专利名称：具有外腔主动热调谐的激光装置的制作方法
背景技术：
光纤远程通信不断需要增加带宽。通过其中在单个光纤中共存多个独立的数据流的密集波分复用(DWDM)利用出现在不同信道上的每个数据流的调制已经实现了带宽扩展的一种途径。将每个数据流调制到在特定信道波长工作的相应半导体发射激光器的输出光束上，并且自半导体激光器的调制输出被组合到单个光纤上以便在其各自信道中进行传输。国际电信联盟(ITU)目前要求大约0.4纳米或大约50GHz的信道间隔。这种信道间隔允许高达128个信道在目前可用的光纤和光纤放大器的带宽范围内利用单个光纤承载。光纤技术的提高以及对较大带宽需要的不断增加将有可能在将来产生较小的信道间隔。
对较大带宽的驱动导致精确的波长特定的DWDM设备的使用，为了在窄分隔的信道间隔上提供传输输出，波长特定的DWDM设备要求精细调整。随着可调谐元件配置成用于较窄信道间隔，降低部件容限和热波动变得日益重要。特别是，由于引起波长不稳定和降低发射输出功率的环境热波动，可调谐远程通信发射激光器易受可调谐元件的非最佳设置的影响。目前需要一种远程通信发射激光器，其提供简单和准确的可调谐元件的调整，以减小与在激光器工作期间存在的热波动和其它环境因素有关的耗损并提供波长稳定性。
发明内容
本发明是一种使用激光腔反射元件的主动(active)热调整以最小化耗损并提供波长稳定性的激光装置和方法。本发明的装置一般为一种激光器，包括限定激光腔的第一与第二反射镜；和耦合到至少一个反射镜并被配置成相对于另一反射镜热定位一个反射镜的补偿构件。补偿构件可以直接耦合到第一反射镜并被配置成相对于第二反射镜定位第一反射镜。通过操作上耦合到补偿构件并配置成通过加热或冷却来热调整补偿构件的热电控制器进行热定位。
特别地，激光装置包括具有第一与第二输出平面并沿着光路从第一输出平面发射光束的增益介质。第一反射镜位于光路中，第二输出平面和第一反射镜限定激光腔。补偿构件可以是导热的并具有高的热膨胀系数。
在一些实施例中，增益介质和第一反射镜可以是被动(passively)绝热的或相对于彼此是热稳定的。在这方面，激光器还包括基座，在基座上安装有补偿构件和增益介质。基座具有第一选择的热膨胀系数，补偿构件具有第二选择的热膨胀系数，基座和补偿构件被加工成所需要的尺寸并被配置成被动使外腔绝热。被动热稳定可以与通过加热或冷却补偿构件的端面镜的主动热控制同时进行。
激光器装置还包括位于光路中在端面镜之前的格栅发生器，在一些实施例中还可以包括位于光路中在端面镜之前并被配置成调谐或调整激光器的输出波长的信道选择器。格栅发生器可以包括安装到基座的格栅标准具(etalon)。信道选择器可以通过驱动装置或调谐装备来耦合到基座。格栅标准具和信道选择器还可以通过基座受到被动热稳定。格栅标准具可以另外耦合到热电控制器并受到主动热控制。
在其它实施例中，激光器还可以包括与外腔结合(associated)的检测器，其被配置成检测外腔的损耗状况。检测器可以设置成监测自外腔的光输出的光检测器，或者设置成监测穿过增益介质电压的电压传感器。通过控制器利用自检测器输出中导出的误差信号通过加热或冷却补偿构件热定位端面镜来调整外腔。
激光器还可以包括操作上耦合到外腔并被配置成把可检测频率调制引入到外腔中的高频振动元件。高频振动元件可以与端面镜相关或者位于外腔中的其它位置。由高频振动元件引入的频率调制在自外腔到增益介质的光反馈中产生了已知的或可预测的强度和/或相位变化。这种自高频振动元件的强度和/或相位变化在穿过增益介质的监测电压或在自外腔的光输出中是可检测的。通过加热或冷却补偿元件的端面镜定位影响调制信号的相位和强度，并且可以使用通过电压或光功率调制检测到的调制器信号的幅度和相位来生成误差信号。按照由补偿构件热定位端面镜，误差信号可以用于定位或另外调整端面镜，以使误差信号无效。
本发明的方法是一种激光器操作方法，其一般包括提供限定激光腔的第一与第二反射镜，和通过热调整耦合到至少一个反射镜的补偿构件来调整激光腔。补偿构件的热调整包括利用耦合到补偿构件的热电控制器来加热或冷却补偿构件。该方法还包括被动地绝热或热稳定激光腔，并监测与激光腔有关的外部损耗。按照自与外部腔有关的损耗监测中导出的误差信号进行热调整。该方法还包括把频率调制引入到外腔，并且按照检测的频率调制器的振幅和相位来导出误差信号。
图1是按照本发明采用带补偿构件的端面反射镜的热定位的外腔示意图。
图2是按照本发明带外腔主动热控制的外腔激光器。
图3A-3C是相对于在波长格栅中的选择信道用于信道选择器、格栅标准具和外腔的图2的外腔激光器的通带特性的图解说明。
图4A-4C是响应用于波长格栅中多个信道的图2的外腔激光器调谐的增益的图解说明。
图5是外腔激光装置的另一个实施例。
图6是自外腔的频率调制导出的误差信号的图解说明。
图7A和7B是其中包括使用按照本发明的外腔被动绝热的图解说明。
具体实施例方式
特别地参照附图，为了说明的目的，本发明体现为如图1至7所示的装置和方法。可以理解不脱离这里所公开的基本原理，该装置关于配置和部件的细节可以变化，该方法关于细节和实施的顺序也可以变化。主要在与外腔激光器一起使用方面公开了本发明。但是，本发明与其它激光器件和光学系统一起使用对本领域技术人员是显而易见的。还应当理解这里所用的技术名词仅是为了说明特定实施例的目的，并不是作为限定。
参照图1，示出了应用按照本发明的外腔光路长度的热控制的外腔装置10。装置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长度l的外腔。如下所述，在反射元件12、14之间可以设置增益介质(未示出)，或者反射镜12、14之一包括增益介质的镜面或部分镜面。同样如下所述，在通过反射镜12、14限定的外腔内还可以设置各种其它的可用在外腔激光器中的光学部件，例如格栅发生器和信道选择器(未示出)。反射元件12、14可以安装在常规基座(未示出)上或者与常规基座结合。
