CN1287495C - 具有衍射光学元件的波长可调激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有衍射光学元件的波长可调激光谐振器，包括：第一和第二谐振器端反射器，所述第一和第二谐振器端反射器确定了具有一定长度的光路的谐振器；设置在所述谐振器内的增益介质，用于产生和/或放大射束，并把它发射到所述第一和第二谐振器端反射器；衍射光学元件设置在所述光路内，适于滤波所述射束的波长，并被设计成用来把包括所述被滤波波长的所述射束的一部分向所述增益介质聚焦，其中，所述第一或所述第二谐振器端反射器中的至少一个可相对于谐振器内的其他光学元件移动，以增加或减少所述光路的所述长度，并且，所述衍射光学元件可相对于谐振器内其他光学元件移动，使所述被滤波的波长适应所述光路的所述长度的增加或减少。

Description

具有衍射光学元件的波长可调激光器
技术领域
本发明涉及具有衍射光学元件的波长可调激光器。
背景技术
波长可调激光光源在工业中，具体地说在光学通信测量器件工业中不断变得重要起来。O.T.Cassdiy和Michael Hamp在文章“Diffractive opticalelement used in external feedback configuration to tune the wavelength ofuncoated Fabry-Perot diode lasers”(“在外部反馈结构中用来调谐无镀层的法布里-珀罗二极管激光器的衍射光学元件”，Journal of Modern Optics，1999，Vol.46，No.7，1071～1708)中，给出了一种具有外部光学谐振器的波长可调激光谐振器的设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的波长可调激光谐振器。
根据本发明的实施例，波长可调激光谐振器包括第一和第二谐振器端反射器。两个反射器都被设置成向彼此反射电磁辐射的入射束，因此确定了一个谐振器，在该谐振器中，谐振模式由于干涉电磁波而形成。谐振器端反射器至少可以是全反射器件、半透明镜、反向反射器、布拉格反射器等中的一个。长度由所述第一和第二谐振器端反射器确定的光路能被线性地沿直线设置，或者能通过衍射栅格或重定向镜重定向。
根据本发明的实施例，例如李特曼(Littmann)谐振器(如在其基础性论文中所述，例如在“Liu and Littman，Novel geometry for single-modescanning of tunable lasers，Optical Society of America(用于可调激光器单模扫描的新颖的几何学，美国光学学会)，1981”)、立特鲁(Littrow)谐振器(例如在EP-A-952643中所示出)等的任何种类的谐振器可以通过谐振器端反射器和其他的光学元件实现，但是包括平面平行光路的直线形谐振器或环形谐振器是最优选的。
该激光谐振器也包括增益介质或用于产生和发射电磁辐射束的元件。增益元件最好是具有波导性质的半导体。
衍射光学元件被设置在由谐振器端反射器所确定的光路中。根据本发明实施例的衍射光学元件被设计成用来将平行的入射束聚焦到焦点。与常规光学透镜相反，焦点与衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)之间的距离，强烈地取决于入射束的波长。例如，对于菲涅耳带板，使用近轴近似，且λ是电磁辐射的波长时，则焦点距离大致与1/λ成比例。
作为波长滤波器，衍射光学元件必须将依赖于波长的光学损耗引入到光学***中，该光学***包括谐振器端反射器和增益介质的波导结构。为了获得较低的光学损耗，衍射光学元件必须将源于波导结构的发散射束变换为与由谐振器的反射器所给定的几何条件相匹配的射束。从该条件偏离的射束将部分或完全地离开谐振器，这就意味着额外的光学损耗。由于DOE的依赖于波长的成像性质，仅有一个特定的波长满足该几何条件，其由DOE的构造以及DOE与波导结构之间的距离决定。
