專利名稱：一種單縱?？烧{諧激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光器，尤指輸出激光的頻率或波長可調諧的單縱模激光器。
背景技術：
為了獲得好的單色性和相干性的激光束，要求激光以單縱模振蕩。激光器 的振蕩縱橫數目，由腔長、工作物質的增益線寬和激勵水平等因素所決定。因 為只有處于增益線寬內的那些縱模頻率才有可能真正起振，形成多縱模振蕩。 某些實際應用，如光通訊、激光全息、精密計量等要求激光具有高單色性、高 相干性，必須單縱模工作，而縱模選擇又是單縱模工作的必要條件。
設由增益線寬和激勵水平(閾值)所決定的激光振蕩的大致頻率范圍為Sv，
腔所允許的相鄰兩振蕩縱^t的頻率間隔為Av,則實際起振的縱^^數目為5v/A
v。由此可見，減少振蕩縱模數(即選縱模)可通過兩條途徑來實現 一是設法 壓縮激光器的增益帶寬5v; 二是設法增大相鄰兩振蕩縱模之間的頻率間隔Av。 下述的各種縱才莫選擇方法，均以此為依據。
(1) 色散腔法。當工作物質具有多條熒光譜線或一條較寬的譜帶時，在腔 內放入色散棱鏡或反射光柵等光學元件，可以進行粗選縱模。色散腔法雖能從 較寬范圍的譜線中選出較窄的振蕩譜線，但在該譜線的熒光線寬范圍內還存在 著間隔為Av的一系列分立的振蕩頻率-多縱模。因此色散腔法還只是粗選，為 進一步選擇單縱模，尚需采用其它方法。
(2) 短腔法。對于一定的諧振腔，凡是落在熒光線寬范圍內，且增益都處 于閾值水平線以上的駐波振蕩，均能形成激光振蕩，此即多縱模工作狀態(tài)。其 相鄰兩縱模間隔Av^/2nl由此式可知，縱^^莫頻率間隔Av是與諧振腔腔長1成 反比的，為了在激光增益曲線中獲得單一頻率振蕩，可設法增大縱模頻率間隔， 使其在熒光譜線有效寬度范圍內，只存在一個縱模振蕩。因此可通過縮小腔長l 來實現，此即所謂短腔法選縱模原理。此法簡單、實用，可廣泛應用于各種激 光器，尤其是小功率氣體激光器。短腔法只適用熒光線寬較窄的激光器，否則 會因腔長過短而無法使用。此外還應指出，由于腔長的縮短，使激光輸出功率 明顯下降，故此方法不適用于大功率輸出的激光器。
(3)法布里-珀羅標準具法。為了克服短腔法的缺點而獲得較大功率輸出 的單縱模振蕩，通常在諧振腔中插入一法布里-珀羅標準具來進行縱模的選擇。法-珀標準具選縱模的優(yōu)點在于標準具平行平面板的厚度d可以調整到很薄，
因此對增益線寬很寬的工作物質和氬離子、紅寶石、YAG等也能夠獲得單縱模振 蕩，可適用于大功率激光器。
除上述幾種常用的縱模選擇方法外，還有一些其它方法，如復合腔法、在 腔中加金屬薄膜吸收法和加某種可飽和吸收染料介質等。下面根據復合腔法， 詳細介紹兩種結構組合干涉復合腔。
在激光腔結構中，如果用一個反射干涉系統取代諧振腔中一個反射鏡，則 其組合反射率是光波長的函數，圖la、 lb中是兩種組合干涉復合腔的原理結構 圖。該結構特點是組合反射率R隨頻率周期變化，在某些特定頻率處，R具有^L 大值。極大值之間的頻率間隔是可以通過調整復合腔長改變。
圖la中是邁克耳遜千涉型復合腔，它由一個邁克耳遜干涉儀取代諧振腔的 一個反射鏡構成。該腔可以看成由兩個子腔組合而成，全反射鏡M和反射光學 元件M1組成一個子腔，腔長為L+L1，諧振頻率Vli-(C/[2 (L+L1) ] )qi(其 中設11=1， C為光在真空中的速度，q為品質因素。下同)，另一個子腔由全反 射鏡M和反射光學元件M2構成，腔長為L+L2，諧振頻率為V2j={C/[2(L+L2) ]} qj,因此激光器的諧振頻率必須同時滿足上面兩個條件，即C/[2(L+L1) ] } qi= {C/ [2 (L+L2) ] } qj，而且第一個子腔的光束經過N個頻率間隔后的頻 率正好和第二個子腔的光束經過N+l個頻率間隔后的頻率再次相等。由此可以
得到復合腔的頻率間隔
△ V=C/ [2 (Ll-L2) ] (1)
由上式可以看出，適當選擇L1及L2，可以使復合腔的頻率間隔足夠大，即 兩相鄰縱模間隔足夠大，與增益線寬相比擬時，即可實現單縱模運轉。
圖lb為一個?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨?，諧振腔也是兩個子腔構成。其 中一個腔由反射鏡M、反射光學元件M2組成，腔長為L+L2，另一個腔由反射鏡 M,反射光學元件M1組成，腔長為L+2L2+L1，復合腔兩相鄰的頻率間隔為 AV=C/[2 (Ll+L2) ] (2)
選擇適當的Ll和L2，使AV與增益線寬能相比擬時即可獲得單縱模輸出。
