具有快速波長掃描的緊湊多模激光器的制作方法

專利名稱：具有快速波長掃描的緊湊多模激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及可調諧多模激光器，具體而言涉及具有跳模波長掃描的 緊湊激光器。
背景技術：
目前外腔激光器(ECL)廣泛用于需要連續可調激光源的一些應用 中。雖然有許多覆蓋市場上大范圍設計的ECL商業制造商，仍然有4艮多 應用將受益于調諧速度的顯著提高，目前的設計還不能提供這種調諧速 度的提高，即使這種提高使以犧牲系統的其他工作參數(例如動態相干 長度和功率穩定性)為代價的也是如此。
更具體而言，調諧速度大于1000000nm/s，調諧范圍至少為中心波 長的5%,且相干長度至少為幾個毫米的快速ECL目前仍不能商用。缺 少波長調諧速度是現有ECL的主要缺點，因為有j艮多應用會受益于調諧 速度的顯著提高。當前的ECL，例如可以具有足夠大的調諧范圍以及真 正的單模行為，因此具有顯著超過幾個毫米的相干長度(常常為很多 米)，但是它們的調諧速度限于不大于大約1000nm/s。
注意，有提供快速、高精確度波長切換的可調諧激光器。例如，瑞 典Kista的Syntune提供一種這樣的可切換激光器，其能夠實現小于50ns 的點到點波長切換時間。不過，這種系統不提供對它們的輸出波長的連 續掃略。相反，它們分立地從一個波長移動到另一個，在從一個穩定波 長移動到另一個所需的時間間隔中不用產生明確的波長。此外，Syntune 激光器需要重要的制造基礎設施，不容易在新波長處實施。另一種具有 一些所希望的特性的產品是Micron Optics提供的。在Optics Express,
2003年9月8日第11巻第18期2183頁到2189頁的科學論文中提到了 Micron Optics系統。Micron Optics光源提供2mW的光強度，3.5ms的 掃描時間，1308nm的中心波長，87nm的FWHM (半最大值全寬)掃描 帶寬。假設總的掃描范圍(定義為99%的功率點)大約為87nm的FWHM 掃描帶寬的兩倍，Micron Optics系統獲4尋了大約50000nm/s的掃描速 度。不過，Micron Optics系統利用了腔下光纖元件，易于受到不希望的 偏振變化影響，并且受到調諧速度比高速應用所需的低得多的影響。此 外，Micron Optics系統是一種基于光纖的激光器，因此難以^f吏腔充分短 以實現非常高的調諧速率。可調諧激光器的長度決定著光子或光子群的 渡越時間。如果特定波長的一群光子在渡越激光器時花費了太長時間， 當它們返回到濾波器元件時，濾波器元件可能被調諧到了另 一個波長， 因此會提供不希望的激光作用的衰減。R.Huber等人在2005年5月2曰 Optics Express第13巻第9期第3513頁到3528頁的文章中才是供了對這 種局限的更完整描述。
ECL的典型設計方案是提供可繞樞軸旋轉的鏡片或光柵，可以旋轉 鏡片或光柵以在激光器的整個調諧范圍上使激光器保持在相同的縱 模。這樣選擇樞軸，使得如下所示的方程1和方程2同時得到滿足
<formula>formula see original document page 5</formula>在方程1和2中，^為激光器的平均瞬時輸出波長，N為激光器的 縱模數，d為與波長以相同單位測得的光柵常數，a為光場在光柵上的 入射角，P為光場離開光柵時的衍射角，L為激光腔的光程長度。如果 在N固定的時候調諧波長期間，方程1和2的兩個條件同時滿足，所得 的激光器將可以連續調諧而不會有任何縱^t跳越。盡管有一些機械方案 可以滿足上述兩個方程的要求，由于它們大小的原因，那些可商業購買 或在科學文獻中找到的機械方案受限于調諧速度遠低于希望的調諧速 度。在N固定的情況下根據以上方程2旋轉鏡片或光柵所需的機械通常 是復雜的機構，慣性質量大，使得它們不能以快速調諧所需的高速被致 動。
就我們所知，市場上可買到的最快的連續掃描單縱模可調諧激光器 是New Focus提供的，廣告說可提供1000nm/s的掃描速度。為了達到 所希望的lOOOOOOnm/s的掃描速度，運動光學元件(通常為鏡片或光柵)
最好繞其質心旋轉且最好越小越好。使用諧振掃描器提供了實現這兩個
目的的方便方式；不過這種方法通常具有以運動光學元件為中心的旋轉 軸，且當N保持不變時通常不能滿足方程2。換言之，不能連續滿足縱 模條件N iN=2L，當調諧范圍達到要達到希望的范圍時，激光輻射會從 一個縱才莫跳到另一個。