对第一和第二谐振器端反射器进行设置，从而至少一个反射器可以相对于谐振器中的其他光学元件沿光轴移动，来增加或减少所述光路长度。进行这样的移动，可以对谐振模式的波长进行调谐。由于至少一个反射器的调谐移动，因衍射光学元件而由波长滤波器所选择的谐振模式的波长漂移，并且脱离衍射光学元件所提供的滤波函数的波长范围。
所以根据本发明，衍射光学元件也可以相对于谐振器中的其他光学元件沿光轴移动。衍射光学元件最好能相对于波导结构移动，来改变依赖于经过调谐的波长的波长滤波器曲线。
根据优选实施例，衍射光学元件可以包括相位调制结构或振幅调制结构中的至少一个。在两种情形中，入射光束都经过衍射，从而这些结构所透射或反射的电磁辐射的叠加将导致相长干涉或相消干涉。设置衍射光学元件配备的结构，从而使得相长干涉发生在距所述衍射光学元件一定距离内基本相同的位置。
衍射光学元件的一个优选实施例是菲涅耳带板。非透明或相移结构被设置为与透明圆环结构相交替的透明介质上的同心圆环。圆环的周期随着距圆环中心的距离而增加。因此，具有给定波长的电磁波被向着例如通过所述同心圆环中心的轴衍射。所得到的衍射角度，对于相对于中心更远的圆环相位或圆环振幅结构比那些被设置在靠近轴的圆环相位或圆环振幅结构更大。因此，根据菲涅耳带板的实施例的衍射光学元件起着具有焦距的透镜的作用。
根据本发明，衍射光学元件也可以包括折射元件，用于进一步折射经过所述衍射光学元件衍射的电磁辐射。
本发明的实施例提供了特别的优点，即衍射光学元件能以基本平坦的器件的方式实现。因此，它能被设置在特别靠近激光光源或谐振器端反射器的位置，而像距或焦距能被设计得相当地小。此外，衍射光学元件起着被结合进一个器件中的波长滤波器和准直透镜的作用。在另一个实施例中，波长可调激光谐振器包括控制单元，其各自被连接到用于移动第一或第二谐振器端反射器中至少一个的驱动器和用于移动衍射光学元件的驱动器。响应用于调谐谐振器的波长的谐振器端反射器之一的移动，改变衍射光学元件的位置。该位置改变是针对于增益元件和波导结构位置进行的。
最好为控制单元提供一个查找表，该查找表将谐振器端反射器位置与衍射光学元件位置联系起来。该查找表最好在初始的工具设置时建立。
通过用分束器耦合输出的射束的一部分来测量当前波长也是可能。然后，衍射光学元件的位置能响应直接测量而调节。
此外，可以设置主动控制机制，其中，一个谐振器端反射器或DOE在中心位置附近发生抖动。然后，激光的一部分能被针对诸如光功率或波长的物理性质进行分析。从针对抖动动作的相位敏感分析，能得到控制信号，该控制信号能够对谐振器端反射器和DOE的位置进行同步。
应被理解的是，此外在谐振器中重定向光路的重定向镜或光栅被认为是根据本发明的谐振器端反射器。这些元件的移动能够调谐谐振器的波长，因此最好可以和作为可调谐波长滤波器的衍射光学元件一起，被组合进一个谐振器中。
根据本发明，对波长可调激光谐振器进一步的小型化还被有利地推动了。
附图说明
当结合附图考虑时参照后面详细的描述，本发明的其他目的和许多附带的优点将很容易地被意识到，并且能更好地被理解。基本上或功能上等同或类似的特征将以相同的参考符号指示。
图1示出了根据第一实施例，具有带反射背面，作为增益元件的激光二极管和衍射光学元件的直线形激光谐振器；
图2示出了根据第二实施例，具有衍射光学元件的环形谐振器；
图3示出了根据第三实施例，具有在两面都涂覆有抗反射层作为增益元件的激光二极管和衍射光学元件的直线形激光谐振器；
图4示出了具有曲面衍射光学元件的谐振器。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的波长可调激光谐振器的第一个实施例。激光二极管芯片30包括增益介质14和背面16。在增益介质14中，产生电磁辐射束5，并且通过前表面12将其发射到衍射光学元件40。该衍射光学元件40包括菲涅耳带板，其具有设置在透明板上的相移调制结构的同心圆环。如此确定的衍射菲涅耳透镜具有焦距100，其依赖于通过透镜透射的光的波长。
