[发明专利]一种实现可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数保持不变的谐振腔几何设计方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器设计领域，尤其涉及一种实现可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数保持不变的谐振腔几何设计方法

背景技术

使用光栅作为波长调谐原件的可调谐激光激光器的基本方程为：

λ＝(d/m)(sinθ₀+sinφ)(1)

这里d为光栅常数，m为衍射级次，λ为激光中心波长，θ₀为入射角，L(φ)为谐振腔的总光程，L_F为固定端镜与光栅间的光程，L_T(φ)为光栅与调谐镜间的光程。N为纵模模序数，φ为衍射角。方程(1)为光栅衍射方程。方程(2)表示的是形成谐振条件时，纵模模序数以及腔长与激光波长之间的关系。由公式(2)可得，随着激光波长的变化，通常情况下纵模模序数都会随波长而发生变化。

由于激光模式并不是连续的，而是以c/2nL为频率间隔的(其中c为光速，n为谐振腔内部的折射率，L为谐振腔内的腔长)，因此由于激光的中心纵模序数发生跃变，将导致跳模和波长的突变。这对于需要应用波长连续调谐的应用场合是不能被接受的。因此在该领域通常使用的是昂贵而复杂的激光模式闭环控制系统，利用压电陶瓷对激光腔长进行实时调节，以避免跳模等问题的产生。但是成本高，稳定性差，使用效果不佳。

因此，发明一种可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数保持不变的谐振腔几何设计方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种实现可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数保持不变的方法，其特征在于：

本方法采取特殊的谐振腔几何学结构，使可调谐激光器在波长扫描过程中激光谐振腔的长度随激光波长线性变化，使激光的纵模序数为常数，从而从根本上解决可调谐激光器在波长扫描的过程中激光波长突变，激光跳模等问题。

本发明基于掠入射型色散激光谐振腔，通过控制腔内各元件的几何学相对关系实现可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数保持不变。

满足纵模序数在波长扫描过程中不发生变化的可调谐激光谐振腔几何学结构示意图如附图图1所示。

其原理为：

使用光栅作为波长调谐原件的掠入射型可调谐激光器的基本方程为：

λ＝(d/m)(sinθ₀+sinφ)(3)

在公式(3)、(4)和附图图1中d为光栅常数，m为衍射级次，λ为激光中心波长，θ₀为入射角，L(φ)为谐振腔的总光程，L_F为固定端镜与光栅间的光程，L_T(φ)为光栅与调谐镜间的光程。N为纵模模序数，φ为衍射角。方程(4)表示的是形成谐振条件时，腔长为波长半波的整数倍，方程(3)为光栅衍射方程。如果选择调谐镜的旋转轴心位于光栅平面和调谐镜平面的交线处。设转轴到光栅距离为L_P，腔长就可以表示为：

L(φ)＝L_F+L_P sinφ带入(4)式得：

与(3)式联立可得：

和

L_F＝L_Psinθ₀

可见当腔内各元件的几何学位置相对关系满足上述几何条件：即调谐镜的旋转轴心位于光栅平面和调谐镜平面的交线处，端面镜平面亦通过调谐镜转轴时，激光纵模序数将不再是波长的函数，所以激光纵模序数将不再随波长发生变化。

需要特别说明的是：当谐振腔内存在激光介质和腔内插入元件以及存在空气时，为保证谐振腔光学长度满足以上讨论，端镜位置必须沿光轴向靠近光栅方向移动相应的距离，该距离等于腔内折射率大于1的介质所引起的光程的增加量。

本发明具有以下优点：

1、仅通过特殊的谐振腔几何学结构实现可调谐激光器在波长扫描过程中纵模序数不变。避免了使用昂贵、复杂的激光模式闭环控制系统。

2、从根本上避免了可调谐激光器在波长扫描的过程中激光波长突变，激光跳模等问题。

3、适用范围广，适用于单纵模可调谐激光器和多纵模可调谐激光器，适用于脉冲和连续可调谐激光器。

4、性能稳定，实现简单，成本低廉。

附图说明

图1是满足激光纵模序数在波长扫描过程中不发生变化的可调谐激光谐振腔几何学结构示意图；

图2是实例一SLM2009型染料激光器几何结构图；