模式跳變可以是一個或幾個模式距離寬，模式距離為
<formula>formula see original document page 6</formula>
出現了這些模式跳變，激光器將不再是連續可調諧激光器，激光器 的動態相干長度將變成不穩定的且劣化到系統靜態相干長度之下。為了 減小模式跳變的大小，可以增加腔長，不過這也將使激光器更易于表現 出多模行為，從而也導致了短相干長度。
在美國專利No.5,956,355 (即專利'355)中，4皮露了一種激光器設計， 其中，調節寬范圍可調諧單模激光器的腔長以補償波長的變化。專利'355 披露，可以通過適當選擇激光腔組件和幾何尺寸使激光器提供幾乎連續 的頻率調諧，同時還提供高的掃描速率。專利'355中提出的方法使用如 此取向的可操縱的鏡片和衍射光柵(提供波長選擇性)，使得可操縱鏡 片以如下方式跨光柵掃描光場，從而使腔長變化以抵銷波長的變化，目 的是在N保持不變的前提下，保持以上方程2中的近似平衡。在專利'3 55 中還提出，可以添加額外的元件， -使得可以解決方程2中殘余的誤差或 不平衡，從而可以在寬調諧范圍上保持方程2的精確平衡。雖然看起來 這種方法是可行的，但據我們所知，所提的這種設計還沒有成功的實 現。
可以使用幾種方法之一測量波長掃描激光器的瞬時相干長度，通常 這些方法涉及到各種不同的干涉儀。 一種這樣的方法是使用基于光纖的 Michelson干涉儀。相干長度Lc由下式給出<formula>formula see original document page 6</formula>
其中HWHM為將干涉圖/人最大值的100。/。改變成最大j直的50%所 需的干涉儀中的鏡片之一的位移。注意，因子2表示在Michelson干涉 儀的運動臂中的兩次通過(正向和反向)。
在很多應用中都需要同時實現高的近似連續的調諧速度和至少幾 個毫米的動態相干長度。在掃描光源光學相干層一斤成^象(Swept Source Optical Coherence Tomography, SS畫OCT)中是這樣，在一些光學遠程光
纖感測和光學元件測試應用中也是這樣。在SS-OCT中，光源的相干長 度設定了成像深度的極限，潛在的成像深度隨著相干長度線性地縮放。

發明內容
根據本發明，提供了一種近似連續波長掃描的多^^莫激光器，其具有 大的掃描速率，同時保持了足夠的相干長度，從而可用于掃描光源應用 中。在本發明的一些實施例中，緊湊激光源可以具有超過大約140nm的 波長掃描范圍，可變掃描頻率高達大約10nm/y s,相干長度在大約3mm 到大約30mm之間。
在如上所述的其他系統中，試圖在掃描激光器的波長的時候保持單 縱模或接近單縱模，與此相反，本發明的一些實施例提供了一種人為多 模的激光器設計。此外，根據本發明的一些實施例的調諧機構是這樣 的，使得在激光器調諧波長的時候，縱腔模集合顯著變化，有時可以是 許多萬個模式。
根據本發明的一些實施例的緊湊激光系統包括光學腔、光發生和光 學增益介質部分以及束整形光學系統；光傳播介質；以及快速機械波長 調諧部分，其位置適于從光發生部分和光傳播介質接收光，所述快速機 械波長調諧部分包括色散部分和光發生部分，所述色散部分將選定波長 的光反射回光傳播介質，其中可以掃描所述激光系統的波長。在一些實 施例中，所述光學腔的第一末端反射器由光發生和光學增益介質的一端 制成。在一些實施例中,所述光學腔的第二末端反射器嵌入到所述快速機 械波長調諧部分中。在一些實施例中,所述光學腔的第二末端反射器為分 離光學元件。在一些實施例中，快速機械波長調諧部分包括色散部分， 光譜濾光部分和反射器部分。在一些實施例中，所述反射器部分為所述 色散部分。在一些實施例中，所述反射器部分充當所述激光系統腔的第 二末端反射器。在一些實施例中，所述反射器部分與所述光譜濾光部分 組合到一起。在一些實施例中，腔的總光程長度短到25mm。在一些實 施例中，腔的總光程長度可以/人25mm變化到許多米。
以下參考附圖更全面地討論這些和其他實施例。


圖1示出了根據本發明的激光系統的實施例。
圖2示出了根據本發明的激光系統的另一實施例。 圖3示出了根據本發明的激光系統的另一實施例。 圖4示出了根據本發明的激光系統的另一實施例。 圖5示出了根據本發明的激光系統的另一實施例。 圖6示出了根據本發明的激光系統的一些實施例的相干長度與掃描 速度的關系。
圖7示出了根據本發明的激光系統的另一實施例。 圖8示出了根據本發明的光源的略圖。 圖9示出了諸如圖8所示的光源的腔的濾波器功能。 圖10示出了作為驅動電流的函數的、諸如圖8所示的光源實施例 的輸出功率。