衍射光学元件40被设置在距激光光源的一定距离内，该距离基本上等于焦距100。于是，射束5基本上具有对应于焦距的特定波长的部分被准直为一束穿过部分反射的第二谐振器端反射器20的基本上平行的光线，该焦距等于激光光源-衍射光学元件距离。
射束5基本上从第二谐振器端反射器20被反射回来，然后被衍射光学元件40向着激光光源30聚焦在距离101中。射束5并不对应于特定波长的部分由于没有成为平行光束而离开了谐振器。衍射光学元件40起着波长滤波器的作用。对于特定的波长，在这个实施例中像距101等于焦距100。
激光光源30的背面16代表了第一谐振器端反射器1O，由此其确定了谐振器1的光路长度。于是，谐振模式在谐振器1中形成，该谐振模式具有取决于光路长度的波长。选择激光光源30的增益介质14与衍射光学元件40之间的距离，从而用所述特定波长滤波器挑选一个模式。背面16也是部分反射的，从而射束5的一部分也能在这里进行耦合输出。透镜55用于准直被耦合输出的射束。
为调谐谐振模式的波长，第二谐振器端反射器20在第一方向21上可以相对于在谐振器1中的其他光学元件是来回移动的，尤其是相对于背面16。当由于调谐而导致这些波长漂移时，波长滤波器，即衍射光学元件40所选择的谐振模式离开波长滤波函数，并会由于被滤出而消失。
衍射光学元件40具有在第二方向41的移动能力。于是，能够使衍射光学元件40移动以使其位于距激光光源30的一定距离，该距离对应于对漂移的波长有效的衍射光学元件40的焦距100。因此，衍射光学元件40的运动提供了波长滤波函数的变动，于是能对谐振器波长调谐进行校正。作为一种有利的结果，在进行波长调谐时能避免模式跳跃。
图2示出了本发明的第二实施例。由第一和第二谐振器端反射器10、10′、20和20′确定了环形谐振器，其中，产生电磁辐射束5，和/或通过激光光源30的增益介质对其进行放大，并且将其发射进入射束5的环状光路。衍射光学元件40被设置在第一方向的光路上，准直光学透镜55被设置在第二方向的光路上。光路长度能通过在方向11移动第一谐振器端反射器10、10′组而增加。将包括与第一实施例相同特征的衍射光学元件40设置为可以在方向41上移动，以响应波长调谐而调节滤波波长。
图3示出了本发明的第三个实施例。类似于图1，显示了直线形谐振器。但是，衍射光学元件40和第二谐振器端反射器20用相同的光学器件代表，因此，在本实施例中衍射光学元件40是反射性而非透射性的。在本实施例中，由于几何上的原因，像距101大约是DOE焦距的两倍。
由于与到激光光源的距离相比，衍射光学元件的像距101规定了经过滤波的波长范围，所以第一谐振器端反射器10可以移动，以便给出调谐谐振器1的另外的选择。因此，在本实施例中，激光光源没有反射背面。
图4示出了衍射光学元件40更有利的实施例。所显示的元件都是曲面的，从而相对于具有相同相位结构尺度，但设置在平面板上的菲涅耳带板，延长或缩短了焦距或像距。

Claims (13)

1.一种波长可调激光谐振器，包括：
第一谐振器端反射器(10)，用于把电磁辐射的射束(5)向第二谐振器端反射器(20)反射，
所述第二谐振器端反射器(20)，用于把所述射束(5)往回向所述第一谐振器端反射器(10)反射，所述第一谐振器端反射器(10)和第二谐振器端反射器(20)确定了具有一定长度的光路的谐振器，
增益介质(14)，用于把所述射束(5)向所述第一谐振器端反射器(10)和第二谐振器端反射器(20)发射，所述增益介质(14)被设置在所述谐振器(1)内，
衍射光学元件(40)，设置在所述光路内，适合于对所述射束(5)进行波长滤波，并且将至少一部分所述经过波长滤波的射束(5)向所述增益介质(14)聚焦，
其中，所述第一谐振器端反射器(10)或所述第二谐振器端反射器(20)中的至少一个被设置成可以相对于谐振器(1)内的其他光学元件沿光轴移动，以增加或减少所述谐振器(1)的所述光路的所述长度，和
其中，所述衍射光学元件(40)被设置成可以相对于谐振器(1)内的其他光学元件沿光轴移动，以使所述使经过滤波的波长适应所述光路的长度的所述增加或减少。