第一反射镜12耦合或接合到补偿元件或构件16，元件或构件16通过主动热控制被配置成在位置上调整反射元件12。补偿构件16由具有高或相对高热膨胀系数(CTE)的材料构成，例如铝、锌或其它金属或金属合金。例如，具有24*10^-6/℃的CTE的铝和具有30.2*10^-6/℃的锌。还可以使用具有4.8*10^-6/℃中等系数的KOVAR合金。根据这里公开的内容，本领域普通技术人员可以想到各种其它合适的CTE材料。
补偿构件16的材料理想地是导热的以使部件16可以迅速地被加热和冷却。热电控制器18在操作上耦合到补偿构件16并配置成加热或冷却补偿构件16，其依次经受相应的热膨胀或收缩以位置上调整耦合到补偿构件16的反射镜12。
由此，由热电控制器18加热补偿构件16导致补偿构件16热膨胀，其把反射镜12移近反射镜14以缩短光路长度l。通过热电控制器18冷却补偿构件16导致补偿构件16热收缩以使反射镜12远离反射镜14移动以增加外腔光路长度l。在一些实施例中，补偿构件18可以耦合到反射镜12、14，以便补偿构件的加热和作为结果的热膨胀用于使反射镜移开以增加外腔光路长度l，并且补偿构件16的冷却和作为结果的收缩使反射镜12、14一起移动以缩短光路长度l。如下所述，附加控制器20可以在操作上耦合到热电控制器19以根据源自监测由反射镜12、14限定的外腔的损耗特性的误差信号来提供加热或冷却指令。
现在参照图2，示出了按照本发明的外腔激光装置20，其中使用相同的标号代表相同的部件。装置20包括增益介质22和端面反射元件24。增益介质22包括常规法布里-珀罗二极管发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和端面镜24勾划出轮廓，并具有光路长度l。增益介质22自前平面26发射相干光束，前平面26与透镜30对准以限定与外腔光轴共线的光路32。增益介质22的前和后平面26、28也与外腔的光轴对准。常规输出耦合光学装置(未示出)与后平面28结合用于把外腔激光器20的输出耦合到光纤(也未示出)中。端面镜24耦合到如上所述的补偿构件16，其由导热、高热膨胀系数的材料构成。补偿构件16耦合到热电控制器18，热电控制器18依序操作上耦合到控制器19。
外腔激光器20包括格栅发生器元件和可调谐元件，如图2所示其分别为位于增益介质22和端面镜24之间的光路32中的格栅标准具34和楔形标准具信道选择器36。典型地，格栅标准具34位于光路32中可调谐元件36之前，并具有平行反射平面38、40。格栅标准具34作为干涉滤光器，由平面38、40的间距限定的格栅标准具34的折射率和格栅标准具34的光学厚度，在与例如包括ITU(国际电信联盟)格栅的选择波长格栅的中心波长一致的波长产生通信频带内的最低阶。作为替换还可以选择其它波长的格栅。格栅标准具具有与在ITU格栅的格栅线之间间距相应的自由光谱范围(FSR)，由此格栅标准具34用于提供居于波长格栅的每个格栅线中心上的多个通带。格栅标准具34具有在波长格栅的每个信道之间抑制外腔激光器的邻近模的等强干涉束有效数(由半波宽最大值或FWHM划分的自由光谱范围)。
格栅标准具34可以是平行板固体、液体或气体间隔标准具，并且可以通过经温度控制的热膨胀和收缩来准确测量在平面38、40之间的光学厚度来调谐格栅标准具34。作为替换可以通过倾斜以改变在平面38、40之间的光学厚度或者通过向电光标准具材料施加电场来调谐格栅标准具34。格栅标准具34还可以被主动地调谐到选择通信格栅，如同此共同申请的美国专利申请09/900474，发明人AndrewDaiber，名称“External Cavity Laser with Continous Tuning of Grid Generator”所介绍的，将其引证在此供参考。
具有非平行反射平面42、44设置成梯形形状的楔形标准信道选择器36还可以用作干涉滤光片。楔形标准具36包括梯形透明基片、在邻近透明基片的反射表面之间的梯形空气间隔、或薄膜楔形干涉滤光片。如图2所示的楔形标准具26可以仅是一个按照本发明用于外腔激光器中的可调谐元件。可以用多个可调谐元件例如光栅器件和电光器件而不是一个标准具代替楔形标准具26。使用空气间隔楔形标准具作为信道选择器在美国专利6108355中公开，其中“楔形物”是由邻近基片限定的梯形空气间隔。使用这种枢轴可调整的光栅器件作为由光栅角调整调谐的信道选择器和使用在外腔激光器中并由选择施加电压来调谐的使用电光可调谐信道选择器在美国专利申请09/814646中公开，发明人Andrew Daiber，申请日2001年3月21日。使用平移调谐分级薄膜干涉滤光片在与此共同申请的美国专利申请09/814646和美国专利申请09/900412中公开，名称为“Graded Thin Film WedgeInterference Filter and Method of Use for Laser Tuning”，发明人Hopkins等。上述公开引证在此供参考。
在某些举例中为了清楚，放大了在外腔激光器20的各个光学部件之间的相对尺寸、形状和距离，而不必按比例示出。外腔激光器20包括附加部件(未示出)，例如聚焦和对准部件，和配置成消除与外腔激光器20的各个部件有关的寄生反馈的偏振光器件。