圖11為諸如圖8所示的光源實施例的增益元件的ASE光譜的OSA
描記線，其中內腔被阻塞以防止激射。
圖12示出了諸如圖8所示的光源實施例的ASE光譜。
同 一種類型的元件和其他細節在不同的圖中具有一致的標號。數字
中的第一位數字表示圖的序號，剩余的數字表示元件或細節的具體類型。
具體實施例方式
根據本發明的一些實施例，提供了一種可調諧激光系統，該系統提 供了由單模光纖輸出的超過5 mW的平均光功率，超過大約2mm的動 態相干長度，當工作于例如大約850 nm的中心波長時大約為中心波長5 %的調諧范圍(以99%的功率點測量)，當工作于例如大約1330 nm時大 約為中心波長10%的調諧范圍，以及從0到2000000 nm/s連續可變的 調諧速度。在一些實施例中，還可以獲得直到大約10000000 nm/s的額 外的調諧速度的不連續增大，調諧速度的上限受到適當的高速掃描器或 高速可調諧光纖的可用性限制。在一些實施例中，從激光器發射的激光 的偏振態是線偏振的且高度穩定。 一旦被耦合到單模光纖中，可以通過 人工偏振控制器容易地控制偏振態。作為波長函數的強度曲線可能具有 非常粗糙的高斯型，可以通過電控制施加到例如基于半導體的增益元件 的驅動電流進一步整形以更好地符合高斯輪廓。將會受益于由快速掃描 的可調諧激光器，諸如本發明的一些實施例所提供的可調諧激光器提供
的改善的性能的應用的例子包括計量學、光譜學、醫學成像和任何其 他需要相干長度在大約2mm到大約50mm的范圍內的快速調諧激光器 光源的光學技術。
圖1示出了根據本發明的一些實施例的光源100。如圖1所示，根 據本發明的光源包括光發生部分101、傳輸部分102和調諧元件部分 103。在本發明的一些實施例中，光發生部分101可以包括增益元件， 該增益元件具有腔內側和具有抗反射(AR)涂層的外表面或小面，腔內 側具有彎曲波導，外表面或小面抑制自激射并允許元件用作外腔激光器 的有效增益介質。增益元件的另一個小面可以包括部分反射表面，例如 具有大約20%的反射率，用作激光器的輸出耦合器。在本發明的一些實 施例中，增益元件的兩側可以都涂布AR,激光月空定義4竟面的一側可以 相對于增益元件適當定位。在一些實施例中，輸出耦合器的反射率可以 在大約10%到50%的范圍內。
在一些實施例中，光發生部分101可以是用于延長腔激光系統的常 規類型。這樣的系統典型地包括第一光學腔末端反射器，其常常，但未 必總是寬帶增益元件的外表面之一。增益元件的另一個表面發射發散光 場，用短焦距透鏡對其準直。這里可以將光發生部分101稱為光發生部 分或簡單稱為"第一部分，，且其可以含有任意數量的增益元件，以在各 種波長實現激射。例如，有源激光增益介質可以由半導體制成，例如鎵 砷(GaAs )、銦鎵砷(InGaAs )、鎵氮(GaN )、銦磷/錮鎵砷磷(InP/InGaAsP ) 和銦磷/銦鎵砷/錮鎵砷磷(InP/InGaAs/InGaAsP );可以由特定的玻璃(例 如硅酸鹽或磷酸鹽玻璃)制成，包括塊狀玻璃和光纖，典型地摻有一些 稀土離子(例如釹、鐿或鉺離子)或過渡金屬離子(例如鈦或鉻離子)； 可以由也摻有一些激光活性離子的特定光學晶體制成；可以由氣體制 成，例如氦和氖的混合物，氮、氬、 一氧化碳、二氧化碳或金屬蒸汽； 或者可以由特定染料的液體溶液制成。
光發生部分IOI的束整形光學系統可以從通用于整形或準直激光二 極管輸出的寬范圍光學元件中選擇。準直透鏡可以是例如GRIN透鏡或 非球面鏡頭，使用時選擇其光學焦距，以在選擇光柵提供波長色散時提 供對光柵的完全照明。如果第一光學腔末端反射器不是貼附于增益元件 的，而是分離的光學元件，那么可以使用附加的準直透鏡來準直從增益 元件的第 一表面發射的光。束整形光學系統可以是例如變形棱鏡對或柱
面透鏡。
布置根據本發明的光源實施例以形成與常規單模運轉相對的多模 激光器。多模激光器是具有多個縱模(即，多個不連續的波長總體構成 了激光器的譜線形狀)的激光器。通常，改變腔的長度、腔的濾波函數、 增益、損耗、對準或激光腔末端鏡面的反射屬性會改變可以在腔內激射 的模式數量(這些條件后面的三個通過改變激射閾值改變模式數量)。 如在本發明中所用的，術語"增益介質"可以是任何提供光學增益的元 件，包括半導體元件、基于摻稀土光纖的放大器、有機染料或其他材料。 術語"掃描的波長"、"調諧的波長"、"調諧的頻率"、"掃描的頻 率"和"靈活波長"通常被理解為可互換。當提到時，"腔濾波函數，， 為組裝之后整個激光腔的有效濾波函數，在光源工作在激射閾值之下 時，通過測量系統發射的光的光譜屬性測量腔濾波函數。這里可互換地 使用術語"光源"和"激光系統"或"激光器"。
