一种激光可调谐装置的制作方法

本发明涉及一种激光光源，具体涉及一种激光可调谐装置。

背景技术：

可调谐外腔激光器，因为其窄线宽，稳定性高，连续调谐不跳模等特性受到了诸多领域的青睐。例如计量学，光谱学，激光测量，激光冷却等。

目前市场上的可调谐外腔激光光源都是基于衍射光栅而形成的调谐方案(主要由littrow方法和littman-metcalf方法为基础演变而来)。这些调谐方案都是依靠旋转光栅同时移动光栅的空间位置来实现外腔纵模波长/频率变化与光栅衍射光波长/频率同步，从而实现激光连续不跳模的调谐。这些激光器在近年来有着非常显著的发展，尤其是在mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)技术的应用后实现了更小，更快，更精密等实质性的进展。然而此类方案也存在着无法解决的难题，例如无跳模调谐只能在一定范围内(λ/4，λ是激光波长)进行，一旦超出此范围激光就会跳模，即从一个正在运行的纵模跳跃到另一个相邻的纵模。在跳模的过程中激光会出现一段时间的不稳定，新的激光模式需要一定时间重新谐振，同时连续的波长/频率变化也会被打破。在机械设计上，由于光栅的角度和空间位置需要被同时改变，使得这些机械运动需要一个稳定有力的支点来支撑光栅或反射镜的运动。对于需要长时间快速工作的激光器来说，这个机械运动的支点通常是最先损坏的，而且寿命与其他器件或者光学设备相比极其短暂。往往支点的损坏就意味着整个激光器的报废，因为修理与维护的费用和难度都是相当大的。

一些非机械调谐模式的激光器避免了上述弊端，他们使用电光晶体(ktn)或光波晶体(aom)来代替机械装置，使用电流或声波来改变晶体中光线的角度从而改变光打在光栅上的位置，从而改变波长/频率。这种调谐方式与机械调谐相比好处明显，节省空间而且调谐速度根本不在一个数量级(可达到ghz而机械振镜的转动速度只能达到khz)。此种优势使得此类激光器尤其受到oct(光学相干断层扫描opticalcoherencetomography)领域的青睐。但是此类调谐方式也存在着弊端，外腔波长/频率变化与光栅衍射波长/频率无法同步使得腔内激光频繁跳模，而且光栅与晶体的位置固定使得激光器很难做到单模运行。

还有一些非外腔可调谐激光器同样在一些领域有着用武之地，例如垂直发射可调谐激光器(vcsel)。此类激光器可以将激光腔体做得非常小，使得整个激光腔内只有一个纵模运行，这样就不存在模式干扰或者跳模。通过改变腔体折射率或微小改变腔长就可以做到对激光波长/频率的调谐。此类激光器造价普遍较高，同时短腔所对应的相干长度上的缺陷也同样影响着此类激光器的应用。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种激光可调谐装置，其能实现无跳模调谐。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种激光可调谐装置，包括：

光源模块，其用于发出入射激光；

腔模选择器，其设置在激光的光路上，所述腔模选择器包括有选模模式的频率响应，所述选模模式能使所述腔模选择器中的频率与多个腔模中的一个所述腔模以频率对准，用于激励被标示为所选腔模优先于其他腔模发出激光和改变激光的光学路径；

双面反射镜，其设置在激光的光路上，所述双面反射镜用于在转动时对所述入射激光进行反射以改变激光的反射角，所述双面反射镜转动θ角度时，在所述双面反射镜反射后入射至所述腔膜选择器的激光入射角转动2θ；

第一镜组和第二镜组，分别设置在所述双面反射镜的两侧，用于对经所述双面反射镜反射后的激光进行多次反射以使得出射激光平行于所述入射激光；

端镜，其设置在所述出射激光的输出路径上，用于接收并输出激光。

与现有技术相比，本发明所述的激光可调谐装置具有以下有益效果：在光源模块、镜组、激光输出元件之间所形成的激光腔内，所述双面反射镜转动θ角度时，激光在激光腔内的光程变化为一个只与cos2θ有关的表达式，在所述双面反射镜反射后入射至所述腔膜选择器的激光入射角转动2θ，也就是说，光程变化与光源模块、双面反射镜的摆放位置，甚至双面反射镜的旋转支点没有关系，使得光源模块和反射镜的安装存在很大的容错误差，实现腔模模式(双面反射镜)与选模模式同步(腔膜选择器入射)变化，从而实现完美调谐。

