[发明专利]宽通频带耦合的多频可调谐激光器

说明书

本发明是一种宽通频带耦合的多频运转可调谐激光器。一般多频可调谐激光器（如染料激光器），各调谐支腔之间的耦合，都必须采用各种光分束器作耦合元件。而本发明所采用的耦合方法，它不需专门的光分束器，而利用腔内的扩束元件-扩束棱镜-的反射与折射直接进行耦合。这种耦合方法适用于各种多频运转的可调谐激光器中。

现对本发明的原理结合附图加以说明：

图1为用各种光分束器作耦合元件的多频可调谐激光器的原理图，

图2为用扩束棱镜作耦合元件的多频可调谐激光器的原理图，

图3为有预扩束棱镜的扩束棱镜耦合的多频可调谐激光器的原理图。

图1中〔1〕为输出反射镜，〔2〕为激光工作物质（如染料盒等），〔3〕为光分束器，〔4〕和〔6〕为光扩束器，〔5〕和〔7〕为调谐元件-光栅（自准直状态工作）。光分束器〔3〕的透射光，形成由反射镜〔1〕与光栅〔5〕组成的一个可调谐支腔，可实行对波长λ₁的调谐;光分束器〔3〕的反射光，则形成由反射镜〔1〕与光栅〔7〕组成的另一可调谐支腔，并对波长λ₂调谐，从而获得双频可调谐激光输出（λ₁+λ₂），即构成一个双频运转的迈克尔逊激光腔，如经多次光分束，则构成多频的复合迈克尔逊腔，一般在腔内都有光扩束器，用于扩展光束宽度，提高光栅分辨率，以压窄激光的谱线带宽。

现有多频可调谐激光器中，都采用“反射-透射型”分束器进行耦合，主要是用各种半透半反的反射元件，如镀有薄金属层的反射镜或多层介质反射镜等等。这些反射镜的透过率和反射率，对不同波长的光有一定的选择性，在调谐过程中，其透过率与反射率之比值是变化的，而且到一定波长值即不透或不反，其耦合的通带不宽。

或用偏振分束器分成寻常光（0光）与非常光（e光），两束相互垂直偏振的光进行耦合，但这时输出的两种波长（频率）的光偏振面不一致，这对多数应用来说是不希望的。当要求更多的频率时，就更困难了，而且这种偏振元件的价格又十分昂贵。

用分束器对各调谐支腔进行耦合，一般来说，若有N个支腔（即N个调谐频率），则需要有（N-1）个分束器。

本发明提出了一种不用专门光分束器进行耦合的方法，如图2中所示：〔1〕为全反射镜，〔2〕为激光工作物质，〔4〕为扩束棱镜，〔5〕为光栅。光以大角α₁入射到棱镜〔4〕A面上，一部分经棱镜折射后，投射到光栅〔5〕上，由反射镜〔1〕和光栅〔5〕形成一“开腔式”的可调谐支腔（对应波长λ₁）。扩束棱镜在大角入射情况下，大部分的光在A面反射，投射到棱镜〔6〕的B面上，同理，其折射的光将形成一由反射镜〔1〕和光栅〔7〕组成的第二个调谐支腔（对应波长λ₂）。由扩束棱镜〔4〕入射面（A面）上的折射光和反射光分束来耦合两调谐支腔，而构成一个双频运转的迈克尔逊腔。这时棱镜〔6〕B面上的反射光，即为含有两可调谐波长（λ₁+λ₂）的激光输出。如果，B面上的反射光经棱镜〔8〕的C面折射后，将形成第三个调谐支腔（对应波长λ₂）而构成一个三频运转的复合迈克尔逊腔。这时棱镜〔8〕C面上的反射光，即为含有三种可调谐波长的激光输出。原则上，可以用第四个、第五个……直至第N个“扩束棱镜-光栅组合”的可调谐支腔，而构成的一个N频运转的复合迈克尔逊腔。

这里，棱镜〔4〕、〔6〕、〔8〕等，不仅是一个光扩束元件，同时也是一个“反射-折射型”的光分束元件。这样，不仅省去了专门的分束器，简化了结构，降低了费用（一个偏振分束器约1000元左右）;而且有很宽的耦合通频带（比各种膜层要宽许多倍），它决定于棱镜材料的光谱透过性能，用一般光学玻璃即可实现由近紫外、可见光到近红外很宽波长范围内的调谐。而各支腔的耦合率，可以通过改变棱镜的入射角或其它补偿的方法予以控制。