總體上，根據本發明的光源包括由兩個腔末端鏡面構建的激光器、
增益元件和可調諧波長選擇裝置。將這些組件放到一起組成一構造，其 中，預定腔長(其設定了模式間隔)和腔的濾波函數，使得激光器提供 所需的輸出特性。主要組件也形成了多模激光器；以下舉例說明正確指
定每個元件以獲得光源的獨特特性的任務，該光源具有大于大約2mm 的相干長度，同時在大約為激光器中心波長的5%的波長范圍上提供高 達大約10000000nm/s的掃描速度。
如圖l所示，在本發明的一些實施例中，光發生部分101后面可以 是傳輸部分102,它可以是自由空間部分。或者，傳輸部分102可以包 含特定的傳播介質，例如光纖。使用光纖的一個優點在于允許進一步壓 縮根據本發明的光源尺寸以及在例如光源100的光源的腔內提供額外的 波長選擇性。在一些實施例中，可以將傳輸部分102的長度調節僅僅幾 個毫米到許多米，以調節激光源100的才莫式間隔以及光子在光源100的 腔內所花的平均時間。
光傳播部分(或第二部分)102可以是自由空間或介質，例如單才莫 或單模保偏光纖。第二部分102可以形成光源的光學腔內的光程的主要 部分。在一些實施例中，可以調節第二部分102的長度以優化根據本發 明的光源的激光系統的性能。隨著長度的變化，光學腔中縱模的距離以 及光源的相干屬性也在變化。對于光源的每個實施例，可以調節腔的長
度，直到在相干長度、調諧范圍和光功率方面激光器性能都得到優化。
已經用實驗方法測試了第二部分具有各種長度設置的激光腔的性能；結
果表明可以在非常寬范圍的距離上獲得令人滿意的性能。對于具有短腔
長，例如〈50mm的光源實施例而言，當外腔對準良好，將濾波后的光高 效耦合回第一部分101的增益元件中時，可以獲得良好的總性能。這種 高效耦合確保了來自增益元件腔內側的殘余反射不會導致作為波長的 函數的輸出功率的無用調幅。對準不好或者從增益元件的一個或多個內 腔小面有顯著的剩余反射可能會在輸出中導致與波長相關的調幅，其具 有由增益元件的自由光譜區給出的頻率。在更長的腔長，例如〉400mm, 光源的性能仍然能夠保持令人滿意。不過，隨著腔長明顯增大到超出該 水平，所得的光源的掃描速率可能變得受到限制。這種效應歸因于腔 需要足夠的時間來允許每個波長實現在腔內通過足夠多次數，以獲得足 夠大增益來維持可感知的輸出功率。因此，光源的調諧速度具有上限， 該上限與腔長、增益元件的增益特性和外腔光學系統中的損耗(包括回 到增益元件中時的耦合損耗)相關。
快速波長調諧部分103接收來自光發生部分101并通過了傳輸部分 102的光。該快速波長調諧部分103從光譜上對所選擇波長的光進行濾 波并將其向回反射到光發生部分101。除了波長選擇組件之外，調諧部 分103可以包括光譜光學濾波和反射器裝置。光譜光學和濾波裝置的反 射器部分可以充當激光系統腔的第二光學末端反射器。
調諧部分(或第三部分)103包括一個或多個調諧元件和從傳輸部 分102接收光的補充的一個或多個光譜濾波元件。第三部分103用于提 供對腔光的增強的光譜濾波同時也為激光器提供調諧系統。第三部分 103還提供形成光源的激光諧振腔所需的高效率回向反射。第三部分103 提供返回到系統第一部分的內腔光場的選定波長用于放大。
以下討論根據本發明的光源的一些具體實施例，討論了光發生部分 101、傳輸部分102和調諧部分103這些獨立部件。已經用實馬全方法研 究了 一些實施例的性能，證實獲得了預計的掃描速率以及在高頻重復率 下的調諧，即，達到大約16kHz的獨立于掃描方向的覆蓋相干波長范圍 的每秒掃描次數，相干長度為llmm或更大。此外，在更慢的調諧速度 下，相干長度增大。
根據本發明的光源的 一 些實施例形成了這樣的可調諧外腔激光系統，具有毫瓦范圍的輸出功率，幾毫米到幾十毫米的相干長度，上調諧
速度可以實現SS-OCT系統中圖像的視頻速率獲取。不過，本發明的各 實施例的用途不限于斷層X線照相術應用，根據本發明 一些實施例的激 光系統還有望用于需要光輻射相干光源的高速可調諧性的其它測量應 用。