作为本发明的进一步改进，所述腔模选择器包括：标准具，其具有界定多个标准具模的相对的部分反射面，用于改变激光的光学路径。

作为本发明的进一步改进，所述腔模选择器还包括：滤波器，所述标准具镀膜以形成所述滤波器，所述滤波器用于与所述腔模选择器所选的、并与所述腔模对准的所述选模模式以频率对准，对准的频率响应与所述腔模选择器的频率响应相组合以产生激励所选的所述腔模优先于其他腔模发出激光的组合频率响应。

作为本发明的进一步改进，所述第一镜组包括：第一镜面、第二镜面，所述第二镜组包括：第三镜面、第四镜面，所述第一镜面和所述第三镜面平行，所述第二镜面和所述第四镜面平行。

作为本发明的进一步改进，所述腔模选择器设置在所述第一镜组和所述双面反射镜之间、或所述腔模选择器设置在所述第二镜组和所述双面反射镜之间。

作为本发明的进一步改进，本发明还包括第一驱动旋转部件，用于驱动所述双面反射镜相对于所述第一镜组、所述第二镜组、所述腔模选择器、所述光源模块转动。

作为本发明的进一步改进，本发明还包括第二驱动旋转部件，用于驱动所述第一镜组、所述第二镜组、所述腔模选择器、所述光源模块相对于所述双面反射镜转动。

作为本发明的进一步改进，所述腔模选择器设置在所述光源模块和所述双面反射镜之间，所述双面反射镜转动θ角度时，所述腔模选择器转动2θ角度。

作为本发明的进一步改进，所述第一镜组、所述第二镜组均为直角平面反射镜或直角三棱镜。

作为本发明的进一步改进，所述端镜为全反射镜，使输出激光沿原光路返回所述光源模块，依次经过所述光源模块内的透镜、激光器，并在所述激光器没有镀增透膜的一侧输出。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜靠近所述双面反射镜的一面上设置有微球面阵列反射镜。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜为曲面反射镜。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜靠近所述双面反射镜的一面上设置有柱面镜。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜为三角形棱镜。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜靠近所述双面反射镜的一面上设置有光栅反射镜。

作为本发明的进一步改进，所述全反射镜远离所述双面反射镜的一面上设置有反射光栅。

作为本发明的进一步改进，所述双面反射镜为平面双面反射镜，所述平面双面反射镜为振镜或微型电控硅玻璃。

附图说明

图1为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图2为实施例一所述标准具、所述滤波器的示意图；

图3为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图4为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图5为实施例一所述激光可调谐装置的光程计算示意图；

图6为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图7为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图8为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图9为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图10为实施例一所述激光可调谐装置的整体示意图；

图11为激光(1550nm)受标准具腔限制在±3°范围内波长可调谐范围与标准具初始角度关系图；

图12为实施例一所述激光可调谐装置腔模模式与腔模选择器模式的调谐与跳模解析图；

图13为实施例二所述激光可调谐装置的整体示意图；

图14为实施例三所述激光可调谐装置的整体示意图；

图15为实施例四所述端镜设计示意图；

图16为实施例四所述端镜设计示意图；

图17为实施例四所述端镜设计示意图；

图18为实施例四所述端镜设计示意图；

图19为实施例四所述端镜设计示意图；

图20为实施例四所述端镜设计示意图；

图21为实施例四所述端镜设计示意图；

标记说明：1-光源模块；11-透镜；12-激光器；121-激光器没有镀增透膜的一侧；122-激光器镀增透膜的一侧；2-腔模选择器；21-标准具；22-滤波器；3-双面反射镜；41-第一镜组；411-第一镜面；412-第二镜面；42-第二镜组；421-第三镜面；422-第四镜面；5-激光输出元件；51-端镜；52-微球面阵列反射镜；53-柱面镜；54-三角棱镜；55-光栅反射镜；56-反射光栅；6-第一驱动旋转部件；7-第二驱动旋转部件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释发明，并不用于限定发明。

实施例一

本实施例公开了一种激光可调谐装置，如图1所示，包括：光源模块1、腔模选择器2、双面反射镜3、第一镜组41、第二镜组42和端镜5，其中，光源模块1用于发出入射激光；腔模选择器2设置在激光的光路上，腔模选择器2包括有选模模式的频率响应，选模模式能使腔模选择器中的频率与多个腔模中的一个腔模以频率对准，用于激励被标示为所选腔模优先于其他腔模发出激光和改变激光的光学路径；双面反射镜3设置在激光的光路上，双面反射镜3用于在转动时对入射激光进行反射以改变激光的反射角，双面反射镜3转动θ角度时，在双面反射镜3反射后入射至腔膜选择器2的激光入射角转动2θ；第一镜组41和第二镜组42分别设置在双面反射镜3的两侧，用于对经双面反射镜3反射后的激光进行多次反射以使得出射激光平行于入射激光；端镜5其设置在出射激光的输出路径上，用于接收并输出激光。

