雷射束髮生裝置以及用於調節雷射束的波長的方法與流程

2024-03-20 22:47:05

本發明涉及一種雷射束髮生裝置和一種用於調節雷射束的波長的方法。

背景技術：

雷射束產生通常地涉及雷射源元件和腔體。腔體用作形成駐波光的共振器。腔體可以由另外的元件形成，然後被稱為外腔。用於這種外腔的雷射源元件可以是雷射二極體。

外腔有利於允許在腔體內布置波長選擇元件，從而實現波長相關反饋。雷射源元件可以被鎖定到特定頻率。波長選擇元件的示例包括光柵例如體布拉格光柵(volume Bragg grating，VBG)、法布裡-珀羅幹涉儀(標準具(Etalon))及其組合。

在利特羅(Littrow)配置中，具有背刻面的二極體產生被準直的光束，然後與衍射光柵相互作用。光柵被配置為在0級衍射模式形成輸出光束的同時反射1級衍射模式。背刻面與衍射光柵一起構成共振器。對光柵進行調節允許調節雷射器的波長，但會導致輸出光束平移。

在Littman配置中，1級模式不被光柵直接反射回來，而是反射到一反射鏡上。然後反射鏡將第一模式反射回二極體中。對反射鏡進調節允許調節雷射器的波長，同時避免了輸出光束的平移。

丹紐·V等人在2000年3月15日光學快報上發表了″在外腔中的寬發光區二極體雷射器陣列的光譜束組合″(Daneu V.，et al.，″spectral beam combining of a broad-stripe diode laser array in an external cavity"，Opt.Lett.，2000Mar 15；25(6)：405-7)。具有寬發光區的11元件線性二極體雷射器陣列的輸出光束已經使用包括光柵的常見外腔組合成單個光束，其同時地使每個陣列元件在不同的但受控的波長下運行，並且使來自所有元件的光束重疊且在相同方向上傳播。這種組合也稱為波長多路復用。

WO2013143862描述了一種可用於抽運的具有外部的體布拉格光柵的雷射二極體，其中LD的耦合共振器具有Yb：YAG作為雷射活性介質，以及用於抑制不受窄帶VBG抑制的光譜分量的法布裡-珀羅標準具。

US 6,876,679 B1描述了通過濾波器和布拉格光柵的非相干雷射束的多路復用。EP 1 850 431 A1教導了相對於入射光改變標準具的傾斜度，用於改變標準具峰值的波長。

技術實現要素：

本發明提出進一步改善雷射束的生成和波長調節的目的。本發明特別地允許簡化雷射源元件的組合從而隨著其光束重疊且在相同的方向上傳播，它們以不同的但是受控的波長來運行。因此，本發明允許單獨地使波長穩定以及在單個實施例中用於多路復用和穩定化。

這通過如權利要求1所述的雷射束髮生裝置來實現。有利的實施例在從屬權利要求中進行了說明。

雷射束髮生裝置包括至少一個雷射源元件和外腔。該外腔包括輸出耦合器和周期濾波器元件，該周期濾波器元件被布置在從雷射源元件到輸出耦合器的光路上，在雷射源和輸出耦合器之間。該雷射束髮生裝置的特徵在於，該雷射束髮生裝置還包括各自布置在雷射源和標準具之間的光路上的至少兩個截止濾波器元件。

通過截止濾波器元件的使用，以簡單的方式實現了帶通濾波器元件，這額外地允許雷射源元件的光譜組合。通過帶通，周期濾波器元件的單共振模式被反饋給雷射源元件。因此雷射源元件被鎖定到在該單共振模式的峰值頻率時發射。

在實施例中，外腔可以使用位於外腔中的一組光學元件以及輸出耦合器反射率和曲率的選擇來進行優化。

該截止濾波器元件可以是具有不同截止波長的長通濾波器元件，該長通濾波器元件中的每個濾波器元件都允許波長長於各自截止波長的輻射通過，並且至少反射波長短於各自截止波長的輻射。例如，該至少兩個長通濾波器元件可以是冷光鏡。該冷光鏡可以包括電介質塗層。

或者，該截止濾波器元件是短通濾波器元件，該短通濾波器元件中的每個濾波器元件都允許波長短於各自的截止波長的輻射通過，並且至少反射波長長於各自的截止波長的輻射。或者，該截止濾波器元件中的一個濾波器元件是長通濾波器元件並且一個是短通濾波器元件。