由楔形标准具36限定的通带基本上比格栅标准具34的通带宽，楔形标准具36的较宽通带具有基本上与由格栅标准具34限定的最短和最长波长信道之间间隔相应的周期。换句话说，楔形标准具36的自由光谱范围与由格栅标准具34限定的波长格栅的整个波长范围相应。楔形标准具36具有抑制邻近特定选择信道的信道的等强干涉束有效数。
通过改变在楔形标准具36的平面42、44之间的光学厚度使用楔形标准具36在多个通信信道之间进行选择。这可以通过沿x轴平移或驱动楔形标准具36来实现，x轴与楔形标准具36的梯形方向平行并与光路32和外腔激光器20的光轴垂直。由楔形标准具36限定的每个通带承载可选择的信道，并且随着楔形的发展或平移到光路32中，沿着光路32移动的光束穿过承载在较长波长信道相对平面42、44之间相长干涉的楔形标准具36的显著较厚部分。从光路32中取走楔形标准具36，光束将经历楔形标准具36的显著较薄部分并把通带暴露于承载相应较短波长信道的光路32。如上所述，楔形标准具36的自由光谱范围与格栅标准具34的完整波长范围相对应，以便可以穿过波长格栅调谐在通信带内的单独损耗最小值。从格栅标准具34和楔形标准具36到增益介质22的组合反馈承载在选择信道中心波长的激光。穿过调谐范围，楔形标准具36的自由光谱范围比格栅标准具34的宽。
楔形标准具36通过调谐装备在位置上被调谐，调谐装备包括驱动元件或波长调谐器46，波长调谐器46构造或配置成按照选择信道可调地定位楔形标准具36。调谐器46包括与用于楔形标准具36准确平移的合适硬件结合的步进马达。作为替换，调谐器46包括多种类型的致动器，包括但不限于DC伺服电动机、螺线管、音圈致动器、压电制动器、超声驱动器、形状存储器件等本领域已知的线形致动器。
波长调谐器46在操作上耦合到控制器19，控制器19提供信号以通过调谐器46控制楔形标准具36的定位。控制器19包括数据处理器和存储器(未示出)，在数据存储器中存储用于与可选择信道波长相对应的楔形标准具36的定位信息查找表。如所示控制器19还耦合到热电控制器18并向波长调谐器46和热电控制器18提供控制指令。作为替换可使用分离的控制器(未示出)用于波长调谐器46，而且可以在调谐器46的内部或是在外部由其它调谐部件和外腔激光器20的伺服函数共享。
当外腔激光器20调谐到不同的通信信道时，控制器19根据在查找表中存储的定位数据向调谐器46发信号，并且调谐器46把楔形标准具36变换或驱动到正确的位置，其中位于光路32中的部分楔形标准具36的光学厚度提供承载选择信道的相长干涉。使用线性编码器50与楔形标准具36和调谐器46结合以确保通过调谐器46正确定位楔形标准具36。
楔形标准具36包括在它端部的不透明区52、54，不透明区52、54是光学上可检测的并且当它在位置上被调谐到它的最长或最短信道长度时可以用作检验楔形标准具36的位置。不透光区36提供可用于在楔形标准具36的位置调谐中的附加编码器机构。当楔形标准具36移动到一个位置以使不透光区52、54之一进入光路32时，不透光区52、54将沿着光路阻挡或减弱光束。如下面的进一步说明，这种光的减弱是可以检测的。因为可以准确地确定在楔形标准具36上不透光区52、54的位置，所以当不透光区52、54将进入光路32时，控制器38可以预测。在光路32中在不是预期的点不透光区52、54的出现将表示编码错误，并且控制器19根据在光路32中检测存在不透光区52、54做出合适的校正。附加不透光区(未示出)可以包含在楔形标准具36上的其它位置。
在激光器20工作期间，在光路32中位置上调整楔形标准具36以选择通过格栅标准具34限定的传输或通带。通过加热或冷却补偿构件18定位端面镜34来调谐外腔以把外腔锁定到选择的信道长度。在图3A至3C中图解示出了格栅标准具34、楔形标准具36和由后平面28和端面镜24限定的外腔的通带关系，其示出了外腔通带PB1、格栅标准具通带PB2和楔形标准具通带PB3。在纵轴示出了相对增益，在横轴示出了波长。可以看出，楔形标准具36的自由光谱范围(FSR信道选择器)比格栅标准具34的自由光谱范围(FSR格栅发生器)大，而格栅标准具34的自由光谱范围(FSR格栅发生器)比外腔的自由光谱范围(FSR腔)大。外腔的通带峰值PB1与由格栅标准具34的波长格栅限定的通带PB2的中心波长周期性地一致。存在自楔形标准具36的且在波长格栅的所有通带PB2上延伸的一个通带。在图3A-3C所示的特定实例中，波长格栅在由0.5纳米(nm)或62GHz间隔开的64个信道上延伸，最短的波长信道在1532nm，最长的波长信道在1563.5nm。
格栅标准具34和楔形标准具36的等强反射束有效数确定邻近模或信道的减弱。如上所述，等强干涉束有效数等于在半波宽上的自由光谱范围，或者等强干涉束有效数＝FSR/FWHM。图3B示出了在半波宽的格栅标准具通带PB2的宽度，图3C示出了在半波宽楔形标准具通带PB3的宽度。在外腔激光器内定位格栅标准具34和楔形标准具36提高了旁模抑制。
在图4A-4C中图解示出中心在1549.5nm的信道和在1550nm邻近信道之间的楔形标准具36的通带PB3的调谐，其中示出了由格栅标准具34产生的选择信道和邻近信道或模的减弱。为了清楚在图4A-4C中省略了在图3A-3C中示出的外腔通带PB1。格栅标准具34选择与格栅信道间隔对应的外腔周期性纵模，同时滤去邻近模。楔形标准具36选择在波长格栅中的特定信道并滤去所有其它信道。在一个用于过滤在大约正或负0.5信道间隔范围内的偏移的特定信道，选择信道或激光模是稳定的。对于较大的信道偏移，激光模跳到下一个邻近的信道。
在图4A中，楔形标准具通带PB3位于相对于在1549.5nm格栅信道的中心。与在1549.5nm通带PB2相联系的相对增益很高，而与在1549.0nm和1550.0nm的邻近通带PB2相联系的相对增益值相对于选择的1549.5nm信道受到抑制。与在1550.5nm和1548.5nm的通带PB2相联系的增益进一步受到抑制。虚线表示不受楔形标准具36抑制的通带PB2的相对增益。