在上述实施例中，如图2所示，腔模选择器2包括：标准具21，其具有界定多个标准具模的相对的部分反射面，用于改变激光的光学路径。

在上述实施例中，腔模选择器还包括：滤波器22，标准具镀膜以形成滤波器，滤波器用于与腔模选择器2所选的并与腔模对准的选模模式以频率对准，对准的频率响应与腔模选择器的频率响应相组合以产生激励所选的所述腔模优先于其他腔模发出激光的组合频率响应。

在上述实施例中，如图1所示，第一镜组41包括：第一镜面411、第二镜面412，第二镜组42包括：第三镜面421、第四镜面422，第一镜面411和第三镜面421平行，第二镜面412和第四镜面422平行。

在上述实施例中，腔模选择器2设置在第一镜组41和双面反射镜3之间、或腔模选择器2设置在第二镜组42和双面反射镜3之间，请参照图1，即腔模选择器2可设置在109、117、118、120、121所示的任一位置。

在上述实施例中，如图3所示，双面反射镜3固定在第一驱动旋转部件6上，第一驱动旋转部件6用于驱动双面反射镜4相对于第一镜组41、第二镜组42、腔模选择器2转动，也就是说，第一镜组41、第二镜组42、腔模选择器2、光源模块1四者固定不动。

在上述实施例中，第一镜组41、第二镜组42均为直角平面反射镜或直角三棱镜，也就是说第一镜面411、第二镜面412相互垂直，第三镜面421、第四镜面422相互垂直。

在上述实施例中，双面反射镜3为振镜或微型电控硅玻璃。

接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：

激光从光源模块1发出，经过双面反射镜3反射后，入射至腔模选择器2，激光在腔模选择器2内光路发生改变后依次入射到第一镜面411、第二镜面412，此时，双面反射镜3转动θ角度时，激光经腔模选择器2后的出射角转动2θ，而后，激光在第二镜面412上发生反射后依次入射到第三镜面421、第四镜面422、双面反射镜3，最后入射至端镜5输出。

如图2所示，光通过标准具21的光程差可写为：

δ＝n(cd+de+ef)-(ncd+n′dj)＝n(de+ef)-n′dj(1)

其中n是标准具212内介质的折射率，n′是标准具21外部介质的折射率，在空气中折射率为1。

de＝ef＝t/cosα(2)

其中α是光线入射标准具内角，t是标准具的厚度。

dj＝dfsinγ＝2t·tanα·sinγ(3)

其中γ是光线在标准具21外的入射角.

δ＝2nt/cosα-2n′t·tanα·sinγ(4)

通过斯涅尔定律：

n′sinγ＝nsinα(5)

将公式(5)代入公式(4)我们得到：

δ＝2ntcosα＝mλ＝2le(6)

其中，m是整数，λ是真空中的波长，我们称le为标准具的腔长，公式是：

le＝ntcosα(7)

在图4中我们发现，当双面反射镜3转动一个角度θ时，入射至标准具21的激光的角度改变是2θ，建立坐标系，如图5所示，设双面反射镜3旋转支点为坐标原点，得出：

ab＝h1(8)

其中h1是光源的z坐标距离。

bc＝(-a+b1)sec2β(9)

其中a，b1是其中一个镜组4的棱的x，y坐标距离，β是双面反射镜3的初始角度(初始角度为45°，具体安装角度视产品设计与安装情况而定)。

cd＝2asec2β(10)

de＝(-2a+b1+b2)sec2β(11)

其中，b2是另一个镜组4的y坐标距离。

ef＝2asec2β(12)

fg＝[-a+b2+(b1+b2)sin2β]sec2β(13)

gp＝h2-2(b1+b2)(cosβ+sinβ)sin2β(cosβ-sinβ)(14)

其中h2是端镜5的z坐标距离。

如图4中所示，h＝h1+h2，b＝b1+b2，将公式(8)代入到(14)相加我们得出激光腔腔长公式为：

l＝ab+bc+cd+de+ef+fg+gp＝h+2bcos2β(15)