雷射源元件和該至少兩個截止濾波器元件可以被布置在光路上從而雷射源元件的光被輻照在該至少兩個截止濾波器元件中的第一截止濾波器元件上並且該輻照的光的反射部分通過第一截止濾波器元件被反射至該至少兩個截止濾波器元件中的第二截止濾波器元件上，該光透射通過第二截止濾波器元件。

另外的雷射源元件可以被包括在該雷射束髮生裝置中，該另外的雷射源元件被布置在光路上從而該另外的雷射源元件的另外的光被輻照在第二截止濾波器元件上並且通過第二截止濾波器元件反射以使它被保持在外腔中。

然後，另外的截止濾波器元件可以被包括在該雷射束髮生裝置中，該另外的截止濾波器元件被布置在第二截止濾波器元件和該另外的雷射源元件之間的另外的光路上或者在第二截止濾波器元件和周期濾波器元件之間的光路上。

雷射源元件和/或該另外的雷射源元件可以是雷射二極體，其發射的光在第一方向上比在垂直於該第一方向的第二方向上發散得更快，該雷射二極體和雙色鏡被布置為使該雷射二極體的光在第一方向上被疊加。

然後，準直裝置可以被包括在該雷射束髮生裝置中，該準直裝置使雷射二極體發射的光準直，該準直裝置在第一方向和第二方向上進行準直。該雷射二極體可以是單發射器。單發射器可以以陣列進行布置。單發射器可以水平地或垂直地進行堆疊。

周期濾波器可以包括以空氣間隔放置的兩個平行的板，其中該板的側面彼此面向。該板能夠被塗布來對功率反射率作針對性調整。

還提出了根據權利要求13所述的一種使用根據本發明的雷射束髮生裝置調節雷射束的波長的方法。該方法包括通過繞軸旋轉標準具對波長進行精細調節來改變入射角。

本發明的不同實施例能夠彼此有利地進行結合。

附圖說明

下面，本發明的示例性實施例將藉助附圖進行更加詳細地描述，其中

圖1示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第一示例性實施例；

圖2示意性地示出了圖1的示例性實施例的截止濾波器元件和周期濾波器元件的依賴波長lambda的透光率T；

圖3示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第二示例性實施例；

圖4示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第三示例性實施例；

圖5示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第四示例性實施例；

圖6示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第五示例性實施例；

圖7示意性地示出了圖6的示例性實施例的截止濾波器元件和周期濾波器元件的依賴波長lambda的透光率T；以及

圖8示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第六示例性實施例。

具體實施方式

圖1示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第一示例性實施例。

該第一實施例包括通過雷射二極體11和至少兩個截止濾波器元件示例性地實現的雷射源元件，該至少兩個截止濾波器元件通過長通濾波器元件21、22示例性地實現。長通濾波器元件21、22被布置為使雷射二極體11發射的光的部分通過該至少兩個長通濾波器元件21、22中的第一長通濾波器元件被反射。該被反射的部分包括比第一截止波長W1短的波長。該被反射的部分被反射至該至少兩個長通濾波器元件21、22中的第二長通濾波器元件上。在被第二長通濾波器元件22反射的部分中，第二長通濾波器元件22使透射部分通過至以標準具30來示例性地實現的周期濾波器元件上。該通過的部分包括等於或者長於第二截止波長W2的波長，該第二截止波長W2比第一截止波長W1短。光穿過標準具30遇到輸出耦合器40，輸出耦合器40也被稱為輸出反射鏡，在此光穿過標準具30被反射回到第二長通濾波器元件22上。該反射回的光然後穿過標準具和濾波器被過濾並且被反饋至雷射源之中，以這種方式來選擇發射的波長。

在描述的第一示例性實施例中，有位於外腔中的光學元件91用於優化性能。但是光學元件91是可選的，並且本發明的這個示例性實施例也可以沒有光學元件91而實現。

因此，當標準具30允許精確選擇波長時，該至少兩個通常濾波器元件21、22實現了帶通濾波器元件，該帶通濾波器元件具有在第一截止波長W1和第二截止波長W2之間的通帶並且通過標準具30實現選擇周期峰值的一個或多個。

圖2示意性地示出了圖1的示例性實施例的截止濾波器元件和周期濾波器元件的依賴波長lambda的透光率T。如圖2中示例性地示出的，該峰具有周期濾波器元件的選擇模式的峰寬DL，約是第一截止波長W1和第二截止波長W2之間的通帶的寬度DＣ＝W1-W2的一半。在反饋中被截止濾波器元件抑制的模式以虛線示出。