可調諧激光器是在一定范圍內可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器。這種 激光器的用途廣泛，可用于光譜學、光化學、醫(yī)學、生物學、集成光學、污染 監(jiān)測、半導體材料加工、信息處理和通信等?？烧{諧激光器從實現技術上看主 要分為電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。下面介紹基于 機械控制技術的可調諧激光器
基于機械控制技術一般采用MEMs (微機電系統)來實現。其中一種基于機械控制技術的可調諧激光器采用MEMs-DFB (微機電系統-分布式反饋)結構。該 可調諧激光器主要包括DFB (分布式反饋)激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和 其他控制與輔助部分。對于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個DFB激光器陣列，每 個陣列可以產生帶寬約為1. Onm內的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制MEMs 鏡片旋轉角度來對需要的特定波長進行選擇，從而輸出需要的特定波長的光。
另一種基于VCSEL (垂直腔面發(fā)射半導體激光器)結構ML系列的可調諧激 光器，其設計基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器，采用半對稱腔技術，利用MEMS 實現連續(xù)的波長調諧。同時通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調諧范 圍，可將熱敏電阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度范圍內具有穩(wěn)定的輸出。 為了精確頻率控制一個寬帶波長控制器被集成同一管殼內，前端分接光功率檢 測器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調激光器可以在C波段和L 波段提供1Q/20mW光功率。
對于這種原理的可調諧激光器主要缺點是調諧時間比較慢， 一般需要幾秒 的調諧穩(wěn)定時間。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是根據上述復合腔法設計一種單縱?？烧{諧激 光器，其具有結構簡單的復合腔，且調諧速度快。
本發(fā)明的技術方案是 一種單縱?？烧{諧激光器，其包括泵浦源，激光增 益介質和諧振腔，所述諧振腔為復合腔，其一個腔鏡采用由兩個反射光學元件 和一個分束光學元件構成的干涉型反射腔鏡；其中一個反射光學元件設在水平 面上，另一個反射光學元件設在豎直面上，所述分束光學元件所在的平面與所 述兩個反射光學元件所在的平面相交成一定角度，與其中一個反射光學元件平 行的方形晶體為電光晶體、熱光晶體或類似晶體，其中至少一個反射光學元件 以鍍膜的形式設在所述方形晶體的 一 個端面上。
跟現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將兩個反射光學元件(反 射平面鏡)和分束光學元件(分光平面鏡)粘結或膠合成一個整體作為單一激 光腔鏡，大大簡化復合腔制作，通過改變其中支路的腔長調諧激光波長，同時 使復合腔最小頻率間隔大于激光增益介質帶寬，從而實現單縱?？烧{諧激光輸 出。此外，由該復合腔還可以制成微片式激光器，兼具體積小、調諧速度快的 特點。
圖la是邁克耳遜干涉型復合腔的原理結構圖lb是?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏脑斫Y構圖；圖2a是本發(fā)明第一實施例福克斯一史密斯干涉型復合腔的結構圖； 圖2b是本發(fā)明第 一實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖； 圖3a是本發(fā)明第二實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖； 圖3b是本發(fā)明第二實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖； 圖4a是本發(fā)明第三實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖； 圖4b是本發(fā)明第三實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖； 圖4c是本發(fā)明第四實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖； 