将(15)求导就可以得到激光腔光程变化，也是一个只与cos2θ有关的表达式，吻合标准具21的光程变化。同时可发现公式(15)中光程只与镜组4的相对位置和光源模块1到端镜51的距离有关，跟光源模块1或双面反射镜3的摆放位置，甚至双面反射镜3的旋转支点都没有关系，即光源模块1与双面反射镜3的安装存在着非常大的容错误差。

如图6中所示，为双面反射镜3另一转动方向的示意图，其原理与图4相一致，在此不一一赘述。

进一步的，本实施例改变了坐标系中光源模块1的位置重新进行了计算，虽然每单个光路的光程都不尽相同，但是最后相加的结果保持不变的。如图7-图10所示改变双面反射镜3的旋转支点对于系统的光程也不会有影响。

图7和图8描述了本实施例旋转支点从o点变到g点后，在正角度转动调谐的工作光路。激光从激光器12中发出，穿透激光器镀增透膜的一侧122，经过透镜11准直打在双面反射镜3的p点上，双面反射镜3饶g点转动到了与初始位置(虚线处)成夹角θ的新位置，入射光106经反射透过腔模选择器2射入其中第一镜组41，经过第一镜面411、第二镜面412的反射进入第二镜组42，同样再经过第三镜面421、第四镜面422的再次反射到双面反射镜3的另一个反射面的q点，再次反射，出射光113打到端镜5，再经原路返回光源模块100从而形成激光。若将端镜换成全反射镜，输出光则从激光器的另一侧121输出105。

图9和图10描述了本实施例旋转支点从o点变到g点后，在负角度转动调谐的工作光路。激光从体激光器12中发出，穿透激光器镀增透膜的一侧122，经过透镜11准直打在双面反射镜3的p点上，双面反射镜3饶g点转动到了与初始位置(虚线处)成夹角θ的新位置，入射光106经反射透过腔模选择器2射入第一组41，经过第一镜面411、第二镜面412的反射进入第二镜组42，同样经过第三镜面421、第四镜面422的再次反射到双面反射镜3的另一个反射面的q点，再次反射，出射光113打到端镜5，再经原路返回光源模块100从而形成激光。若将端镜换成全反射镜，输出光则从激光器的另一侧121输出105。

当使用空气腔标准具时，可实现高精度调谐，但是造价太高，当我们使用玻璃做标准具时，标准具的光程差变为：

这时便破坏了高精度调谐。虽然标准具外侧和里侧的入射角差别很小，但是还是影响了腔模与标准具模式之间的同步。

激光以波长形式与光强在坐标图上表现为一众连续波长的包络，通常以包络的中心波长为激光的波长。在激光装置中通常存在多个不同波长/频率的激光，我们称这些不同的波长/频率的激光为腔模模式。腔模由腔长的两倍，即腔内的完整来回的光学路径长度来界定，其等于真空波长的整数倍，

2n0l＝mλ(17)

其中n0是腔内的折射率，m是整数，λ是真空中的波长。

根据波长与频率的数学关系我们可以得出相邻腔模之间的频率间隔为：

δv＝c/2n0l(18)

其中c是光在真空中的传播速度。

腔模选择器2，即标准具也存在着相同的关系。显而易见，由于标准具21的内腔长度远远小于整个激光可调谐装置的腔长，标准具21中的模式间距会远远大于腔模的间距。并且一个标准具模的包络中会存在数个腔模彼此竞争，那么最接近标准具模中心频率的腔模就具有了绝对的优势，所以发出的激光的频率就是上述最具优势的腔模频率。滤波器22可以保证同一时间只有一个标准具模式受到激励，那么在这个时间就只有一个腔模会发出激光，即单纵模。

当激光可调谐装置改变腔长时，每个腔模的频率都会变化，同样改变标准具21腔长也会使标准具21模的频率变化，体现在坐标图中可表现为模式包络或频率在横轴上左右移动。如图12所示，我们假设一个腔模vq与标准具模vf在激光器开始工作时重合，那么在激光器12运转时两个模都会向同一方向移动，同时其他腔模也会一起移动。当腔模变化与标准具21模变化没有同步时，会表现为一个移动的快而另一个移动的慢，并且所有腔模都会以同样的速度移动。一段时间之后当腔模与标准具21模之间的差别在1/2纵模间距δv的时候，其他邻近腔模(vq-1或vq+1)就会对现在发出激光的腔模产生竞争，从而压倒现有腔模发射出属于自己频率的激光，称之为跳模。所以不跳模的调谐需要满足：

|v′q-v′f|＜δv/2(19)

