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CN106663917B - 激光束发生装置以及用于调节激光束的波长的方法 - Google Patents

激光束发生装置以及用于调节激光束的波长的方法 Download PDF

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CN106663917B CN201580030263.XA CN201580030263A CN106663917B CN 106663917 B CN106663917 B CN 106663917B CN 201580030263 A CN201580030263 A CN 201580030263A CN 106663917 B CN106663917 B CN 106663917B
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Abstract

本发明涉及一种激光束发生装置和一种用于调节激光束的波长的方法。本发明提出进一步改善激光束的生成和波长调节的目的。本发明特别地允许简化激光源元件的组合从而随着其光束重叠，它们以不同的但是受控的波长来运行。激光束发生装置（100）包括至少一个激光源元件（11）和外腔。该外腔包括输出耦合器（40）以及布置在激光源元件（11)和输出耦合器（40）之间的周期滤波器元件（30）。该激光束发生装置还包括各自布置在激光源元件（11）和周期滤波器元件（30）之间的至少两个截止滤波器元件（21，22）。

Description

激光束发生装置以及用于调节激光束的波长的方法
技术领域
本发明涉及一种激光束发生装置和一种用于调节激光束的波长的方法。
背景技术
激光束产生通常地涉及激光源元件和腔体。腔体用作形成驻波光的共振器。腔体可以由另外的元件形成，然后被称为外腔。用于这种外腔的激光源元件可以是激光二极管。
外腔有利于允许在腔体内布置波长选择元件，从而实现波长相关反馈。激光源元件可以被锁定到特定频率。波长选择元件的示例包括光栅例如体布拉格光栅(volumeBragg grating，VBG)、法布里-珀罗干涉仪(标准具(Etalon))及其组合。
在利特罗(Littrow)配置中，具有背刻面的二极管产生被准直的光束，然后与衍射光栅相互作用。光栅被配置为在0级衍射模式形成输出光束的同时反射1级衍射模式。背刻面与衍射光栅一起构成共振器。对光栅进行调节允许调节激光器的波长，但会导致输出光束平移。
在Littman配置中，1级模式不被光栅直接反射回来，而是反射到一反射镜上。然后反射镜将第一模式反射回二极管中。对反射镜进调节允许调节激光器的波长，同时避免了输出光束的平移。
丹纽·V等人在2000年3月15日光学快报上发表了″在外腔中的宽发光区二极管激光器阵列的光谱束组合″(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)。具有宽发光区的11元件线性二极管激光器阵列的输出光束已经使用包括光栅的常见外腔组合成单个光束，其同时地使每个阵列元件在不同的但受控的波长下运行，并且使来自所有元件的光束重叠且在相同方向上传播。这种组合也称为波长多路复用。
WO2013143862描述了一种可用于抽运的具有外部的体布拉格光栅的激光二极管，其中LD的耦合共振器具有Yb：YAG作为激光活性介质，以及用于抑制不受窄带VBG抑制的光谱分量的法布里-珀罗标准具。
US 6,876,679 B1描述了通过滤波器和布拉格光栅的非相干激光束的多路复用。EP 1 850 431 A1教导了相对于入射光改变标准具的倾斜度，用于改变标准具峰值的波长。
发明内容
本发明提出进一步改善激光束的生成和波长调节的目的。本发明特别地允许简化激光源元件的组合从而随着其光束重叠且在相同的方向上传播，它们以不同的但是受控的波长来运行。因此，本发明允许单独地使波长稳定以及在单个实施例中用于多路复用和稳定化。
这通过如权利要求1所述的激光束发生装置来实现。有利的实施例在从属权利要求中进行了说明。
激光束发生装置包括至少一个激光源元件和外腔。该外腔包括输出耦合器和周期滤波器元件，该周期滤波器元件被布置在从激光源元件到输出耦合器的光路上，在激光源和输出耦合器之间。该激光束发生装置的特征在于，该激光束发生装置还包括各自布置在激光源和标准具之间的光路上的至少两个截止滤波器元件。