图4B示出在发生信道转换期间在1549.5nm和1550.0nm信道之间的位置的楔形标准具通带PB。与在1549.5nm和1550.0nm的通带PB2相联系的相对增益值都很高，没有一个信道受到抑制。与在1549.0nm和1550.5nm的通带PB2相联系的相对增益值相对于1549.5nm和1550.0nm信道受到抑制。虚线表示不受楔形标准具36抑制的通带PB2的相对增益。
图4C示出在相对位于1550.0nm格栅信道中心的楔形标准具通带PB3、与在1550.0nm上的通带PB2相关的相对增益很高，同时与在1549.5nm和1550.0nm的通带PB2相关的相对增益相对于选择的1550.0nm信道受到抑制，而且与在1551.0nm和1549.0nm上的通带PB2相关的增益进一步受到抑制。而且，虚线表示不受楔形标准具36抑制的通带PB2的相对增益。
在图4A-4C中没有示出的外腔通带PB1在外腔激光器20的调谐中是重要的考虑因素。理想的是，当外腔激光器20被调谐到选择信道波长时，一个外腔通带PB1将对准或被锁定到选择格栅发生器通带PB2和信道选择器通带PB3。通过热定位带补偿构件16的端面镜24以按照发明调整外腔光路长度实现了以这种方式调整外腔通带PB1。
参照图5，示出了具有热外腔调谐的外腔激光器装置56的另一个实施例，使用相同的标号代表相同的部件。在装置56中，如下所述，各种部件安装到常规基座58或通过常规基座58支撑以产生装置56各个部件的集中、被动热稳定。增益介质12耦合到热电控制器60，热电控制器60安装在支座或平台62上。平台62依序安装到基座58上。平台62用作合适地定位增益介质12以使准直器30、格栅标准具34、楔形标准具36和端面镜24位于由自增益介质22的平面26发射的光束限定的光路32中。热电控制器18安装在基座58上，以使补偿构件16和端面镜24通过热电控制器18安装到基座58。热电控制器60向增益介质22提供热控制以阻止会改变平面26、28之间的光学厚度的增益介质的热波动。格栅发生器34耦合到热电控制器64，热电控制器64安装到基座58上。热电控制器64向格栅标准具34提供温度控制以避免或最小化在平面38、40之间的光学厚度的变动，其将改变由格栅发生器34限定的通信格栅。
基座58、平台62和补偿构件由具有优良导热性的材料构成，如下所述选择热膨胀系数(CTE)的材料提供被动热稳定。基座58、补偿构件18和平台62包括铜钨合金，其提供优良的导热性和通过改变铜对钨、或铝和/或铝合金的比率的高度可修整性。作为替换，基座58、平台62和补偿构件18包括多种提供导热性并可以准确选择CTE的材料。所需CTE材料选择在本领域是公知的，例如合适的材料包括各种金属、金属合金、金属氮化物、金属碳化物和/或它们的组合物、化合物、混合物和合金。
电极66、68耦合到增益介质12，电极66操作上耦合到驱动电流源70，电极68适当地接地。驱动电流源70操作上耦合到控制器19，控制器19根据需要调节传输到增益介质22的电流。电压传感器72操作上耦合到电极66和控制器19。电压传感器72配置成监测在激光器运行期间穿过增益介质22的电压并且把传感器输出传送到指示监测电压的控制器19上。因为自端面镜24的光反馈通过平面26反射回增益介质22，所以监测电压指示与由端面镜24和增益介质平面28限定的外腔有关的光损耗。由此，由电压传感器72的输出产生误差信号，通过控制器19使用其以再定位端面镜24，通过加热或冷却补偿构件16来调整外腔并无效掉误差信号。自格栅标准具34的平面38、40和楔形标准具36的平面42、44的光反馈也反射回增益介质22，在某些实施例中，穿过增益介质的传感电压提供可用于通过热电控制器64调整格栅标准具34和通过调谐器46调整楔形标准具36的误差信号。
在激光器56工作期间，按照自控制器19的指令通过电极66、68由驱动电流源70向增益介质22提供电流。通过电压传感器72测量穿过增益介质22的电压，并将电压传输到控制器19。由于外部环境因素例如振动或热波动，或是在其中由于如上所述的有意地定位楔形标准具36以选择不同传输信道的信道变化的结果，如果外腔通带PB1不是相对于选择格栅标准具通带PB2和楔形标准具通带PB3最佳设置，那么可能发生各种情况。在这些情况中，在由端面镜24和增益介质平面28限定的外腔中会产生损耗，控制器19选择性地发出通过热电控制器18加热或冷却补偿构件16的指令以定位或调谐端面镜24来最小化外腔损耗并无效误差信号的指令。
外腔激光器装置56还包括配置成把频率调制器引入到外腔的高频振动元件74。如下所述，在激光器外腔中存在已知的频率调制器提供了用于扩大表示外腔损耗的误差信号的优良机构。如图5的实施例中所示，高频振动元件74包括耦合到端面镜2的透明电光元件。高频振动元件74操作上耦合到控制器19。高频振动元件74能够按照通过电极(未示出)穿过元件74施加的电压调制产生频率调制。高频振动元件74的电光材料可以包括例如铌酸锂，或为对沿光路32传输的光束透明的其它电光材料。端面镜24包括直接淀积到高频振动元件74的电光材料上的反射表面。由高频振动元件74引入的调制包括例如大约20KHz的频率调制。穿过元件74的电光材料的电压调整改变了元件74的有效光学厚度，由此整个光路长度l穿过外腔激光器56的外腔(在二极管平面18和端面镜14之间)。