其中，vq′和vf′分别是原本重合的腔模和标准具模在经过调谐后的频率。

将两个频率各自与波长的关系带入上述公式，经过计算可以得到如下公式：

即当腔长变化率与标准具变化率的差别小于波长与四倍腔长的比值时会出现跳模。根据此公式可以在具体设计中计算出调谐范围。

调谐范围除了受到以上所述影响外，标准具自身的调谐范围也受到cosα的影响。因为余弦函数在数学上本身是有范围的，通过计算发现标准具21自身对调谐范围的影响跟标准具放置的初始角度有关，标准具21调谐时的波长变化与标准具腔长变化存在如下关系，

其中δλ是波长可调谐范围，dα是标准具内角可转动范围。

对le求导可得到：

δλ＝-λtanα·dα(22)

对公式(5)进行求导后得到：

将式(23)与(5)代入式(22)就可以解出在特定dγ的角度调谐范围内在特定波长下的可调谐范围依标准具初始角度γ的变化。

图11中是1550nm激光的受限调谐范围在双面反射镜3转动±3°范围内与标准具初始角度的关系。从图中可以看出，当初始角度越大时，调谐范围就越大。但是在实际应用中标准具的初始角度不宜太大，因为会影响到完整光斑在标准具中的往返长度，所以具体的初始角度要依据具体设计寻求平衡。

实施例二

本实施例公开了另一种激光可调谐装置，如图13所示，其与实施例一的区别在于：第一镜组41、第二镜组42、腔模选择器2固定在第二驱动旋转部件7上，第二驱动旋转部件7用于驱动第一镜组41、第二镜组42、腔模选择器2、光源模块1相对于双面反射镜3转动。

激光从光源模块1发出，经过双面反射镜3反射后，依次入射到第一镜面311、第二镜面412，此时，双面反射镜3旋转θ角度，腔模选择器2旋转2θ角度，而后，激光入射至腔模选择器2后，依次入射到第三镜面421、第四镜面422、双面反射镜3，最后入射至激光输出元件5输出。

实施例三

本实施例公开了另一种激光可调谐装置，如图14所示，其与实施例一的区别在于：腔模选择器2设置在光源模块1和双面反射镜3之间，双面反射镜3转动θ角度时，腔模选择器3转动2θ角度，同理的，也可采取驱动旋转部件对双面反射镜3和腔模选择器2进行旋转控制，即光源模块1、第一镜组41、第二镜组42和端镜5均保持不动。

激光从光源模块1发出，入射至腔模选择器2后，依次入射至双面反射镜3、第一镜面411、第二镜面412、第三镜面421、第四镜面422、双面反射镜4，最后入射至激光输出元件5输出。

实施例四

本实施例公开了另一种激光可调谐装置，如图15所示，其与实施例一的区别在于：端镜5为全反射镜，使输出激光沿原光路返回光源模块1，并在激光器没有镀增透膜的一侧121输出，采用全反射镜经济实用。

对于反射光存在一定发散角的高斯光束而言，如图16所示，全反射镜为平面全反射镜，全反射镜靠近双面反射镜的一面上设置有微球面阵列反射镜52，可最大限度地压缩高斯光束204在各个方向上的发散，并将光束原路返回203。

如图17所示，全反射镜为曲面反射镜，其反射表面具有一定弧度，可在一个轴方向上压缩高斯光束的发散204。

如图18所示，全反射镜为平面全反射镜，全反射镜靠近双面反射镜的一面上设置有柱面镜53，两者的结合，使光束透过柱面镜53在纵向聚焦光束，再利用置于其焦点处的全反射镜51原路经过柱面镜53，变成平行光束206返回。

如图19所示，全反射镜为平面全反射镜，全反射镜为三角形棱镜54，在迎光面镀增透模使光可以通过棱镜内部，并在另两个面镀全反模，使射入光束208在棱镜内多次反射，以集中发散的光线207。

如图20所示，全反射镜为平面全反射镜，全反射镜靠近双面反射镜的一面上设置有光栅反射镜55，利用其上的锯齿多次反射209以达到集中发散光束210的目的。

如图21所示，全反射镜为平面全反射镜，全反射镜远离近双面反射镜的一面上设置有反射光栅55，利用光栅55上的锯齿多次反射211以达到集中发散光束212的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。