本發明的一些實施例利用了中等長度的腔， 一次往返腔長大約為 0.1米到大約1米，還有補充的光譜過濾器，其窄化腔的濾波函數同時 也充當著高效率回向反射器。針對給定的光譜過濾器調節光源的腔長， 從而優化激光器的預期性能特性；這些特性可以是相干長度、光輸出功 率、光輸出強度噪聲以及光源的尺寸和重量。通常，光譜過濾器的通帶 越窄，相干長度就越長；不過，希望從激光器獲得高輸出功率提供了補 充光譜過濾器的通帶的下限。將附加的光譜過濾器稱為補充濾波器是因 為，窄大多數市場上可買到的ECL設計中，增益元件的孔徑與激光腔中 通常可找到的光柵一起工作以形成基本光譜過濾元件。本發明獲得了從 大約1000nm/s到大約10000000nm/s的調諧速度，對于特定的激光腔構 造而言，隨著調諧速度的增大，相干長度減小。當工作在大約 2000000nm/s時，才艮據本發明的光源范例獲得了大約12mm的相干長度。 測試利用的是中心波長為1.33ym,調諧范圍大約為130nm的系統。圖 6示出了濾波函數固定而掃描速度連續可變的系統的作為調諧速度的函 數的相干長度。
在SS-OCT成像系統中測試了本發明的一個實施例；在以下段落中 詳細介紹了該特定激光器的設計。在R.Huber等人在Optics Express, 2005 年12月26日第13巻第26期第10523頁到10538頁的文章("Huber 等人")中公布了 OCT成像研究的詳細結果，在此將其全文引入以做 參考。
圖8示出了根據本發明的光源800的略圖。測試了光源800的實施 例并在下文提供了一些測試結果。此外，在Huber等人的文章中包括用 于進行測量的^皮設計為光源800的系統。如圖8所示，光發生部分101 包括增益元件811和非球面透鏡812。增益元件811長度可以為大約 lmm，估算的折射率大約為3.5。在一些實施例中，增益元件811可以 由InP/InGaAsP半導體光放大器形成。增益元件811的左側小面充當用 于光源800的輸出耦合器；在一些實施例中增益元件811的左側小面(或
12輸出小面)的反射率估算為大約15%到大約20%的范圍內。如上所述， 在根據本發明的光源的 一 些實施例中，增益元件的左側小面可以涂布有 抗反射(AR)涂層并(可能通過其他光學系統)耦合到反射器。反射器 可以是輸出耦合器，但在 一 些實施例中可以形成所得激光腔的基本反射 性的端部。
在一些實施例中，增益元件811可以結合到熱電(TE)冷卻器，以 保持恒溫。在一些實施例中，增益元件811可以保持在大約22。C的溫度 下。
增益元件811的腔內側可以利用彎曲波導和涂有AR的小面。在一 些實施例中，獲得了估算為大約10-4的有效腔內小面反射率，這抑制了 自激射并允許元件811充當光源800的外腔的更有效增益介質。來自增 益元件811的光-皮耦合到非球面透鏡812中。在一些實施例中，非球面 透鏡812可以具有2mm的焦距并涂布有AR。在一些實施例中，非球面 透4竟812的兩個光學表面都可以是凸面的。
在光源800中，傳輸部分102為自由空間區域。在一些實施例中， 傳輸部分102的自由空間區域可以大約為370mm。可以利用傳;輸部分 102的自由空間區域調節光源800中形成的腔的總長度。
來自傳輸部分102的自由空間區域的光被耦合到光源800的調諧部 分103中。調諧部分103包括光4冊813、透4竟系統814、狹縫組件816 和4竟片815。在一些實施例中，書f射光4冊813可以具有大約1017線/mm 的線密度。衍射光柵813可以安裝在諧振掃描器817上，掃描器817提 供角4立移和特定的工作頻率。例如，可以/人Electro-Optical Products公 司獲得諧振掃描器817，該諧振掃描器以8kHz的頻率提供大約14度的 總角位移。
可以將來自光柵813的光耦合到透鏡系統814。在一些實施例中， 透4竟系統814可以是消色差雙合透鏡。在一些實施例中，可以最佳地布 置透鏡系統814以在多個波長工作。例如，在一些實施例中，在優化透 鏡系統814期間使用三個波長1.0jum、 1.3 ju m和1.5 |u m。在一些實 施例中，透4竟系統814可以具有45mm的焦另巨。
透鏡系統814將來自掃描器813的光聚焦到狹縫816上。在一些實 施例中，狹縫816可以是直接結合到寬帶介電鏡片815的反射表面上的 lOjum的狹縫。在一些實施例中，鏡片815可以在光源800的整個工作
范圍上具有大于大約98.5%的反射率并位于透鏡系統814的后焦平面 處。因而，鏡片815和狹縫816組合形成了光源800的激光諧振腔的后 反射器。