圖4d是本發(fā)明第四實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖； 圖5a是本發(fā)明第五實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖； 圖5 b是本發(fā)明第五實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖； 圖5c是本發(fā)明第六實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖； 圖5d是本發(fā)明第六實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖；
具體實施例方式
本發(fā)明單縱?？烧{諧激光器包括泵浦源、激光增益介質和諧振腔，其中泵 浦源可以為弧光燈、閃光燈或激光二極管，激光增益介質可以為Nd: YV04、Nd: YAG 或類似激光晶體。
如圖2a所示，本發(fā)明第一實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨粸槠桨记唬?設在左側的凹面腔鏡101為全反鏡M,右側的干涉型反射腔鏡由復合棱鏡103和 膠合在復合棱鏡103下表面的晶體105構成，激光增益介質102設在凹面腔鏡 101和復合棱鏡103之間。形為立方體的復合棱鏡103由三角棱鏡103A、 103B 粘結而成，其中三角棱鏡103A的豎直面鍍有反射膜M2即為反射光學元件，三 角棱鏡103B的斜面B鍍有反射率為R的反射膜(M3)即為分束光學元件。晶體 105為熱光晶體、電光晶體或類似晶體，其下表面鍍有反射膜M1即為另一反射 光學元件，其上表面與三角棱鏡103A的水平面相膠合，該晶體105對振蕩激光 透射。三角棱鏡103A的兩個頂角6 1、 62相等，即振蕩激光可以三角棱鏡103A 的斜面上發(fā)生全反射。因此，全反鏡M和反射膜M1構成一個激光腔，其腔長為 L+2L2+L1，全反鏡M和反射膜M2則構成另一個激光腔，其腔長為L+L2。當改變 熱光晶體105的溫度或改變電光晶體105'上的電壓時，則可改變L1，從而改 變相鄰頻率間隔AV^/[2 (Ll+L2)],同時可調諧激光波長。膠合或粘結所采 用的膠應具有好的光學性能、粘結強度、導熱性能和耐熱性，比如可以采用紫 外光敏膠、環(huán)氧膠或其它類似光學膠的一種，也可以采用上述膠的兩種或兩種
如圖2b所示，本發(fā)明第一實施例邁克耳遜千涉型復合腔為平凹腔，設在左側的凹面腔鏡101為全反鏡M，右側的干涉型反射腔鏡由復合棱鏡104和膠合在 復合棱鏡104下表面的晶體105構成，激光增益介質102設在凹面腔鏡101和 復合棱鏡104之間。形為立方體的復合棱鏡104由三角棱鏡104A、 104B粘結而 成，其中三角棱鏡104B的豎直面鍍有反射膜M2即為反射光學元件，三角棱鏡 104B的斜面B鍍有反射率為R的反射膜(M3)即為分束光學元件。晶體105為 熱光晶體、電光晶體或類似晶體，其下表面鍍有反射膜M1即為另一反射光學元 件，其上表面與三角棱鏡104A的水平面相膠合，該晶體105對振蕩激光透射。 三角棱鏡104A的兩個頂角6 3、 6 4相等，即振蕩激光可以三角棱鏡104A的斜 面上發(fā)生全反射。因此，全反鏡M和反射膜M1構成一個激光腔，其腔長為L+L1， 全反鏡M和反射膜M2則構成另一個激光腔，其腔長為L+L2。當改變熱光晶體 105的溫度或改變電光晶體105'上的電壓時，則可改變L1，從而改變相鄰頻率 間隔△ V=C/ [2 ( Ll - L2 )]，同時可調諧激光波長。
本發(fā)明構成復合腔的反射組合體亦可以用三個反射光學元件即三個平面反 射鏡，附加固定元件通過膠合成單一整體?？赏ㄟ^改變熱光晶體105的溫度或 電光晶體105'上的電壓，亦可通過調整在某一支路中的透光薄片106的角度對 激光頻率進行調諧。以下將結合具體實施例詳細說明
如圖3a所示，本發(fā)明第二實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R的結構圖。 腔鏡的固定元件設在反射腔鏡所在空間的四個角，形成一個"十"字型腔，固 定元件一般采用具有良好粘結強度、導熱性能和耐熱性的金屬材料制作而成。 傾斜的分束光學元件B的一端設在固定元件的右上角、另一端設在固定元件的 左下角。晶體105以膠合的方式固定在固定元件的下表面，與第一實施例相同 的是，其中一個反射光學元件即反射膜M1鍍在晶體105的下表面，另一反射光 學元件M2以膠合的方式固定在固定元件的右側面。此外，還可在固定元件的"十" 字型腔的豎直部分靠近晶體105處設一透光薄片106,該透光薄片106可以采用 對振蕩激光透射的平行平板，如波片，其制作材料可以是熔融石英、K9玻璃、BK7 玻璃或類似的光學線性材料，通過調節(jié)透光薄片106的角度(見圖3箭頭方向) 可以對激光波長或頻率進行調諧。