作为替换，高频振动元件74包括声光或压光材料，或其它能够向激光器56外腔提供频率调制的材料或器件。高频振动元件74可以不与端面镜24耦合，而位于外腔中的其它位置，或者可以在外腔之外并适当地定位以把频率调制引入到端面镜24由此引入到外腔中。使用不耦合到端面反射镜的电光高频振动元件在与此共同申请的美国专利申请09/900426中描述，名称“Evaluation and Adjustment of LaserLosses According to Voltage Across Gain Medium”，发明人Daiber等，在光学腔外使用压电高频振动元件在美国专利申请09/814646中描述，名称“Error SignalGeneration System”，发明人Andrew Daiber，申请日2001年3月21日，将其引证在此供参考。如上面所提到的美国专利申请09/900426，名称“Evaluation and Adjustmentof Laser Losses According to Voltage Across Gain Medium”还公开了可用于具有配置成以向端面镜或其它损耗元件提供频率调制的高频振动元件的外腔激光器的控制系统。
如上所述，通过由元件58引入的高频振动元件调制光路长度l在外腔激光器56的输出功率中产生了强度变化。由于从外腔到其内的光反馈，这种调制在穿过增益介质22的监测电压中是可检测的。随着激光器腔模或通带与格栅发生器34和信道选择器36限定的通带的中心波长对准，这些强度变化将在振幅和相位误差中减小。换句话说，当通带PB1、PB2和PB3是如图3A-3C所示的最佳排列时，在调制信号中的强度变化和相位误差最小或名义上为零。以下参照图6进一步说明了在关于误差信号确定的调制信号中强度变化和相位误差的使用。
在具有高频振动元件74的外腔激光器56工作期间，电压信号从电压传感器72传送到控制器19，控制器19从由频率高频振动器引入的调制导出误差信号，并把补偿信号传送到热电控制器18，控制器18加热或冷却补偿构件16，补偿构件16按照由位置上调整端面镜24调谐或调整光路长度l来膨胀或收缩。在激光器56工作期间，控制器19还控制至增益介质12的驱动电流和利用调谐器46的信道选择器36的定位。控制器19还通过热电控制器66控制格栅标准具34的温度。
参照图6，由波长对相对强度图解说明引入到外腔中的高频振动调制信号与穿过增益介质12的检测电压调制的关系。图6示出格栅标准具通带PB2，以及分别与外腔激光器模78A、78B和78C相应的频率或高频振动调制信号76A、76B、76C。以上述方式通过电光元件58的电压调制把频率调制信号76A-C引入到激光器外腔。如图6所示，激光模78A相对于通带PB2朝向通带PB2的较短波长侧偏离中心，而激光模78B位于通带PB2的大约中心波长位置，激光模78C位于通带PB2的较长波长侧位置。激光模波长78B相应于波长锁定位置并表现外腔的最佳损耗轮廓。激光模78A和78C相对于通带PB2偏离中心并导致了非最佳腔损耗轮廓，其将需要通过调整电光元件58的有效光学厚度或通过如上所述定位端面镜14来调整外腔长度l。
示出分别作为在图6右侧的电压调制信号80A、80B和80C的高频振动调制信号76A、76B和76C通过电压传感器72穿过增益介质22检测的电压，其分别对应于激光模波长78A、78B和78C。在波长短于通带PB2的中心波长的激光模78A的位置产生了具有带高频振动调制信号76A相位中的调制的电压信号80A。在波长大于通带PB2的中心波长的激光模78C的位置产生了具有有关高频振动调制信号76C相位之外的电压信号80C的调制。
相对于通带PB2的坡度的每个激光波长的位置作用于相应电压信号的幅度。由此，与在通带PB2较陡坡度上的激光模78A波长相应的电压信号80A具有较大的调制幅度，而与具有不陡坡度的PB2部分有关的激光模78C相应的电压信号80C具有相应较小的调制幅度。因为高频振动调制信号76B的周期与PB2的中心波长大约对称发生，所以与中心激光模78B相应的电压信号80B具有最小的调制幅度。在这种情况下，在电压信号80B中主要强度频率是高频振动调制信号76B频率的两倍。
从图6中可以看出通过检测器72在穿过增益介质22的电压中检测的调制幅度表示激光器外腔所需的校正或调整幅度，而电压信号调制相位表示调整的方向。选择高频振动调制信号76A-C的幅度以在波长锁定期间把电压信号调制的强度变化保持在对于外腔激光器特定使用的可接受的水平。选择高频振动调制频率足够高以提供相干控制，和足够低以阻止传输期间对调制到由外腔提供的承载信号上的信息的干扰。如上所述，大约20KHz的高频振动频率对图4A-4C所示的特定调谐是有效的。
使用如上所述的用于定位端面镜24的主动热控制和激光器56的外腔以及其中的光部件的被动热稳定。被动热稳定或“不透热装置”在它最简形式中包括使用区分端至端交接的热膨胀系数(CTE)且具有长度与元件CTE比率成反比的被动元件。在这种情况下，虽然各个元件的长度随着温度的变化而变化，但是在元件的未交接端之间的距离将不取决于温度，维持恒定。使用上述原理建立多个复杂的光学结构。被动不透热装置的原理是公知的，并介绍在Yoder等的“Opto-mechanical Systems Design”第二版，1993年，Marcel Dekker公司，14章；“OpticalInstrument Structural Design”，将其引证在此供参考。
在外腔激光器中仅使用被动热稳定，而不用由本发明提供的外腔主动热控制是有利的，但难于在某种激光器机构中准确地运用。由此，由于被动热稳定不能轻易补偿的热梯度和温度变化，将产生激光器特性的改变。如上所述，本发明通过电压检测或其它方法提供用于检测激光器特性中的这种变化，接着按照检测变化改变与外腔结合的结构部件的温度以调整外腔光路长度。