在一些實施例中，光源800可以耦合到準直透鏡系統(未示出)。 例如，準直透鏡系統可以是涂有AR的非球面透鏡，例如具有0.7mm的 焦距。在一些實施例中，來自準直透鏡系統的光可以耦合到隔離器，例 如-55dB光隔離器，防止回向反射再次進入光源800的激光腔。在一些 實施例中，來自隔離器的光可以通過非球面透鏡耦合到光纖中。例如， 可以使用涂有AR的4mm焦距的非球面透鏡將光耦合到涂有AR的單模 光纖。
可以通過用諧振掃描器817旋轉光柵813對光源800進行波長掃 描，如圖8所示。諧振掃描器817旋轉光柵813以掃描通過狹縫816的 各個波長，由此在調諧激光器時保持恒定的腔長。可以通過考慮如下情 形理解照明系統800的激光動力學在鏡片815和增益元件811的部分 反射表面之間形成的腔內激射單縱模。如果光柵813的旋轉軸垂直于由 光源800的光場界定的平面且光場以旋轉軸為中心，那么在旋轉光柵 813的時候，腔長將保持基本恒定。因此，對于光柵813很小的旋轉而 言，腔內沒有波長的變化。 一旦旋轉足以保證下一個縱模具有更低損耗 了，光源800中形成的激光將跳到該下一模式，激光器的中心頻率因此 移動一個或幾個由腔的自由光譜區給出的縱腔模。在一些實施例中，激 光腔的自由光譜區大約為330MHz。繼續轉動光柵813導致該模式自身 重復，由此，作為光柵角度的激光波長(即，光源800的輸出頻率)遵 循"樓梯"形的調諧曲線。實際上，光柵813的濾波函數的有限寬度可 以允許許多縱^t同時激射，對于光源800的一些實施例而言大約為80 個縱模。因此，激光器產生了頻率梳，以等于縱模間距的步長用逐級的 方式調諧。
如L.A.Kranendonk, RJ.Bartula和S.T.Sanders的文章"Modeless operation of a wavelength-agile laser by high-speed cavity length changes" (Opt. Express 13, 1498-1507， 2005年)所示，以高速改變腔長產生了 類似于頻率漂移反饋激光器操作的操作，在P丄Richter和T.W.Hansen 的文章 "Diode-Lasers in External Cavities with frequency-shifted feedback" ( Opt.Commun.85, 414-418, 1991年)中對此有所討論。定
義值R作為在一個光學往返期間腔模相對于其自由光譜區的相對頻率
變化。Kranendonk的參考文獻中的激光器利用腔長的迅速變化在值 R〉>0.05的無模式情況下調諧，人為引入腔長的迅速變化以實現該無才莫 式運轉。相反，光源800和根據本發明的一些其他光源以截然不同的腔 模進行調諧。
在圖8所示的光源800中，在調諧激光器的同時腔長基本沒有變 化。結果，值R基本為O。因此，這種布置為模式結構提供了最佳的建 立時間，已經證明這提供了更高的輸出功率穩定性。
利用非零值R研究了若干其他腔設計，并將性能結果與圖8所示的
光源800的實施例的結果進行比較。這些設計具有類似的布局，有著相 同的組件順序，不過腔長有所變化。通過從衍射光柵的旋轉軸偏移光軸 獲得非零值R。在每種實例中，發現瞬時相干長度比諸如圖8所示的光 源800的實施例短。
為了估算在調諧頻率的同時光源800的實施例的相干特性，在將輸 出耦合到邁克爾遜干涉儀的同時測量干涉條紋反差。作為干涉儀臂長差 的函數測量干涉條紋信號的幅值。觀察到在邁克爾遜干涉儀中大約3.5 到4mm的臂長差上有3dB降落。通過用光譜分析儀測量輸出的譜線線 寬，確定激光器未進行頻率掃描時靜態情形下的相干長度。測量到了 <0.02nm的受分辨率限制的靜態線寬，其對應于大于大約8cm的相干長 度。
采用注入電流設定為45mA的光源800的腔的濾波函數，該注入電 流遠低于由InP/InGaAsP半導體光放大器形成的增益元件811的閾值。 在一些實施例中，注意確保，在將驅動電流從譜線形狀剛開始出現的點 增大到從噪聲中顯露出來的時候，所得的譜線形狀的FWHM沒有顯著 變化。
如圖8所示，將10pm的狹縫用作狹縫816將腔的通帶的FWHM 限制到大約0.17nm。圖8是在使光柵位置固定在其中心位置的情況下得 到的。注意確保隨著電流從低于閾值增加到該測量的45mA,濾波函數 的FWHM沒有顯著改變。測得的激光器閾值電流大約為62.5mA,如圖 IO所示。圖10示出了光源800的實施例的作為驅動電流的函數的輸出 功率。圖IO是使用經校準的光功率計獲得的。在22。C的溫度下，閾值 出現在大約62.5mA的注入電流處。將光譜分析儀(OSA，型號Anritsu