通过截止滤波器元件的使用，以简单的方式实现了带通滤波器元件，这额外地允许激光源元件的光谱组合。通过带通，周期滤波器元件的单共振模式被反馈给激光源元件。因此激光源元件被锁定到在该单共振模式的峰值频率时发射。
在实施例中，外腔可以使用位于外腔中的一组光学元件以及输出耦合器反射率和曲率的选择来进行优化。
该截止滤波器元件可以是具有不同截止波长的长通滤波器元件，该长通滤波器元件中的每个滤波器元件都允许波长长于各自截止波长的辐射通过，并且至少反射波长短于各自截止波长的辐射。例如，该至少两个长通滤波器元件可以是冷光镜。该冷光镜可以包括电介质涂层。
或者，该截止滤波器元件是短通滤波器元件，该短通滤波器元件中的每个滤波器元件都允许波长短于各自的截止波长的辐射通过，并且至少反射波长长于各自的截止波长的辐射。或者，该截止滤波器元件中的一个滤波器元件是长通滤波器元件并且一个是短通滤波器元件。
激光源元件和该至少两个截止滤波器元件可以被布置在光路上从而激光源元件的光被辐照在该至少两个截止滤波器元件中的第一截止滤波器元件上并且该辐照的光的反射部分通过第一截止滤波器元件被反射至该至少两个截止滤波器元件中的第二截止滤波器元件上，该光透射通过第二截止滤波器元件。
另外的激光源元件可以被包括在该激光束发生装置中，该另外的激光源元件被布置在光路上从而该另外的激光源元件的另外的光被辐照在第二截止滤波器元件上并且通过第二截止滤波器元件反射以使它被保持在外腔中。
然后，另外的截止滤波器元件可以被包括在该激光束发生装置中，该另外的截止滤波器元件被布置在第二截止滤波器元件和该另外的激光源元件之间的另外的光路上或者在第二截止滤波器元件和周期滤波器元件之间的光路上。
激光源元件和/或该另外的激光源元件可以是激光二极管，其发射的光在第一方向上比在垂直于该第一方向的第二方向上发散得更快，该激光二极管和双色镜被布置为使该激光二极管的光在第一方向上被叠加。
然后，准直装置可以被包括在该激光束发生装置中，该准直装置使激光二极管发射的光准直，该准直装置在第一方向和第二方向上进行准直。该激光二极管可以是单发射器。单发射器可以以阵列进行布置。单发射器可以水平地或垂直地进行堆叠。
周期滤波器可以包括以空气间隔放置的两个平行的板，其中该板的侧面彼此面向。该板能够被涂布来对功率反射率作针对性调整。
还提出了根据权利要求13所述的一种使用根据本发明的激光束发生装置调节激光束的波长的方法。该方法包括通过绕轴旋转标准具对波长进行精细调节来改变入射角。
本发明的不同实施例能够彼此有利地进行结合。
附图说明
下面，本发明的示例性实施例将借助附图进行更加详细地描述，其中
图1示出了根据本发明的激光束发生装置的第一示例性实施例；
图2示意性地示出了图1的示例性实施例的截止滤波器元件和周期滤波器元件的依赖波长lambda的透光率T；
图3示出了根据本发明的激光束发生装置的第二示例性实施例；
图4示出了根据本发明的激光束发生装置的第三示例性实施例；
图5示出了根据本发明的激光束发生装置的第四示例性实施例；
图6示出了根据本发明的激光束发生装置的第五示例性实施例；
图7示意性地示出了图6的示例性实施例的截止滤波器元件和周期滤波器元件的依赖波长lambda的透光率T；以及
图8示出了根据本发明的激光束发生装置的第六示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的激光束发生装置的第一示例性实施例。
该第一实施例包括通过激光二极管11和至少两个截止滤波器元件示例性地实现的激光源元件，该至少两个截止滤波器元件通过长通滤波器元件21、22示例性地实现。长通滤波器元件21、22被布置为使激光二极管11发射的光的部分通过该至少两个长通滤波器元件21、22中的第一长通滤波器元件被反射。该被反射的部分包括比第一截止波长W1短的波长。该被反射的部分被反射至该至少两个长通滤波器元件21、22中的第二长通滤波器元件上。在被第二长通滤波器元件22反射的部分中，第二长通滤波器元件22使透射部分通过至以标准具30来示例性地实现的周期滤波器元件上。该通过的部分包括等于或者长于第二截止波长W2的波长，该第二截止波长W2比第一截止波长W1短。光穿过标准具30遇到输出耦合器40，输出耦合器40也被称为输出反射镜，在此光穿过标准具30被反射回到第二长通滤波器元件22上。该反射回的光然后穿过标准具和滤波器被过滤并且被反馈至激光源之中，以这种方式来选择发射的波长。
在描述的第一示例性实施例中，有位于外腔中的光学元件91用于优化性能。但是光学元件91是可选的，并且本发明的这个示例性实施例也可以没有光学元件91而实现。