如圖3b所示，本發(fā)明第二實施例邁克耳遜干涉型反射腔鏡的結構圖。與本 實施例福克斯一史密斯千涉型反射腔鏡相比，不同點僅在于傾斜的分束光學 元件B的一端設在固定元件的左上角、另一端設在固定元件的右下角。
本發(fā)明亦可以在兩條支路中同時放置熱/電光晶體105A、 105B，或者同時放 置透光薄片106A、 106B,如圖4a、 4b、 4c、 4d所示，對兩支i 各腔長同時調節(jié)， 當兩腔長調節(jié)速度相同時，可實現波長連續(xù)可調。以下將結合具體實施例詳細說明
如圖4a所示，本發(fā)明第三實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R的結構圖。 與第二實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R相比，不同點在于晶體105A、 105B以膠合的方式分別固定在固定元件的下表面和右側面，其中一個反射光學 元件即反射膜M1仍鍍在晶體105A的下表面，另一反射光學元件即反射膜M2鍍 在晶體105B的右端面上。此外，該復合腔內未"i殳透光薄片106。
如圖4b所示，本發(fā)明第三實施例邁克耳遜干涉型反射腔鏡的結構圖。與本 實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R相比，不同點僅在于傾斜的分束光學 元件B的一端設在固定元件的左上角、另一端設在固定元件的右下角。
如圖4c所示，本發(fā)明第四實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R的結構圖。 與第三實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R相比，不同點僅在于在固定元 件的"十"字型腔靠近晶體105A、 105B處各設一透光薄片106。
如圖4d所示，本發(fā)明第四實施例邁克耳遜干涉型反射腔鏡的結構圖。與本 實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘头瓷淝荤R相比，不同點僅在于傾斜的分束光學 元件B的 一端設在固定元件的左上角、另 一端設在固定元件的右下角。
以上實施例都是分離式單縱模可調諧激光器。本發(fā)明亦可以制成微片式激 光器，微片式激光器需將干涉型復合腔小型化，即可將其制作成干涉組合塊， 然后再將該干涉組合塊與微片粘結或膠合成一整體，其中微片又由激光增益介 質102和其他光學元件109膠合或粘結而成。以下將結合具體實施例詳細說明
如圖5a所示，本發(fā)明第五實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖。 本實施例的干涉組合塊的結構與第一實施例福克斯一史密斯干涉型復合腔的相 同，只是該干涉組合塊的左側面與由激光增益介質102和其他光學元件109構 成的微片膠合或粘結成一整體，該整體光學件設在右側。設在左側的半導體泵 浦激光器107 —般采用帶金屬套筒的激光二極管(LD)。光學耦合系統108設 在整體光學件與半導體泵浦激光器107之間，該光學耦合系統108 —般釆用準 直透鏡、準直器或類似器件。該微片式激光器也可由半導體泵浦激光器107直 接泵浦(即端泵)所述整體光學件。
如圖5b所示，本發(fā)明第五實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖。本實施 例的干涉組合塊的結構與第一實施例邁克耳遜干涉型復合腔的相同，只是該干 涉組合塊的左側面與由激光增益介質102和其他光學元件109構成的微片膠合 或粘結成一整體，該整體光學件設在右側。
如圖5c所示，本發(fā)明第六實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏慕Y構圖。 本實施例的干涉組合塊的結構與第二實施例?？怂挂皇访芩垢缮嫘蛷秃锨坏南嗤皇窃摳缮娼M合塊的左側面與由激光增益介質102和其他光學元件109構 成的微片膠合或粘結成一整體，該整體光學件設在右側。
如圖5d所示，本發(fā)明第六實施例邁克耳遜干涉型復合腔的結構圖。本實施 例的干涉組合塊的結構與第二實施例邁克耳遜干涉型復合腔的相同，只是該干 涉組合塊的左側面與由激光增益介質102和其他光學元件109構成的微片膠合 或粘結成一整體，該整體光學件設在右側。