2.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述增益介质(14)包括被设置为所述增益介质(14)的背面(16)的所述第一谐振器端反射器(10)，并且所述增益介质(14)具有前表面(12)，通过所述前表面(12)，所述射束(5)被发射到第二谐振器端反射器(20)，和
其中，所述衍射光学元件(40)用于透射所述经过衍射的射束(5)。
3.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述第一谐振器端反射器(10)被设置成可以相对于所述其他光学元件沿光轴移动，和
所述衍射光学元件(40)和所述第二谐振器端反射器(20)指代相同的光学元件，该光学元件被设置成可以相对于所述其他光学元件沿光轴移动。
4.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
还包括控制单元和驱动器，均用于沿光轴移动所述衍射光学元件(40)和所述第一谐振器端反射器(10)或所述第二谐振器端反射器(20)中的至少一个，以响应所述光路的所述长度的增加或减少来调节所述衍射光学元件(40)在所述光路内的位置。
5.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述第一谐振器端反射器和所述第二谐振器端反射器被配备为反向反射器，从而形成了确定环形谐振器的光路。
6.如权利要求5所述的波长可调激光谐振器，
还包括光学二极管，用来选择一个射束方向以减少或避免增益介质(14)中的空间烧孔效应。
7.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述衍射光学元件(40)包括用于衍射所述射束(5)的相位调制结构。
8.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述衍射光学元件(40)包括用于衍射所述射束(5)的振幅调制结构。
9.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述衍射光学元件(40)包括菲涅耳带板。
10.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述衍射光学元件(40)包括折射元件，用于进一步折射经过所述衍射光学元件(40)衍射的电磁辐射。
11.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，所述衍射光学元件(40)包括具有凹入或凸出的空间结构的衍射结构。
12.如权利要求1所述的波长可调激光谐振器，
其中，至少所述第一谐振器端反射器(10)、所述增益介质(14)、所述衍射光学元件(40)和所述第二谐振器端反射器(20)被设置在空间上直线形的谐振器中，基本上在一条直线上而没有所述射束(5)的所述光路的角度重定向。
13.一种用于调谐波长可调激光谐振器(1)的波长的方法，该波长可调激光谐振器包括根据上述任何一个权利要求的第一谐振器端反射器(10)和第二谐振器端反射器(20)、衍射光学元件(40)和增益介质(14)，该方法包括如下步骤：
由所述谐振器(1)内的所述增益介质(14)发射电磁辐射束(5)，
在长度由所述第一谐振器端反射器(10)和第二谐振器端反射器(20)确定的所述谐振器(1)内形成一组谐振模式，
选择所述射束(5)的一个谐振模式，所述模式具有一定波长，
使用所述衍射光学元件(40)，把所述谐振模式的所述射束向所述增益介质(14)聚焦，所述衍射光学元件(40)具有针对所述波长的到所述增益介质(14)的像距，
沿光轴移动用于增加或减少所述谐振器(1)的光路长度的第一谐振器端反射器(10)或第二谐振器端反射器(20)中的一个，以调谐所述射束(5)的所述谐振模式的波长，
响应所述波长的调谐来调整所述衍射光学元件(40)的位置，以针对所述谐振模式的所述经过调谐的波长，来校正所述衍射光学元件(40)不同的像距。
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