在激光器工作期间，温度变化作用于整个腔长和腔与其内部件的折射率，其将导致与自选择传输信道波长的外腔模“未锁定”有关的输出波长和光损耗的变化。在腔内承载的半波长的总数随着外腔光路长度相对于温度变化而变化。外腔的光路长度是每个元件物理厚度的函数，包括在外腔内的光学部件和空气以及每个部件和空气的折射率。具有相同光学厚度和不同折射率的两个元件将各自承载通过其的不同数量的半波长。如上所述，对于外腔激光器一旦选择了输出波长，在外腔光路长度中的任何变化将导致由外腔通带没有与选择格栅通带对准而产生的输出光束中的光损耗。
图7A和7B示意性示出分别与外腔激光器82、84有关的被动热稳定方案，使用相同的参考标号表示相同的部件。外腔激光器82、84各自包括底座或基座58、带平面26的增益介质22、安装在补偿构件18上的端面镜或反射镜24和调谐元件或信道选择器36。多个附加光学元件共同地示为光学装置86，其包括格栅发生器、准直光学器件、偏振光器件和/或其它光学部件(未示出)。如上所述，热电腔制器(未示出)耦合到补偿构件18用于其主动热控制。增益介质22通过安装元件88安装到基座58，补偿构件18通过安装元件90安装到基座58。
在外腔激光器82、84的每一个中，形成在后平面28和端面镜24之间长度为LOpl的谐振外腔。在外腔激光器82中，补偿构件18配置成在热膨胀期间被动地减小长度LOpl，在部件18热膨胀期间端面镜24移动到外腔内。在外腔激光器84中，补偿构件18配置成在热膨胀期间被动地增加长度LOpl，在部件18热膨胀期间端面镜24相对于外腔移动到外部。在基座热膨胀期间，安装元件88、90将彼此移动而分开。
补偿构件18理想地被构造和配置成维持光路程度LOpl不随温度而改变(除了在补偿构件18主动热控制期间)。如图7A所示，光路长度LOpl可以表达为通过激光器82各个部件光路的总和，包括增益介质22、信道选择器36、共同光学元件86和在上述元件之间的空气间隙La1、La2、La3。通过增益介质22的光学厚度或路径长度是Ld，通过元件86的光路长度是Ll，通过信道选择器36的光路长度Lt。通过增益介质22和光学元件86之间空气间隙的光路长度是La1，通过光学元件86和信道选择器36之间空气间隙的光路长度是La2，信道选择器36和端面镜24之间的光路长度是La3。因为激光器82所有的元件都直接或间接地耦合到基座58，随着基座58温度的升高，它们相对的物理间隔将典型地增加。这将导致腔光路长度LOpl变化。
元件的光路长度通常等于它的折射率和它沿着光路尺寸的乘积。外腔激光器的光路长度是在穿过外腔的光路中存在的多个元件的折射率和光学厚度乘积的总和，包括在腔内存在的空气。由此外腔激光器的光路长度可以表示为LOpl＝∑ni·li(1)其中ni是沿着光路每个元件的折射率，li是每个元件沿光路的厚度。使用小写字母l代表元件的物理尺寸，大写字母L代表光学尺寸。由Huygens定律可以看出由具有固定端点的元件承载的半波长的总和随着元件折射率的增加而增加。这由观察在较高折射率的介质中光传输较慢和波峰相应地更紧密而得出。由此，在相同的距离上，具有较高折射率的元件承载更多数量的波长，光路长度不是物理路径长度而是由外腔承载的半波长总和的更为准确的测量。
作为第一阶近似，补偿构件18需要热膨胀以维持外腔物理路径长度尺寸(LOpl)恒定。对于如图7A所示的结构，需要满足dlF1/dT＝dlC/dT。给出在固定点88、90之间的物理距离和基座58的热膨胀系数αF，可以确定按需要结合安装件90和端面镜24之间材料和厚度以维持在由平面28和端面镜24限定的腔端点之间的物理距离恒定。在第一阶近似中存在几个潜在的误差源。首先，如上所述光路和物理路径长度不同。替代地，对于光路(例如Ld、LI、Lt、La1、La3)的每一段，为了保持腔内半波长总数的恒定，必须考虑每个元件的折射率。其次，确定每个元件可以承载的波长数时，必须计算元件的膨胀。每个元件的膨胀根据它的热膨胀系数和沿着光路的截面厚度而变化。此外，在温度变化期间，一些腔元件膨胀，而其它元件收缩，由此改变腔的平均加权折射率。对于由腔的物理长度分开的每个元件，平均加权折射率是物理长度和折射率的乘积的总和。例如，在温度升高期间，由于补偿构件18向内快速热膨胀，减小了空气间隔La3，同时光学元件增加了厚度。第三点误差源来自于每个元件折射率随着温度而变化并且变化量不同的事实。需要一种方法把所有这些变化引入到补偿构件18的材料和尺寸的选择中以使外腔在宽广的温度范围光学稳定。
通过等式(2)提供确定补偿构件18的材料和厚度或尺寸结合的更为准确的方法，其中表达了由于每个元件物理长度的变化和折射率的变化而引起的光路长度中温度相关的变化。
O=dLOpldT=Σd(ni·li)dT=Σ(ni·αi+dnidT)·li...(2)]]>在等式(2)中，光路长度Lopl的变化率相对于温度是零需要满足条件光路长度是温度的不变量。光路长度表达为每个元件的折射率ni、每个元件的热膨胀系数αi和每个元件的物理长度li乘积的导数。如上所述，外腔的各个元件包括增益介质22、信道选择器36、其它光学器件86和在光路中存在的空气和其它气体。
在图7A中外腔激光器82的光路是由构成它各段光路长度的总和，包括空气或其它气体分隔光学部件的区域。由等式(1)的解法这种关系可以表达为等式(3)LOpl＝Ld+Ll+Lt+La123＝ndld+nlll+ntlt+nala123(3)空气间隔长度la123受基座58和补偿构件18膨胀和收缩影响，根据基座58的尺寸表达的空气间隔为lF1，补偿构件18的尺寸表达的空气间隔为lC。那么等式(3)可以表达为LOpl＝ndld+nlll+ntlt+na(lF1-ld-ll-lt-lc)(4)等式(4)可以表达为如下的等式(5)，以根据基座58的光路长度LF1、由腔内光学元件86产生的附加光路长度LO和补偿件18的光路长度LC示出光路长度LOpl＝[nalF1]+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]-[nalc](5)等式(5)可以表示为