MS9710A)設置到其最高分辨率0.07nm,并將lkHz的VBW (視頻帶 寬)用于該次測量。隨著電流增大到超過62.5mA,在掃描器仍然處于 關閉位置的情況下，光譜曲線的FWHM迅速變窄到超過OSA的測量分 辨率。不出所料，激光器的靜態線寬顯著小于動態線寬。
圖11為如上所述的光源800的實施例的增益元件的ASE光i普的 OSA描記線，阻塞內腔以防止激射。增益元件的注入電流被設置為 300mA,將控制增益元件溫度的TE冷卻器設置為22°C。將OSA的分辨 率設置為0.07nm，獲取5000個數據點。圖右側的結構被認為是由于水 蒸汽所致；以下討論了該圖中明顯的這些吸收特征和強度調制。
圖11中明顯的強吸收線被確認是水蒸汽的結果，最強的線介于 1340和1410nm之間。參見參考文獻，M.P.Arroyo 參見參考文獻， M.P.Arroyo, R.K.Hanson在App.Optics,第32巻第30期(1993 )第 6104-6116 頁的文章 "Absorption measurements of water-vapor concentration, temperature, and line-shape parameters using a tunable InGaAsP diode laser"。研究了腔內水汽吸收損耗對系統的OCT成像能 力的影響。用干氮對該系統吹掃一夜。在吹掃之前拍攝OCT圖像；比 較未發現任何可識別的效應。不過，預計用于寬規模使用的光源800的 實施例需要被氣密密封在惰性氣氛中，對于許多商業生產的外腔激光器 二極管系統來說就是這種情況。
發現圖11中明顯的快速強度調制與腔內小面的殘余反射率造成的 增益元件811的Fabry Perot才莫式相關。ASE光i普的這種調制導致掃頻激 光器的輸出光譜中出現振幅紋波。此外，這種噪聲導致OCT圖像中不 希望出現的畸變。發現腔內小面上的AR涂層的質量和外腔的總效率都 顯著影響著波紋的幅度。
為了確保光源800的這些實施例在寬調諧范圍上穩定運行，以及滿 足減少上述光譜波紋的需求，可以利用來自外腔的強反饋。強反饋可以 定義為條件REc^〉RsG,其中R犯為增益介質811的腔內小面的反射率， REc為在考慮所有光學元件，包括回到增益介質811的反饋的耦合損耗 的時候，延伸腔的有效反射率。參見參考文獻A.Olsson， C丄.Tang在IEEE J.of Quantum Electronics QE-17No8 ( 1981 ) pp 1320上的文章"Coherent Optical Interference Effects in External-Cavity Semiconductor Lasers"。 因 此，REC取決于光源800中的每個光學表面的反射率以及腔內光場的空
間模式結構和對準誤差。
如圖8所示的光源800部分保證了 REC在增益元件811的發射波 長范圍上相對獨立于波長且還保證了腔長的變化不會對光源800的性能 產生負面影響。光源800包括通常被稱為"貓眼"構造的透鏡814和鏡 片815的組合，其中鏡片815處于透鏡系統814的焦平面中。圖8所示 的光源800的光學裝置可以提供反饋對回向反射器角失準降低的敏感 性，同時也確保了在增益元件811的整個ASE光譜上具有良好的光學性 能。參見參考文獻JJ, Snyder在Applied Optics第14巻第8期(1975 ) 第1825頁的文章"Paraxial ray analysis of a cat's-eye retro-reflector"。 圖 12示出了光源800的實施例的ASE光"i普，是利用如上所述相同的Anritsu OSA產生的，該OSA啟用了峰值保持特征和20ms的取樣間隔。OSA 分辨率帶寬被設置成lnm,利用Anritsu型號MS9710A的OSA的20ms 峰值保持特征獲取500個數據點。所確定的半最大值全寬大約為 122nm,平均輸出功率為15mW。
利用OSA的峰值保持特征以從光源800獲取大量正向和反向掃描 并求平均，由于頻i普分^H義固有的^氐瞬態響應，該光源800工作在 16kHz。應當注意，由OSA獲取的光譜數據將會被調諧部分103的基于 諧振掃描器的調諧元件的正弦特征扭曲。增大掃描幅度使之超過激光器 的調諧范圍，將光源800的占空因數設置為低于85%,從而使這種效應 最小化，從而確保利用正弦掃描器機構的更為線性的部分。