因此，当标准具30允许精确选择波长时，该至少两个通常滤波器元件21、22实现了带通滤波器元件，该带通滤波器元件具有在第一截止波长W1和第二截止波长W2之间的通带并且通过标准具30实现选择周期峰值的一个或多个。
图2示意性地示出了图1的示例性实施例的截止滤波器元件和周期滤波器元件的依赖波长lambda的透光率T。如图2中示例性地示出的，该峰具有周期滤波器元件的选择模式的峰宽DL，约是第一截止波长W1和第二截止波长W2之间的通带的宽度DＣ＝W1-W2的一半。在反馈中被截止滤波器元件抑制的模式以虚线示出。
这提供了一种非常精确的波长锁定。此外，第二激光源元件的光能够叠加并且因而容易进行光谱组合。
叠加能够例如通过向第二长通滤波器元件22发射第二激光源元件12的另外的光来完成，从而第二长通滤波器元件22将该另外的光的另外的反射部分反射到标准具30上。这在示出了根据本发明的激光束发生装置的第二示例性实施例的图3中示例性地示出了。
然后，第一激光二极管11的到达标准具的光与第二激光二极管12的达到标准具的另外的光不具有共同的波长。并且，在通过输出耦合器40反射回和穿过标准具30通过的光中，第二长通滤波器元件22将波长短于第二截止波长W2的光反射回至激光二极管中。在该反射回和通过的光中，第一长通滤波器元件21将波长等于或大于第二截止波长W2但是小于第一截止波长W1的光反射回激光二极管，因此可通过标准具30来完成选择周期峰值中的一个或多个。
为了选择标准具的单共振模式用于反馈至第二激光源中，另外的截止滤波器元件60可以被放置在第二激光源元件20和第二长通滤波器元件22之间，如示出了根据本发明的激光束发生装置的第三示例性实施例的图4中所示。或者，另外的截止滤波器元件60可以被放置在第二长通滤波器元件22和标准具30之间，如示出了根据本发明的激光束发生装置的第四示例性实施例的图5中所示。每一个所示的另外的截止滤波器元件60是具有比第一截止波长W1和第二截止波长W2更短的最短截止波长的长通滤波器元件。
在所示的第二、第三和第四示例性实施例中，有位于外腔中的用于激光二极管11、12中的每一个二极管的光学元件91、92用于优化性能。但是光学元件91、92是可选的并且本发明的这些示例性实施例中的每个实施例也可以只有光学元件91、92中的一个或都没有来实现。
在图6中，缩放在根据本发明的激光束发生装置的第五示例性实施例中示例性地示出。也就是说，对于将进一步光谱地组合的每个激光源元件，有截止滤波器元件反射各辐照光中的一部分到用于光谱组合的输出耦合器、标准具和截止滤波器元件被放置的共同路径上。在图6中，第三激光源元件13的光通过具有比第二截止波长W2小的第三截止波长W3的第三长通滤波器元件23与第一激光源元件和第二激光源元件11、12的光进行光谱组合。
在图6中，另外的截止滤波器元件60也被放置在该共同路径上。在这个实施例中，第三截止波长必须大于该最小的截止波长。
在所示的第五示例性实施例中，有位于外腔中的用于激光二极管11、12、13中的每一个二极管的光学元件91、92、93用于优化性能。但是光学元件91、92、93是可选的并且本发明的这个示例性实施例也可以只有光学元件91、92、93中的一个或两个或都没有来实现。
图7示意性地示出了图6的示例性实施例的截止滤波器元件和周期滤波器元件的依赖波长lambda的透光率T。如图7中示例性地示出的，在邻近的截止滤波器元件中的每对截止波长之间有周期滤波器元件的峰。
图8示出了根据本发明的激光束发生装置的第六示例性实施例。在图8中，四个不同的激光源元件11、12、13、14辐射的光通过截止滤波器元件21、22、23、24进行光谱组合。没有另外的截止滤波器元件被呈现在这个示例中，但是其可以增加在第四截止滤波器元件24和第四激光源元件14之间或在第四截止滤波器元件24和标准具30之间。
在描述的第六示例性实施例中，有位于外腔中的在标准具30和输出耦合器40之间的光学元件94用于优化性能。但是光学元件94是可选的。它还可以布置在标准具30和第四截止滤波器元件24之间。
因此，本发明提供了一种使用n个截止滤波器和单个周期滤波器用于n个激光源的光谱组合和频率锁定的装置。有利地，另外的截止滤波器能够被使用。
所描述和示出的示例性实施例利用了长通滤波器元件。在模拟模式中，可以使用短通滤波器元件。此外，对于根据本发明所包括或使用的每个截止滤波器元件，可以单独决定其是否可以通过长通滤波器元件或通过短通滤波器元件来实现。
周期性滤波器元件可以与截止滤波器元件一起被放置在共同的外部共振腔中，从而使振荡波长多路复用的自动选择和同时选择成为可能，二极管激光器或二极管激光器组中的每个在单个波长信道上振荡。