這提供了一種非常精確的波長鎖定。此外，第二雷射源元件的光能夠疊加並且因而容易進行光譜組合。

疊加能夠例如通過向第二長通濾波器元件22發射第二雷射源元件12的另外的光來完成，從而第二長通濾波器元件22將該另外的光的另外的反射部分反射到標準具30上。這在示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第二示例性實施例的圖3中示例性地示出了。

然後，第一雷射二極體11的到達標準具的光與第二雷射二極體12的達到標準具的另外的光不具有共同的波長。並且，在通過輸出耦合器40反射回和穿過標準具30通過的光中，第二長通濾波器元件22將波長短於第二截止波長W2的光反射回至雷射二極體中。在該反射回和通過的光中，第一長通濾波器元件21將波長等於或大於第二截止波長W2但是小於第一截止波長W1的光反射回雷射二極體，因此可通過標準具30來完成選擇周期峰值中的一個或多個。

為了選擇標準具的單共振模式用於反饋至第二雷射源中，另外的截止濾波器元件60可以被放置在第二雷射源元件20和第二長通濾波器元件22之間，如示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第三示例性實施例的圖4中所示。或者，另外的截止濾波器元件60可以被放置在第二長通濾波器元件22和標準具30之間，如示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第四示例性實施例的圖5中所示。每一個所示的另外的截止濾波器元件60是具有比第一截止波長W1和第二截止波長W2更短的最短截止波長的長通濾波器元件。

在所示的第二、第三和第四示例性實施例中，有位於外腔中的用於雷射二極體11、12中的每一個二極體的光學元件91、92用於優化性能。但是光學元件91、92是可選的並且本發明的這些示例性實施例中的每個實施例也可以只有光學元件91、92中的一個或都沒有來實現。

在圖6中，縮放在根據本發明的雷射束髮生裝置的第五示例性實施例中示例性地示出。也就是說，對於將進一步光譜地組合的每個雷射源元件，有截止濾波器元件反射各輻照光中的一部分到用於光譜組合的輸出耦合器、標準具和截止濾波器元件被放置的共同路徑上。在圖6中，第三雷射源元件13的光通過具有比第二截止波長W2小的第三截止波長W3的第三長通濾波器元件23與第一雷射源元件和第二雷射源元件11、12的光進行光譜組合。

在圖6中，另外的截止濾波器元件60也被放置在該共同路徑上。在這個實施例中，第三截止波長必須大於該最小的截止波長。

在所示的第五示例性實施例中，有位於外腔中的用於雷射二極體11、12、13中的每一個二極體的光學元件91、92、93用於優化性能。但是光學元件91、92、93是可選的並且本發明的這個示例性實施例也可以只有光學元件91、92、93中的一個或兩個或都沒有來實現。

圖7示意性地示出了圖6的示例性實施例的截止濾波器元件和周期濾波器元件的依賴波長lambda的透光率T。如圖7中示例性地示出的，在鄰近的截止濾波器元件中的每對截止波長之間有周期濾波器元件的峰。

圖8示出了根據本發明的雷射束髮生裝置的第六示例性實施例。在圖8中，四個不同的雷射源元件11、12、13、14輻射的光通過截止濾波器元件21、22、23、24進行光譜組合。沒有另外的截止濾波器元件被呈現在這個示例中，但是其可以增加在第四截止濾波器元件24和第四雷射源元件24之間或在第四截止濾波器元件24和標準具30之間。

在描述的第六示例性實施例中，有位於外腔中的在標準具30和輸出耦合器40之間的光學元件94用於優化性能。但是光學元件94是可選的。它還可以布置在標準具30和第四截止濾波器元件24之間。

因此，本發明提供了一種使用n個截止濾波器和單個周期濾波器用於n個雷射源的光譜組合和頻率鎖定的裝置。有利地，另外的截止濾波器能夠被使用。

所描述和示出的示例性實施例利用了長通濾波器元件。在模擬模式中，可以使用短通濾波器元件。此外，對於根據本發明所包括或使用的每個截止濾波器元件，可以單獨決定其是否可以通過長通濾波器元件或通過短通濾波器元件來實現。

周期性濾波器元件可以與截止濾波器元件一起被放置在共同的外部共振腔中，從而使振蕩波長多路復用的自動選擇和同時選擇成為可能，二極體雷射器或二極體雷射器組中的每個在單個波長信道上振蕩。