本發(fā)明將兩個反射光學元件(反射平面鏡)和分束光學元件(分光平面鏡) 粘結或膠合成一個整體作為單一激光腔鏡，大大簡化復合腔制作，通過改變其 中支路的腔長調諧激光波長，同時使復合腔最小頻率間隔大于激光增益介質帶 寬，從而實現單縱?？烧{諧激光輸出。此外，由該復合腔還可以制成微片式激 光器，兼具體積小、調諧速度快的特點。
權利要求
1、一種單縱?？烧{諧激光器，其包括泵浦源，激光增益介質和諧振腔，其特征在于所述諧振腔為復合腔，其一個腔鏡采用由兩個反射光學元件和一個分束光學元件構成的干涉型反射腔鏡，其中，所述的一個反射光學元件(M1)設在水平面上，另一個所述的反射光學元件(M2)設在豎直面上，所述的分束光學元件所在的平面與所述兩個反射光學元件所在的平面相交成一定角度，與其中一個反射光學元件平行的方形晶體(105)為電光晶體、熱光晶體或類似晶體，其中至少一個反射光學元件以鍍膜的形式設在所述方形晶體(105)的一個端面上。
2、 根據權利要求1所述的一種單縱模可調諧激光器，其特征在于所述的 干涉型反射腔鏡采用兩個平面全反射鏡片和一個部分反射棱鏡膠合構成。
3、 根據權利要求2所述的一種單縱模可調諧激光器，其特征在于所述的 干涉型反射腔鏡為?？怂挂皇访芩垢缮鎯x式復合腔，由復合棱鏡(103)和膠合 在復合棱鏡(103)下表面的晶體(105)構成，其中，復合棱鏡(103)由三角 棱鏡(103A、 103B)粘結而成，三角棱鏡(103A)的豎直面鍍有反射膜(M2), 三角棱鏡U03B)的斜面(B)鍍有反射率為R的反射膜(M3)，對振蕩激光透 射的晶體(105)下表面鍍有反射膜(Ml)，其上表面與三角棱鏡(103A)的水 平面相膠合。
4、 根據權利要求2所述的一種單縱模可調諧激光器，其特征在于所述的 干涉型反射腔鏡為邁克耳遜干涉儀式復合腔，由復合棱鏡(104)和膠合在復合 棱鏡(104 )下表面的晶體(105 )構成；其中復合棱鏡(104 )由三角棱鏡(104A、 104B )粘結而成，三角棱鏡(104B )的豎直面鍍有反射膜(M2 )，三角棱鏡(104B ) 的斜面(B)鍍有反射率為R的反射膜(M3);對振蕩激光透射的晶體(105) 下表面鍍有反射膜(Ml),其上表面與三角棱4竟(104A)的水平面相膠合。
5、 根據權利要求l所述的一種單縱?？烧{諧激光器，其特征在于所述的 復合腔的反射組合體由三個平面反射鏡和固定元件膠合形成一整體；所述復合 腔鏡的固定元件設在反射腔鏡所在空間的四個角，形成一個"十"字型腔；其 中傾斜的分束光學元件(B)的一端設在固定元件的右上角、另一端設在固定元 件的左下角，晶體(105)以膠合的方式固定在固定元件的下表面，其中反射膜(Ml)鍍在晶體(105)的下表面，反射鏡(M2)以月交合的方式固定在固定元件 的右側面。
6、 根據權利要求5所述的一種單縱?？烧{諧激光器，其特征在于所述的 固定元件的"十"字型腔的豎直部分靠近晶體(105)處設一透光薄片(106),該透光薄片(106)采用對振蕩激光透射的波片，通過調節(jié)透光薄片(106)的 角度可以對激光波長或頻率進行調諧。
7、 根據權利要求5所述的一種單縱?？烧{諧激光器，其特征在于所述的 固定元件的"十"字型腔的兩條支路中同時放置熱/電光晶體(105A、 105B)， 或者同時放置透光薄片U06A、 106B)。
8、 根據權利要求1至7中的任何一項所述的單縱模可調諧激光器，其特征 在于所述的干涉型復合腔為尺寸較小的干涉組合塊，該干涉組合塊與由激光 增益介質(102)和其他光學元件(109)構成的微片粘結或膠合成一整體。
全文摘要
一種單縱?？烧{諧激光器，涉及激光器領域，其包括泵浦源，激光增益介質和諧振腔，所述諧振腔為復合腔，其一個腔鏡采用由兩個反射光學元件和一個分束光學元件構成的干涉型反射腔鏡，與其中一個反射光學元件平行的方形晶體為電光晶體、熱光晶體或類似晶體，其中至少一個反射光學元件以鍍膜的形式設在所述方形晶體的一個端面上。本發(fā)明將兩個反射光學元件和分束光學元件粘結或膠合成一個整體作為單一激光腔鏡，大大簡化復合腔制作，通過改變其中支路的腔長調諧激光波長，同時使復合腔最小頻率間隔大于激光增益介質帶寬，從而實現單縱?？烧{諧激光輸出，此外，由該復合腔還可以制成微片式激光器，兼具體積小、調諧速度快的特點。
文檔編號H01S3/098GK101308989SQ20081009861
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權日2008年5月30日
發(fā)明者凌吉武, 礪 吳, 彭永進 申請人:福州高意通訊有限公司