專利名稱：具有衍射光學(xué)元件的波長(zhǎng)可調(diào)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有衍射光學(xué)元件的波長(zhǎng)可調(diào)激光器。
背景技術(shù)：
波長(zhǎng)可調(diào)激光光源在工業(yè)中，具體地說(shuō)在光學(xué)通信測(cè)量器件工業(yè)中不斷變得重要起來(lái)。O.T.Cassdiy和Michael Hamp在文章“Diffractive opticalelement used in external feedback configuration to tune the wavelength ofuncoated Fabry-Perot diode lasers”(“在外部反饋結(jié)構(gòu)中用來(lái)調(diào)諧無(wú)鍍層的法布里-珀羅二極管激光器的衍射光學(xué)元件”，Journal of Modem Optics，1999，Vol.46，No.7，1071～1708)中，給出了一種具有外部光學(xué)諧振器的波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器。該目的由獨(dú)立權(quán)利要求解答。優(yōu)選實(shí)施例則由從屬權(quán)利要求提供。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器包括第一和第二諧振器端反射器。兩個(gè)反射器都被設(shè)置成向彼此反射電磁輻射的入射束，因此確定了一個(gè)諧振器，在該諧振器中，諧振模式由于干涉電磁波而形成。諧振器端反射器至少可以是全反射器件、半透明鏡、反向反射器、布拉格反射器等中的一個(gè)。長(zhǎng)度由所述第一和第二諧振器端反射器確定的光路能被線性地沿直線設(shè)置，或者能通過(guò)衍射柵格或重定向鏡重定向。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，例如李特曼(Littmann)諧振器(如在其基礎(chǔ)性論文中所述，例如在“Liu and Littman，Novel geometry for single-modescanning of tunable lasers，Optical Society of America(用于可調(diào)激光器單模掃描的新穎的幾何學(xué)，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì))，1981”)、立特魯(Littrow)諧振器(例如在EP-A-952643中所示出)等的任何種類的諧振器可以通過(guò)諧振器端反射器和其他的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，但是包括平面平行光路的直線形諧振器或環(huán)形諧振器是最優(yōu)選的。
該激光諧振器也包括增益介質(zhì)或用于產(chǎn)生和發(fā)射電磁輻射束的元件。增益元件最好是具有波導(dǎo)性質(zhì)的半導(dǎo)體。
衍射光學(xué)元件被設(shè)置在由諧振器端反射器所確定的光路中。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的衍射光學(xué)元件被設(shè)計(jì)成用來(lái)將平行的入射束聚焦到焦點(diǎn)。與常規(guī)光學(xué)透鏡相反，焦點(diǎn)與衍射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element，DOE)之間的距離，強(qiáng)烈地取決于入射束的波長(zhǎng)。例如，對(duì)于菲涅耳帶板，使用近軸近似，且λ是電磁輻射的波長(zhǎng)時(shí)，則焦點(diǎn)距離大致與1/λ成比例。
作為波長(zhǎng)濾波器，衍射光學(xué)元件必須將依賴于波長(zhǎng)的光學(xué)損耗引入到光學(xué)系統(tǒng)中，該光學(xué)系統(tǒng)包括諧振器端反射器和增益介質(zhì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了獲得較低的光學(xué)損耗，衍射光學(xué)元件必須將源于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的發(fā)散射束變換為與由諧振器的反射器所給定的幾何條件相匹配的射束。從該條件偏離的射束將部分或完全地離開(kāi)諧振器，這就意味著額外的光學(xué)損耗。由于DOE的依賴于波長(zhǎng)的成像性質(zhì)，僅有一個(gè)特定的波長(zhǎng)滿足該幾何條件，其由DOE的構(gòu)造以及DOE與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的距離決定。