LOpl＝LF+LO-LC(6)由上述等式(2)可以看出确定LOpl的导数并设置其等于零。如下面等式(7)中说明的，这提供了一种由基座58的光路长度导数LF′和在外腔中通过光学元件86产生的光路长度导数LO′的总和表示补偿构件18的光路长度的导数LC′的解。在求导数过程中分别使用补偿构件18、基座58、增益介质22和光学部件86的热膨胀系数αC、αF、αd、αl。此外，分别使用空气、增益介质22、光学元件86和信道选择器36的折射率na、nd、nl和nt，获得如下等式[nalc]′＝[nalF]′+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]′(7)等式(7)还可以表示为LC′＝LF′+LO′ (8)可以求解等式(7)中的导数以得到补偿构件18的热膨胀系数和长度乘积的解。
图7B示出补偿构件18相对于基座58的不同放置，补偿构件18的膨胀导致增加激光器84的外腔光路长度。在等式(9)中提供的等式(1)的解中示出了这种关系LOpl＝Ld+Ll+Lt+La124＝ndld+nlll+ntlt+na124(9)如上所述，空气间隔长度La123受基座58以及补偿构件18的膨胀和收缩影响。但是在这种情况下，补偿构件18的膨胀与图7A所示的作用相反。可以根据基座的尺寸lF1和补偿构件18的尺寸LC表达空气间隔长度。等式(9)可以表达为等式(10)LOpl＝ndld+nlll+ntlt+na(lF1-ld-ll-lt+lc) (10)根据基座58的光学长度LF1、由光学器件86提供的附加光学长度LO和补偿构件18的光学长度LC表达等式(10)LOpl＝[nalF1]+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]-[nalc] (11)或者，更为简化LOpl＝LF+LO+LC(12)计算LOpl的导数并设其为零提供了根据基座58的光路长度的导数LF′和光学部件86光路长度的导数LO′的总和表示的补偿构件18的光路长度的导数LC′的解，如下等式(13)所示。在求导数过程中分别使用补偿构件18、基座58、增益介质22、光学部件86和信道选择器36的热膨胀系数αC、αF、αd、αl。此外，分别使用空气、增益介质22、光学元件86和信道选择器36的折射率na、nd、nl和nt，获得导数
-[nalc]′＝[nalF]′+[(nd-na)ld+(nl-na)ll+(nt-na)lt]′(13)其还可以表达为-LC′＝LF′+LO′ (14)等式(13)的解提供了补偿构件18的热膨胀系数和尺寸的乘积，补偿构件18向图7B的外腔激光器结构提供被动热稳定。
虽然参照特定实施例说明了本发明，但是本领域技术人员应理解不脱离本发明的精神和范围可以做出各种变型和等同替代。此外，为使特定的情况、材料、物质的化合物、工艺、工艺步骤或步骤适应本发明的目的、精神和范围，可以做出多种改进。所有这些改进都在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种激光装置，包括限定激光腔的第一与第二反射镜；和补偿构件，所述补偿构件耦合到至少一个所述反射镜，并被配置成相对于另一所述反射镜来热定位一个所述反射镜。
2.权利要求1的激光装置，其中所述补偿构件耦合到所述第一反射镜并被配置成相对于所述第二反射镜定位所述第一反射镜。
3.权利要求1的激光装置，还包括操作上耦合到所述补偿构件并被配置成热调整所述补偿构件的热电控制器。
4.权利要求2的激光装置，还包括具有第一与第二输出平面的增益介质，所述第一输出平面沿着光路发射相干光束，所述第一反射镜位于所述光路中，所述第二输出平面限定所述第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二输出平面限定所述激光腔。
5.权利要求2的激光装置，其中所述补偿构件是导热的。
6.权利要求2的激光装置，其中所述补偿构件具有高的热膨胀系数。
7.权利要求4的激光装置，其中所述增益介质和所述第一反射镜相对于彼此被动绝热。
8.权利要求1的激光装置，还包括(a)检测器，与所述外腔结合并被配置成检测与所述外腔有关的损耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述补偿元件和所述检测器，并被配置成按照从所述检测器中导出的误差信号热调整所述补偿构件。
9.权利要求8的激光装置，还包括操作上耦合到所述激光腔并被配置成把频率调制引入到所述激光腔的高频振动元件。
10.一种外腔激光器，包括(a)包括第一与第二输出平面的增益介质，所述增益介质沿着光路从所述第一输出平面发射相干光束；(b)位于所述光路中的端面镜，所述端面镜和所述第二输出平面限定外腔；(c)耦合到所述端面镜的补偿构件；和(d)耦合到所述补偿构件并被配置成通过热控制所述补偿构件来在位置上调整所述端面镜的热控制器。
11.权利要求10的外腔激光器，还包括位于所述光路中所述端面镜前面的格栅发生器。
12.权利要求11的外腔激光器，还包括位于所述光路中所述端面镜前面的信道选择器。