Claims (12)

1.一种激光束发生装置(100)，所述激光束发生装置(100)包括至少一个激光源元件(11,12)和外腔，所述外腔包括输出耦合器(40)和周期滤波器元件(30)，其中，所述激光束发生装置(100)还包括各自布置在所述激光源元件(11,12)和所述周期滤波器元件(30)之间的光路上的至少两个截止滤波器元件(21,22)，其特征在于：所述周期滤波器元件(30)被布置在所述激光源元件(11,12)和所述输出耦合器(40)之间，在从所述激光源元件(11,12)到所述输出耦合器(40)的光路上，其中，所述至少两个截止滤波器元件(21,22)中的第一截止滤波器元件(21)包括第一截止波长，第二截止滤波器元件(22)包括第二截止波长，并且其中至少两个截止滤波器元件实现了带通滤波器元件，所述带通滤波器元件具有在第一截止波长与第二截止波长之间的通带并且通过标准具(30)实现选择周期峰值的一个或多个。
2.如权利要求1所述的激光束发生装置，其中所述截止滤波器元件是具有不同截止波长的长通滤波器元件，每个所述长通滤波器元件都允许波长长于各自的截止波长的辐射通过，并且至少反射出波长短于所述各自的截止波长的辐射。
3.如权利要求2所述的激光束发生装置，所述至少两个截止滤波器元件是冷光镜。
4.如权利要求3所述的激光束发生装置，所述冷光镜包括电介质涂层。
5.如任一前述权利要求所述的激光束发生装置，其中所述激光源元件和所述至少两个截止滤波器元件被布置在所述光路上从而所述激光源元件的光被辐照在所述至少两个截止滤波器元件中的第一截止滤波器元件上并且被所述第一截止滤波器元件反射至所述至少两个截止滤波器元件中的第二截止滤波器元件上，所述光透射通过所述第二截止滤波器元件。
6.如权利要求5所述的激光束发生装置，还包括被布置在所述光路上的另外的激光源元件从而所述另外的激光源元件的另外的光被辐照在所述第二截止滤波器元件上并且被所述第二截止滤波器元件反射以使它被保持在所述外腔中。
7.如权利要求6所述的激光束发生装置，还包括被布置在所述第二截止滤波器元件和所述另外的激光源元件之间的另外的光路上或者所述第二截止滤波器元件和所述周期滤波器元件之间的光路上的另外的截止滤波器元件。
8.如权利要求6所述的激光束发生装置，所述激光源元件和所述另外的一激光源元件是激光二极管，其发射的光在第一方向上比在垂直于所述第一方向的第二方向上发射得更快，所述激光二极管和截止滤波器元件被布置为使所述激光二极管的光在所述第一方向上被叠加。
9.如权利要求8所述的激光束发生装置，还包括用于准直所述激光二极管发射的所述光的准直装置，所述准直装置在所述第一方向和所述第二方向上进行准直。
10.如权利要求8所述的激光束发生装置，所述激光二极管是单发射器。
11.如权利要求1所述的激光束发生装置，所述周期滤波器元件包括以空气隔开放置的两个平行的板，其中所述板的彼此面向的侧面的反射率是50％。
12.一种使用权利要求1所述的激光束发生装置用于调节激光束的波长的方法，其中所述周期滤波器元件包括标准具，所述方法包括通过绕轴旋转所述标准具来调节所述波长。
CN201580030263.XA 2014-04-16 2015-04-27 激光束发生装置以及用于调节激光束的波长的方法 Active CN106663917B (zh)

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