對(duì)第一和第二諧振器端反射器進(jìn)行設(shè)置，從而至少一個(gè)反射器可以相對(duì)于諧振器中的其他光學(xué)元件移動(dòng)，來(lái)增加或減少所述光路長(zhǎng)度。進(jìn)行這樣的移動(dòng)，可以對(duì)諧振模式的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。由于至少一個(gè)反射器的調(diào)諧移動(dòng)，因衍射光學(xué)元件而由波長(zhǎng)濾波器所選擇的諧振模式的波長(zhǎng)漂移，并且脫離衍射光學(xué)元件所提供的濾波函數(shù)的波長(zhǎng)范圍。
所以根據(jù)本發(fā)明，衍射光學(xué)元件也可以相對(duì)于諧振器中的其他光學(xué)元件移動(dòng)。衍射光學(xué)元件最好能相對(duì)于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)移動(dòng)，來(lái)改變依賴于經(jīng)過(guò)調(diào)諧的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)濾波器曲線。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，衍射光學(xué)元件可以包括相位調(diào)制結(jié)構(gòu)或振幅調(diào)制結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。在兩種情形中，入射光束都經(jīng)過(guò)衍射，從而這些結(jié)構(gòu)所透射或反射的電磁輻射的疊加將導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉或相消干涉。設(shè)置衍射光學(xué)元件配備的結(jié)構(gòu)，從而使得相長(zhǎng)干涉發(fā)生在距所述衍射光學(xué)元件一定距離內(nèi)基本相同的位置。
衍射光學(xué)元件的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是菲涅耳帶板。非透明或相移結(jié)構(gòu)被設(shè)置為與透明圓環(huán)結(jié)構(gòu)相交替的透明介質(zhì)上的同心圓環(huán)。圓環(huán)的周期隨著距圓環(huán)中心的距離而增加。因此，具有給定波長(zhǎng)的電磁波被向著例如通過(guò)所述同心圓環(huán)中心的軸衍射。所得到的衍射角度，對(duì)于相對(duì)于中心更遠(yuǎn)的圓環(huán)相位或圓環(huán)振幅結(jié)構(gòu)比那些被設(shè)置在靠近軸的圓環(huán)相位或圓環(huán)振幅結(jié)構(gòu)更大。因此，根據(jù)菲涅耳帶板的實(shí)施例的衍射光學(xué)元件起著具有焦距的透鏡的作用。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了特別的優(yōu)點(diǎn)，即衍射光學(xué)元件能以基本平坦的器件的方式實(shí)現(xiàn)。因此，它能被設(shè)置在特別靠近激光光源或諧振器端反射器的位置，而像距或焦距能被設(shè)計(jì)得相當(dāng)?shù)匦?。此外，衍射光學(xué)元件起著被結(jié)合進(jìn)一個(gè)器件中的波長(zhǎng)濾波器和準(zhǔn)直透鏡的作用。在另一個(gè)實(shí)施例中，波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器包括控制單元，其各自被連接到用于移動(dòng)第一或第二諧振器端反射器中至少一個(gè)的驅(qū)動(dòng)器和用于移動(dòng)衍射光學(xué)元件的驅(qū)動(dòng)器。響應(yīng)用于調(diào)諧諧振器的波長(zhǎng)的諧振器端反射器之一的移動(dòng)，改變衍射光學(xué)元件的位置。該位置改變是針對(duì)于增益元件和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行的。
最好為控制單元提供一個(gè)查找表，該查找表將諧振器端反射器位置與衍射光學(xué)元件位置聯(lián)系起來(lái)。該查找表最好在初始的工具設(shè)置時(shí)建立。
通過(guò)用分束器耦合輸出的射束的一部分來(lái)測(cè)量當(dāng)前波長(zhǎng)也是可能。然后，衍射光學(xué)元件的位置能響應(yīng)直接測(cè)量而調(diào)節(jié)。
此外，可以設(shè)置主動(dòng)控制機(jī)制，其中，一個(gè)諧振器端反射器或DOE在中心位置附近發(fā)生抖動(dòng)。然后，激光的一部分能被針對(duì)諸如光功率或波長(zhǎng)的物理性質(zhì)進(jìn)行分析。從針對(duì)抖動(dòng)動(dòng)作的相位敏感分析，能得到控制信號(hào)，該控制信號(hào)能夠?qū)χC振器端反射器和DOE的位置進(jìn)行同步。