13.权利要求10的外腔激光装置，还包括基座，所述增益介质安装在所述基座上，所述补偿构件安装在所述基座上，所述基座具有第一热膨胀系数，所述补偿构件具有第二热膨胀系数，所述基座和所述补偿构件被加工成所需要的尺寸并被配置成被动地与所述外腔绝热。
14.权利要求12的外腔激光装置，还包括基座，所述增益介质、所述格栅发生器、所述信道选择器和所述补偿元件安装在所述基座上，所述补偿构件具有第一热膨胀系数，所述基座具有第二热膨胀系数，所述基座和所述补偿构件被加工成所需要的尺寸并被配置成被动地与所述外腔绝热。
15.权利要求10的外腔激光装置，还包括(a)检测器，与所述外腔结合并被配置成检测与所述外腔有关的损耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述补偿元件和所述检测器，并被配置成按照从所述检测器中导出的误差信号来热调整所述补偿构件。
16.权利要求15的外腔激光装置，其中所述检测器是设置用来监测穿过所述增益介质的电压的电压检测器。
17.权利要求15的外腔激光装置，还包括操作上耦合到所述外腔并被配置成把频率调制引入到外腔的高频振动元件。
18.权利要求10的外腔激光装置，其中所述补偿构件包含具有高的热膨胀系数的材料。
19.权利要求18的外腔激光装置，其中所述补偿构件是导热的。
20.一种外腔激光装置，包括(a)包括第一与第二输出平面的增益介质，所述增益介质沿着光路从所述第一输出平面发射相干光束；(b)位于所述光路中的端面镜，所述端面镜和所述第二输出平面限定外腔；(c)耦合到所述端面镜的补偿构件，所述补偿构件具有第一热膨胀系数；(d)耦合到所述补偿构件并被配置成通过热控制所述补偿构件来在位置上调整所述端面镜的热控制器；和(e)导热基座，所述导热基座具有第二热膨胀系数，所述增益介质耦合到所述基座，所述热控制器耦合到所述基座，所述基座和所述补偿构件被加工成所需要的尺寸并被配置成被动地与所述外腔绝热。
21.权利要求20的外腔激光装置，还包括(a)检测器，与所述外腔结合并配置成检测与所述外腔有关的损耗；和(b)控制器，操作上耦合到所述补偿元件和所述检测器，并被配置成按照从所述检测器导出的误差信号热调整所述补偿构件。
22.权利要求21的外腔激光装置，其中所述检测器是设置用来监测穿过所述增益介质的电压的电压检测器。
23.权利要求21的外腔激光装置，还包括操作上耦合到所述外腔并被配置成把频率调制引入到外腔的高频振动元件。
24.权利要求20的外腔激光装置，其中所述补偿构件包含具有高的热膨胀系数的材料。
25.权利要求24的外腔激光装置，其中所述补偿构件是导热的。
26.一种操作激光器的方法，包括(a)提供第一与第二反射镜，所述第一与第二反射镜限定激光腔；和(b)通过热调整耦合到至少一个所述反射镜的补偿构件来调整所述激光腔。
27.权利要求26的方法，其中所述热调整所述补偿构件包括利用耦合到所述补偿构件的热电控制器来加热或冷却所述补偿构件。
28.权利要求26的方法，还包括被动地使所述激光腔绝热。
29.权利要求26的方法，还包括监测与所述激光腔有关的损耗。
30.权利要求29的方法，其中按照从与所述激光腔有关的所述损耗的所述监测中导出的误差信号进行所述热调整。
31.权利要求29的方法，还包括把频率调制引入到所述激光腔。
32.一种产生可调谐相干光输出的方法，包括(a)提供外腔激光器，具有带第一与第二输出平面并沿着光路自所述第一输出平面发射相干光束的增益介质；和位于所述光路中的端面镜，所述端面镜和所述第二输出平面限定外腔；和(b)通过热调整耦合到所述端面镜的补偿构件来调整所述光学腔。
33.权利要求32的方法，其中所述热调整所述补偿构件包括利用耦合到所述补偿构件的热电控制器加热或冷却所述补偿构件。
34.权利要求32的方法，还包括被动地使所述外腔绝热。
35.权利要求32的方法，还包括监测与所述外腔有关的外部损耗。
36.权利要求35的方法，其中所述监测包括监测穿过所述增益介质的电压。
37.权利要求35的方法，还包括把频率调制引入到所述外腔中。
38.权利要求35的方法，其中按照从引入到所述激光腔中的所述频率调制的所述监测中导出的误差信号进行所述热调整。
39.一种激光装置，包括(a)限定激光腔的第一与第二反射镜；和(b)用于热调整至少一个所述反射镜的装置。
40.权利要求39的激光装置，其中所述热调整装置包括耦合到所述反射镜并被配置成热定位所述反射镜的补偿构件。
41.权利要求40的激光装置，其中所述热调整装置还包括操作上耦合到所述补偿构件并被配置成热调整所述补偿构件的热电控制器。
42.权利要求39的激光装置，还包括用于被动地热稳定所述激光腔的装置。
全文摘要
一种使用反射元件的主动热能化来最小化损耗并提供波长稳定的激光装置(20)和方法。该激光器包括限定外腔的第一与第二反射镜(24、28)以及耦合到至少一个反射镜(24)并被配置成相对于一个反射镜(28)热定位另一个反射镜(24)的补偿构件(16)。通过操作上耦合到补偿构件(16)并被配置成通过加热或冷却来热调整补偿构件(16)的热电控制器(18)进行热定位。激光装置(20)可以包括具有第一与第二输出平面(26、28)并沿着光路(32)自第一平面发射相干光束的增益介质(22)。在光路(32)中设置第一反射镜(24)，用第二输出平面(28)和第一反射镜(24)限定输出腔。
文档编号G02F1/01GK1547790SQ02810318
公开日2004年11月17日 申请日期2002年3月20日 优先权日2001年3月21日
发明者A·V·图加诺夫, M·S·赖斯, M·E·麦唐纳, B·V·约翰森, P·C·－H·林, A V 图加诺夫, -H 林, 约翰森, 赖斯, 麦唐纳 申请人:英特尔公司