)償元件和所述檢測(cè)器，并被配置成按照從所述檢測(cè)器中導(dǎo)出的誤差信號(hào)來(lái)熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件。
16.權(quán)利要求15的外腔激光裝置，其中所述檢測(cè)器是設(shè)置用來(lái)監(jiān)測(cè)穿過(guò)所述增益介質(zhì)的電壓的電壓檢測(cè)器。
17.權(quán)利要求15的外腔激光裝置，還包括操作上耦合到所述外腔并被配置成把頻率調(diào)制引入到外腔的高頻振動(dòng)元件。
18.權(quán)利要求10的外腔激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件包含具有高的熱膨脹系數(shù)的材料。
19.權(quán)利要求18的外腔激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件是導(dǎo)熱的。
20.一種外腔激光裝置，包括(a)包括第一與第二輸出平面的增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)沿著光路從所述第一輸出平面發(fā)射相干光束；(b)位于所述光路中的端面鏡，所述端面鏡和所述第二輸出平面限定外腔；(c)耦合到所述端面鏡的補(bǔ)償構(gòu)件，所述補(bǔ)償構(gòu)件具有第一熱膨脹系數(shù)；(d)耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件并被配置成通過(guò)熱控制所述補(bǔ)償構(gòu)件來(lái)在位置上調(diào)整所述端面鏡的熱控制器；和(e)導(dǎo)熱基座，所述導(dǎo)熱基座具有第二熱膨脹系數(shù)，所述增益介質(zhì)耦合到所述基座，所述熱控制器耦合到所述基座，所述基座和所述補(bǔ)償構(gòu)件被加工成所需要的尺寸并被配置成被動(dòng)地與所述外腔絕熱。
21.權(quán)利要求20的外腔激光裝置，還包括(a)檢測(cè)器，與所述外腔結(jié)合并配置成檢測(cè)與所述外腔有關(guān)的損耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述補(bǔ)償元件和所述檢測(cè)器，并被配置成按照從所述檢測(cè)器導(dǎo)出的誤差信號(hào)熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件。
22.權(quán)利要求21的外腔激光裝置，其中所述檢測(cè)器是設(shè)置用來(lái)監(jiān)測(cè)穿過(guò)所述增益介質(zhì)的電壓的電壓檢測(cè)器。
23.權(quán)利要求21的外腔激光裝置，還包括操作上耦合到所述外腔并被配置成把頻率調(diào)制引入到外腔的高頻振動(dòng)元件。
24.權(quán)利要求20的外腔激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件包含具有高的熱膨脹系數(shù)的材料。
25.權(quán)利要求24的外腔激光裝置，其中所述補(bǔ)償構(gòu)件是導(dǎo)熱的。
26.一種操作激光器的方法，包括(a)提供第一與第二反射鏡，所述第一與第二反射鏡限定激光腔；和(b)通過(guò)熱調(diào)整耦合到至少一個(gè)所述反射鏡的補(bǔ)償構(gòu)件來(lái)調(diào)整所述激光腔。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所述熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件包括利用耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器來(lái)加熱或冷卻所述補(bǔ)償構(gòu)件。
28.權(quán)利要求26的方法，還包括被動(dòng)地使所述激光腔絕熱。
29.權(quán)利要求26的方法，還包括監(jiān)測(cè)與所述激光腔有關(guān)的損耗。
30.權(quán)利要求29的方法，其中按照從與所述激光腔有關(guān)的所述損耗的所述監(jiān)測(cè)中導(dǎo)出的誤差信號(hào)進(jìn)行所述熱調(diào)整。
31.權(quán)利要求29的方法，還包括把頻率調(diào)制引入到所述激光腔。
32.一種產(chǎn)生可調(diào)諧相干光輸出的方法，包括(a)提供外腔激光器，具有帶第一與第二輸出平面并沿著光路自所述第一輸出平面發(fā)射相干光束的增益介質(zhì)；和位于所述光路中的端面鏡，所述端面鏡和所述第二輸出平面限定外腔；和(b)通過(guò)熱調(diào)整耦合到所述端面鏡的補(bǔ)償構(gòu)件來(lái)調(diào)整所述光學(xué)腔。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件包括利用耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器加熱或冷卻所述補(bǔ)償構(gòu)件。
34.權(quán)利要求32的方法，還包括被動(dòng)地使所述外腔絕熱。
35.權(quán)利要求32的方法，還包括監(jiān)測(cè)與所述外腔有關(guān)的外部損耗。
36.權(quán)利要求35的方法，其中所述監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)穿過(guò)所述增益介質(zhì)的電壓。
37.權(quán)利要求35的方法，還包括把頻率調(diào)制引入到所述外腔中。
38.權(quán)利要求35的方法，其中按照從引入到所述激光腔中的所述頻率調(diào)制的所述監(jiān)測(cè)中導(dǎo)出的誤差信號(hào)進(jìn)行所述熱調(diào)整。
39.一種激光裝置，包括(a)限定激光腔的第一與第二反射鏡；和(b)用于熱調(diào)整至少一個(gè)所述反射鏡的裝置。
40.權(quán)利要求39的激光裝置，其中所述熱調(diào)整裝置包括耦合到所述反射鏡并被配置成熱定位所述反射鏡的補(bǔ)償構(gòu)件。
41.權(quán)利要求40的激光裝置，其中所述熱調(diào)整裝置還包括操作上耦合到所述補(bǔ)償構(gòu)件并被配置成熱調(diào)整所述補(bǔ)償構(gòu)件的熱電控制器。
42.權(quán)利要求39的激光裝置，還包括用于被動(dòng)地?zé)岱€(wěn)定所述激光腔的裝置。
全文摘要
一種使用反射元件的主動(dòng)熱能化來(lái)最小化損耗并提供波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光裝置(20)和方法。該激光器包括限定外腔的第一與第二反射鏡(24、28)以及耦合到至少一個(gè)反射鏡(24)并被配置成相對(duì)于一個(gè)反射鏡(28)熱定位另一個(gè)反射鏡(24)的補(bǔ)償構(gòu)件(16)。通過(guò)操作上耦合到補(bǔ)償構(gòu)件(16)并被配置成通過(guò)加熱或冷卻來(lái)熱調(diào)整補(bǔ)償構(gòu)件(16)的熱電控制器(18)進(jìn)行熱定位。激光裝置(20)可以包括具有第一與第二輸出平面(26、28)并沿著光路(32)自第一平面發(fā)射相干光束的增益介質(zhì)(22)。在光路(32)中設(shè)置第一反射鏡(24)，用第二輸出平面(28)和第一反射鏡(24)限定輸出腔。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1547790SQ02810318
公開(kāi)日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月21日
發(fā)明者A·V·圖加諾夫, M·S·賴斯, M·E·麥唐納, B·V·約翰森, P·C·－H·林, A V 圖加諾夫, -H 林, 約翰森, 賴斯, 麥唐納 申請(qǐng)人:英特爾公司