應(yīng)被理解的是，此外在諧振器中重定向光路的重定向鏡或光柵被認(rèn)為是根據(jù)本發(fā)明的諧振器端反射器。這些元件的移動(dòng)能夠調(diào)諧諧振器的波長(zhǎng)，因此最好可以和作為可調(diào)諧波長(zhǎng)濾波器的衍射光學(xué)元件一起，被組合進(jìn)一個(gè)諧振器中。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器進(jìn)一步的小型化還被有利地推動(dòng)了。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)參照后面詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其他目的和許多附帶的優(yōu)點(diǎn)將很容易地被意識(shí)到，并且能更好地被理解?；旧匣蚬δ苌系韧蝾愃频奶卣鲗⒁韵嗤膮⒖挤?hào)指示。
圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例，具有帶反射背面，作為增益元件的激光二極管和衍射光學(xué)元件的直線形激光諧振器；圖2示出了根據(jù)第二實(shí)施例，具有衍射光學(xué)元件的環(huán)形諧振器；圖3示出了根據(jù)第三實(shí)施例，具有在兩面都涂覆有抗反射層作為增益元件的激光二極管和衍射光學(xué)元件的直線形激光諧振器；圖4示出了具有曲面衍射光學(xué)元件的諧振器。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器的第一個(gè)實(shí)施例。激光二極管芯片30包括增益介質(zhì)14和背面16。在增益介質(zhì)14中，產(chǎn)生電磁輻射束5，并且通過(guò)前表面12將其發(fā)射到衍射光學(xué)元件40。該衍射光學(xué)元件40包括菲涅耳帶板，其具有設(shè)置在透明板上的相移調(diào)制結(jié)構(gòu)的同心圓環(huán)。如此確定的衍射菲涅耳透鏡具有焦距100，其依賴于通過(guò)透鏡透射的光的波長(zhǎng)。
衍射光學(xué)元件40被設(shè)置在距激光光源的一定距離內(nèi)，該距離基本上等于焦距100。于是，射束5基本上具有對(duì)應(yīng)于焦距的特定波長(zhǎng)的部分被準(zhǔn)直為一束穿過(guò)部分反射的第二諧振器端反射器20的基本上平行的光線，該焦距等于激光光源-衍射光學(xué)元件距離。
射束5基本上從第二諧振器端反射器20被反射回來(lái)，然后被衍射光學(xué)元件40向著激光光源30聚焦在距離101中。射束5并不對(duì)應(yīng)于特定波長(zhǎng)的部分由于沒(méi)有成為平行光束而離開(kāi)了諧振器。衍射光學(xué)元件40起著波長(zhǎng)濾波器的作用。對(duì)于特定的波長(zhǎng)，在這個(gè)實(shí)施例中像距101等于焦距100。
激光光源30的背面16代表了第一諧振器端反射器10，由此其確定了諧振器1的光路長(zhǎng)度。于是，諧振模式在諧振器1中形成，該諧振模式具有取決于光路長(zhǎng)度的波長(zhǎng)。選擇激光光源30的增益介質(zhì)14與衍射光學(xué)元件40之間的距離，從而用所述特定波長(zhǎng)濾波器挑選一個(gè)模式。背面16也是部分反射的，從而射束5的一部分也能在這里進(jìn)行耦合輸出。透鏡55用于準(zhǔn)直被耦合輸出的射束。
為調(diào)諧諧振模式的波長(zhǎng)，第二諧振器端反射器20在第一方向21上可以相對(duì)于在諧振器1中的其他光學(xué)元件是來(lái)回移動(dòng)的，尤其是相對(duì)于背面16。當(dāng)由于調(diào)諧而導(dǎo)致這些波長(zhǎng)漂移時(shí)，波長(zhǎng)濾波器，即衍射光學(xué)元件40所選擇的諧振模式離開(kāi)波長(zhǎng)濾波函數(shù)，并會(huì)由于被濾出而消失。
衍射光學(xué)元件40具有在第二方向41的移動(dòng)能力。于是，能夠使衍射光學(xué)元件40移動(dòng)以使其位于距激光光源30的一定距離，該距離對(duì)應(yīng)于對(duì)漂移的波長(zhǎng)有效的衍射光學(xué)元件40的焦距100。因此，衍射光學(xué)元件40的運(yùn)動(dòng)提供了波長(zhǎng)濾波函數(shù)的變動(dòng)，于是能對(duì)諧振器波長(zhǎng)調(diào)諧進(jìn)行校正。作為一種有利的結(jié)果，在進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧時(shí)能避免模式跳躍。
