[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中縱模序數(shù)保持不變的諧振腔幾何設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611135735.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-08
• 公開（公告）號(hào): CN106711744A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭津博;顧振杰;雷劍波;周圣豐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/05
• 分類號(hào): H01S3/05;H01S5/14
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中縱模序數(shù)保持不變的諧振腔幾何設(shè)計(jì)方法

背景技術(shù)

使用光柵作為波長(zhǎng)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(jí)次，λ為激光中心波長(zhǎng)，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(shí)，縱模模序數(shù)以及腔長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。由公式(2)可得，隨著激光波長(zhǎng)的變化，通常情況下縱模模序數(shù)都會(huì)隨波長(zhǎng)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(zhǎng))，因此由于激光的中心縱模序數(shù)發(fā)生躍變，將導(dǎo)致跳模和波長(zhǎng)的突變。這對(duì)于需要應(yīng)用波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧的應(yīng)用場(chǎng)合是不能被接受的。因此在該領(lǐng)域通常使用的是昂貴而復(fù)雜的激光模式閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用壓電陶瓷對(duì)激光腔長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以避免跳模等問(wèn)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(zhǎng)掃描過(guò)程中縱模序數(shù)保持不變的諧振腔幾何設(shè)計(jì)方法具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)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(xué)結(jié)構(gòu)，使可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中激光諧振腔的長(zhǎng)度隨激光波長(zhǎng)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(zhǎng)掃描的過(guò)程中激光波長(zhǎng)突變，激光跳模等問(wèn)題。

本發(fā)明基于掠入射型色散激光諧振腔，通過(guò)控制腔內(nèi)各元件的幾何學(xué)相對(duì)關(guān)系實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中縱模序數(shù)保持不變。

滿足縱模序數(shù)在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中不發(fā)生變化的可調(diào)諧激光諧振腔幾何學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖如附圖圖1所示。

其原理為：

使用光柵作為波長(zhǎng)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(jí)次，λ為激光中心波長(zhǎng)，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(shí)，腔長(zhǎng)為波長(zhǎng)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(zhuǎn)軸心位于光柵平面和調(diào)諧鏡平面的交線處。設(shè)轉(zhuǎn)軸到光柵距離為L(zhǎng)_P，腔長(zhǎng)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(dāng)腔內(nèi)各元件的幾何學(xué)位置相對(duì)關(guān)系滿足上述幾何條件：即調(diào)諧鏡的旋轉(zhuǎn)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(guò)調(diào)諧鏡轉(zhuǎn)軸時(shí)，激光縱模序數(shù)將不再是波長(zhǎng)的函數(shù)，所以激光縱模序數(shù)將不再隨波長(zhǎng)發(fā)生變化。

需要特別說(shuō)明的是：當(dāng)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(shí)，為保證諧振腔光學(xué)長(zhǎng)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(dòng)相應(yīng)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(diǎn)：

1、僅通過(guò)特殊的諧振腔幾何學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中縱模序數(shù)不變。避免了使用昂貴、復(fù)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(zhǎng)掃描的過(guò)程中激光波長(zhǎng)突變，激光跳模等問(wèn)題。

3、適用范圍廣，適用于單縱?？烧{(diào)諧激光器和多縱?？烧{(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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉。

附圖說(shuō)明

圖1是滿足激光縱模序數(shù)在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中不發(fā)生變化的可調(diào)諧激光諧振腔幾何學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)例一SLM2009型染料激光器幾何結(jié)構(gòu)圖；