本發(fā)明屬于激光器設計領域，尤其涉及一種實現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中縱模序數(shù)保持不變的諧振腔幾何設計方法

背景技術：

使用光柵作為波長調(diào)諧原件的可調(diào)諧激光激光器的基本方程為：

λ＝(d/m)(sinθ₀+sinφ) (1)

這里d為光柵常數(shù)，m為衍射級次，λ為激光中心波長，θ₀為入射角，L(φ)為諧振腔的總光程，L_F為固定端鏡與光柵間的光程，L_T(φ)為光柵與調(diào)諧鏡間的光程。N為縱模模序數(shù)，φ為衍射角。方程(1)為光柵衍射方程。方程(2)表示的是形成諧振條件時，縱模模序數(shù)以及腔長與激光波長之間的關系。由公式(2)可得，隨著激光波長的變化，通常情況下縱模模序數(shù)都會隨波長而發(fā)生變化。

由于激光模式并不是連續(xù)的，而是以c/2nL為頻率間隔的(其中c為光速，n為諧振腔內(nèi)部的折射率，L為諧振腔內(nèi)的腔長)，因此由于激光的中心縱模序數(shù)發(fā)生躍變，將導致跳模和波長的突變。這對于需要應用波長連續(xù)調(diào)諧的應用場合是不能被接受的。因此在該領域通常使用的是昂貴而復雜的激光模式閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用壓電陶瓷對激光腔長進行實時調(diào)節(jié)，以避免跳模等問題的產(chǎn)生。但是成本高，穩(wěn)定性差，使用效果不佳。

因此，發(fā)明一種可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中縱模序數(shù)保持不變的諧振腔幾何設計方法具有十分重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種實現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中縱模序數(shù)保持不變的方法，其特征在于：

本方法采取特殊的諧振腔幾何學結構，使可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中激光諧振腔的長度隨激光波長線性變化，使激光的縱模序數(shù)為常數(shù)，從而從根本上解決可調(diào)諧激光器在波長掃描的過程中激光波長突變，激光跳模等問題。

本發(fā)明基于掠入射型色散激光諧振腔，通過控制腔內(nèi)各元件的幾何學相對關系實現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中縱模序數(shù)保持不變。

滿足縱模序數(shù)在波長掃描過程中不發(fā)生變化的可調(diào)諧激光諧振腔幾何學結構示意圖如附圖圖1所示。

其原理為：

使用光柵作為波長調(diào)諧原件的掠入射型可調(diào)諧激光器的基本方程為：

λ＝(d/m)(sinθ₀+sinφ) (3)

在公式(3)、(4)和附圖圖1中d為光柵常數(shù)，m為衍射級次，λ為激光中心波長，θ₀為入射角，L(φ)為諧振腔的總光程，L_F為固定端鏡與光柵間的光程，L_T(φ)為光柵與調(diào)諧鏡間的光程。N為縱模模序數(shù)，φ為衍射角。方程(4)表示的是形成諧振條件時，腔長為波長半波的整數(shù)倍，方程(3)為光柵衍射方程。如果選擇調(diào)諧鏡的旋轉軸心位于光柵平面和調(diào)諧鏡平面的交線處。設轉軸到光柵距離為L_P，腔長就可以表示為：

L(φ)＝L_F+L_P sinφ帶入(4)式得：

與(3)式聯(lián)立可得：

和

L_F＝L_Psinθ₀

可見當腔內(nèi)各元件的幾何學位置相對關系滿足上述幾何條件：即調(diào)諧鏡的旋轉軸心位于光柵平面和調(diào)諧鏡平面的交線處，端面鏡平面亦通過調(diào)諧鏡轉軸時，激光縱模序數(shù)將不再是波長的函數(shù)，所以激光縱模序數(shù)將不再隨波長發(fā)生變化。

需要特別說明的是：當諧振腔內(nèi)存在激光介質(zhì)和腔內(nèi)插入元件以及存在空氣時，為保證諧振腔光學長度滿足以上討論，端鏡位置必須沿光軸向靠近光柵方向移動相應的距離，該距離等于腔內(nèi)折射率大于1的介質(zhì)所引起的光程的增加量。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、僅通過特殊的諧振腔幾何學結構實現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長掃描過程中縱模序數(shù)不變。避免了使用昂貴、復雜的激光模式閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2、從根本上避免了可調(diào)諧激光器在波長掃描的過程中激光波長突變，激光跳模等問題。

3、適用范圍廣，適用于單縱?？烧{(diào)諧激光器和多縱模可調(diào)諧激光器，適用于脈沖和連續(xù)可調(diào)諧激光器。

4、性能穩(wěn)定，實現(xiàn)簡單，成本低廉。

附圖說明

圖1是滿足激光縱模序數(shù)在波長掃描過程中不發(fā)生變化的可調(diào)諧激光諧振腔幾何學結構示意圖；

圖2是實例一SLM2009型染料激光器幾何結構圖；

圖3是實例一激光線寬和模式結構圖；

圖4是實例一SLM2009型染料激光器的整體形貌圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

實例一：本方法在設計SLM2009型染料激光器中的應用

(1)所設計的SLM2009型激光器設計波長調(diào)諧范圍為550nm～650nm，激光器整體形貌如附圖圖4所示。

(2)使用光柵常數(shù)為3000線每毫米的光柵作為色散元件，使用光柵正一級衍射作為腔內(nèi)反饋，入射角θ₀＝89°。使用光柵零級衍射作為激光輸出。轉軸至光柵中心距離為10cm。SLM2009型染料激光器幾何結構如附圖圖2所示。θ₀為入射角，L(φ)為諧振腔的總光程，L_F為端面鏡與光柵間的光程，L_T(φ)為光柵與調(diào)諧鏡間的光程。N為縱模模序數(shù)，φ為衍射角。

(3)由于染料池和激光染料溶液的折射率均超過1，為保證光學長度滿足以上討論，端鏡位置必須沿光軸向靠近光柵方向移動：

ΔL_F＝2l_W(n_w-1)+l_S(n_s-1)

這里l_W和n_w分別為染料池窗口的厚度和折射率，l_S和n_s分別為激光染料溶液的厚度和折射率。

n_w＝1.46，n_s＝1.36，l_w＝2.5mm，l_S＝2.5mm

ΔL_F＝2l_W(n_w-1)+l_S(n_s-1)＝3.2mm

即端面鏡位置如附圖圖2所示，必須沿光軸向靠近光柵的方向移動3.2mm。

(4)使用Nd：YAG二倍頻激光泵浦，泵浦激光波長為532nm，脈沖寬度36ns，重復頻率10kHz，平均功率10W。SLM2009型染料激光器所使用的激光介質(zhì)為100mg/l的Rh6G乙醇溶液，在峰值波長566nm獲得的染料激光功率為650mW，激光脈沖寬度28ns，使用自由光譜范圍為5GHz的掃描干涉儀所獲得的激光線寬和模式結構如附圖圖3所示。在550nm至589nm的范圍內(nèi)進行波長掃描未見跳模和波長突變。

(5)在相同的泵浦條件下應用60mg/l的DCM乙醇溶液作為染料激光介質(zhì)，在597nm至645nm的范圍內(nèi)進行波長掃描未見跳模和波長突變。