圖2示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例。由第一和第二諧振器端反射器10、10′、20和20′確定了環(huán)形諧振器，其中，產(chǎn)生電磁輻射束5，和/或通過(guò)增益介質(zhì)14對(duì)其進(jìn)行放大，并且將其發(fā)射進(jìn)入射束5的環(huán)狀光路。衍射光學(xué)元件40被設(shè)置在第一方向的光路上，準(zhǔn)直光學(xué)透鏡55被設(shè)置在第二方向的光路上。光路長(zhǎng)度能通過(guò)在方向11移動(dòng)第一諧振器端反射器10、10′組而增加。將包括與第一實(shí)施例相同特征的衍射光學(xué)元件40設(shè)置為可以在方向41上移動(dòng)，以響應(yīng)波長(zhǎng)調(diào)諧而調(diào)節(jié)濾波波長(zhǎng)。
圖3示出了本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。類似于圖1，顯示了直線形諧振器。但是，衍射光學(xué)元件40和第二諧振器端反射器20用相同的光學(xué)器件代表，因此，在本實(shí)施例中衍射光學(xué)元件40是反射性而非透射性的。在本實(shí)施例中，由于幾何上的原因，像距101大約是DOE焦距的兩倍。
由于與到激光光源的距離相比，衍射光學(xué)元件的像距101規(guī)定了經(jīng)過(guò)濾波的波長(zhǎng)范圍，所以第一諧振器端反射器10可以移動(dòng)，以便給出調(diào)諧諧振器1的另外的選擇。因此，在本實(shí)施例中，激光光源沒(méi)有反射背面。
圖4示出了衍射光學(xué)元件40更有利的實(shí)施例。所顯示的元件都是曲面的，從而相對(duì)于具有相同相位結(jié)構(gòu)尺度，但設(shè)置在平面板上的菲涅耳帶板，延長(zhǎng)或縮短了焦距或像距。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器，包括第一諧振器端反射器(10)，用于把電磁輻射的射束(5)向第二諧振器端反射器(20)反射，所述第二諧振器端反射器(20)，用于把所述射束(5)往回向所述第一諧振器端反射器(10)反射，所述第一(10)和第二諧振器端反射器(20)確定了具有一定長(zhǎng)度的光路的諧振器，增益介質(zhì)(14)，用于把所述射束(5)向所述第一(10)和第二諧振器端反射器(20)發(fā)射，所述增益介質(zhì)(14)被設(shè)置在所述諧振器(1)內(nèi)，衍射光學(xué)元件(40)，設(shè)置在所述光路內(nèi)，適合于對(duì)所述射束(5)進(jìn)行波長(zhǎng)濾波，并且將至少一部分所述經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)濾波的射束(5)向所述增益介質(zhì)(14)聚焦，其中，所述第一(10)或所述第二諧振器端反射器(20)中的至少一個(gè)被設(shè)置成可以相對(duì)于諧振器(1)內(nèi)的其他光學(xué)元件移動(dòng)，以增加或減少所述諧振器(1)的所述光路的所述長(zhǎng)度，和其中，所述衍射光學(xué)元件(40)被設(shè)置成可以相對(duì)于諧振器(1)內(nèi)的其他光學(xué)元件移動(dòng)，以使所述使經(jīng)過(guò)濾波的波長(zhǎng)適應(yīng)所述光路的所述長(zhǎng)度的所述增加或減少。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述增益介質(zhì)(14)包括被設(shè)置為所述增益介質(zhì)(14)的背面(16)的所述第一諧振器端反射器(10)，并且所述增益介質(zhì)(14)具有前表面(12)，通過(guò)所述前表面(12)，所述射束(5)被發(fā)射到第二諧振器端反射器(20)，和其中，所述衍射光學(xué)元件(40)被設(shè)計(jì)用于透射所述經(jīng)過(guò)衍射的射束(5)。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第一諧振器端反射器(10)被設(shè)置成可以相對(duì)于所述其他光學(xué)元件移動(dòng)，和所述衍射光學(xué)元件(40)和所述第二諧振器端反射器(20)指代相同的光學(xué)元件，該光學(xué)元件被設(shè)置成可以相對(duì)于所述其他光學(xué)元件移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的諧振器，還包括控制單元和驅(qū)動(dòng)器，均用于移動(dòng)所述衍射光學(xué)元件(40)和所述第一(10)或所述第二諧振器端反射器(20)中的至少一個(gè)，以響應(yīng)所述光路的所述長(zhǎng)度的增加或減少來(lái)調(diào)節(jié)所述衍射光學(xué)元件(40)在所述光路內(nèi)的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述第一和所述第二諧振器端反射器被配備為反向反射器，從而形成了確定環(huán)形諧振器的光路。
6.如權(quán)利要求5所述的諧振器，還包括光學(xué)二極管，用來(lái)選擇一個(gè)射束方向以減少或避免增益介質(zhì)(14)中的空間燒孔效應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述衍射光學(xué)元件(40)包括用于衍射所述射束(5)的相位調(diào)制結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述衍射光學(xué)元件(40)包括用于衍射所述射束(5)的振幅調(diào)制結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述衍射光學(xué)元件(40)包括菲涅耳帶板。
10.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述衍射光學(xué)元件(40)包括折射元件，用于進(jìn)一步折射經(jīng)過(guò)所述衍射光學(xué)元件(40)衍射的電磁輻射。
11.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述衍射光學(xué)元件(40)包括具有凹入或凸出的空間結(jié)構(gòu)的衍射結(jié)構(gòu)，用于提供特別短或特別長(zhǎng)的焦距。
12.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，至少所述第一諧振器端反射器(10)、所述增益介質(zhì)(14)、所述衍射光學(xué)元件(40)和所述第二諧振器端反射器(20)被設(shè)置在空間上直線形的諧振器中，基本上在一條直線上而沒(méi)有所述射束(5)的所述光路的角度重定向。
13.一種用于調(diào)諧波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器(1)的波長(zhǎng)的方法，該波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器包括根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求的第一(10)和第二諧振器端反射器(20)、衍射光學(xué)元件(40)和增益介質(zhì)(14)，該方法包括如下步驟由所述諧振器(1)內(nèi)的所述增益介質(zhì)(14)發(fā)射電磁輻射束(5)，在長(zhǎng)度由所述第一(10)和第二諧振器端反射器(20)確定的所述諧振器(1)內(nèi)形成一組諧振模式，選擇所述射束(5)的一個(gè)諧振模式，所述模式具有一定波長(zhǎng)，使用所述衍射光學(xué)元件(40)，把所述諧振模式的所述射束向所述增益介質(zhì)(14)聚焦，所述衍射光學(xué)元件(40)具有針對(duì)所述波長(zhǎng)的到所述增益介質(zhì)(14)的像距，移動(dòng)用于增加或減少所述諧振器(1)的光路長(zhǎng)度的第一(10)或第二諧振器端反射器(20)中的一個(gè)，以調(diào)諧所述射束(5)的所述諧振模式的波長(zhǎng)，響應(yīng)所述波長(zhǎng)的調(diào)諧來(lái)調(diào)整所述衍射光學(xué)元件(40)的位置，以針對(duì)所述諧振模式的所述經(jīng)過(guò)調(diào)諧的波長(zhǎng)，來(lái)校正所述衍射光學(xué)元件(40)不同的像距。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有衍射光學(xué)元件的波長(zhǎng)可調(diào)激光諧振器，包括第一和第二諧振器端反射器，所述第一和第二諧振器端反射器確定了具有一定長(zhǎng)度的光路的諧振器；設(shè)置在所述諧振器內(nèi)的增益介質(zhì)，用于產(chǎn)生和/或放大射束，并把它發(fā)射到所述第一和第二諧振器端反射器；衍射光學(xué)元件設(shè)置在所述光路內(nèi)，適于濾波所述射束的波長(zhǎng)，并被設(shè)計(jì)成用來(lái)把包括所述被濾波波長(zhǎng)的所述射束的一部分向所述增益介質(zhì)聚焦，其中，所述第一或所述第二諧振器端反射器中的至少一個(gè)可相對(duì)于諧振器內(nèi)的其他光學(xué)元件移動(dòng)，以增加或減少所述光路的所述長(zhǎng)度，并且，所述衍射光學(xué)元件可相對(duì)于諧振器內(nèi)其他光學(xué)元件移動(dòng)，使所述被濾波的波長(zhǎng)適應(yīng)所述光路的所述長(zhǎng)度的增加或減少。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1472851SQ0313730
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月3日
發(fā)明者沃爾夫·斯特芬斯, 烏爾里?！た柭? 埃梅里?！っ桌? 希 卡爾曼, 希 米勒, 沃爾夫 斯特芬斯 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司