在來自光源800的實施例的激光輸出^皮耦合到單模光纖之后測量的 平均光功率大約為15mW。對于諧振掃描器的每次完整周期，光源800 的實施例產生了其波長范圍的一個正向(從短波長到長波長)和一個反 向(從長波長到短波長)掃描。發現正向掃描稍微高于輸出功率大約 10%。不過，在單獨測試激光器的正向和反向掃描的成像特性時，它們 的質量有很少或沒有差別。估算峰值輸出功率大約為30mW,這大約是 在光源800為靜態時獲得的功率，在圖12中示出了在ASE曲線的近似 峰值處的激射。因此，450mm的腔長足夠短了，從而即使在16kHz的 重復率下掃描腔的時候，也允許每個波長有足夠長時間達到其飽和功 率。
如以上參考圖8所示，根據本發明的光源800包括位于具有快速調 諧部分103的多才莫激光腔中的增益元件811。可以用于這些元件的每個
組件都具有要被考慮的特定的折衷影響。對于每種特定的設計指標，在
考慮到這些折衷影響的同時認真選擇光部分101、傳播介質102和調諧 部分103中的組件。
增益元件811的選擇首先基于希望的中心波長、總調諧范圍和光輸 出功率。 一旦決定了滿足這些主要參數的材料，通常選擇具有最大調諧 范圍和最高輸出功率的元件作為第 一候選者。調諧范圍由所考慮的增益 元件的ASE光譜圖表示。光功率由增益元件811的光學損傷閾決定，光 學損傷閾通常受增益元件811的輸出小面限制。增益元件811的長度連 同其折射率將決定著增益元件811的自由光譜區(FSR) 。 FSR將是如 前所述的激光器的波紋的特征頻率，或者如果轉換為波長，是特征波 長。例如，如果光源將用作OCT光源，那么來自增益元件811的該波 紋(如果其足夠大)將會造成重影。該重影(主像的重復，僅僅在深度 上有偏移)將發生在與增益元件811的光程長度相關的深度處。在 R.Huber等人的文章中討論的范例增益元件中，形成了在大約3.55mm (lmm乘以材料的折射率3.55 )處的重影。盡管在諸如Huber的工作中 所用的范例的高散射介質中這可能不是重要的問題，其他應用可能會受 到存在這種重影的影響。將增益元件811的長度延長到例如其原始長度 的兩倍，或者例如延長到2mm,可能會潛在地將重影偏移到利用增益元 件811的成象裝置的原像的范圍之外。
一旦確定了增益元件材料和增益元件811的長度，然后就能夠選擇 增益元件811的小面的反射率。兩種基本的方法已經提供了合理的結 果。 一種是選擇左側小面(參考圖8,增益元件811)具有最高可能的 反射率的增益元件；理想情況下該反射率應當在90%或更高的范圍內。 那么將由部分反射器取代圖8中由元件815表示的鏡片構成激光腔，以 便部分反射器充當所得的激光器的輸出耦合器。這常常是第一預備性選 擇，因為它允許對系統進行功能測試，從而可以針對特定的激光器設計 確定最好的輸出耦合器反射率。該方法是有利的，因為通常更換元件815 要比改變增益元件811的小面的反射率更為容易。
第二種方法是在20%的范圍內選擇增益元件811的反射率和光源的 設計，使得輸出耦合器為增益元件811的左側小面。在兩種情況下，增 益元件811的另一小面都涂有AR,理想情況下還利用彎曲波導減少殘 余反射率。 一旦已經處理過(利用ECL生產領域公知的涂層技術進行涂布)增益元件811獲得了所需的反射率，利用OSA測試增益元件以確 定其ASE光譜以及光譜中存在的波紋程度。如果發現該波紋具有與腔的 標準模式匹配的波長段，并且如果波紋的幅度小于5%，那么如果波長 范圍也是令人滿意的就假定增益元件是適當的。如果是在5%到10%之 間，需要注意確保腔的其余部分具有相當低的損耗，且從延長的腔返回 到增益元件的反向耦合的強度大。實際的目標應用將為波紋設置上限。
在進行了增益元件811的選擇之后，然后可以考慮圖8中的準直光 學透鏡系統812。這里，主要的因素是在希望的波長處和希望的波長范 圍上的透鏡系統的光學性能。理想情況下，透鏡系統將提供接近衍射受 限的性能；不過，因為從大部分半導體增益元件發射的光場遠不是理想 的，因此可以在透鏡系統812中使用4艮寬范圍的光學元件。有^艮多已經 測試過并證明可提供令人滿意的結果的廉價的沖莫制玻璃非球面透鏡以 及GRIN透鏡。其他關心的問題是AR涂層的質量以及可能會限制光源 800的調諧范圍的任何色彩效應。選擇光學系統的焦距，使得準直束的 直徑能夠完全照射調諧部分103的衍射光柵，以提供波長調諧部分的最 大波長分辨率。衍射光柵的性能和后面將要描述的消色差雙合透鏡的性 能都受到光束直徑的影響。
傳播介質102可以是形成于增益元件811的反射表面和鏡片815之 間的腔的自由空間，可以將其用于調節相鄰縱腔模之間的空間；做這種 調節以實現每單位時間恰當數量的腔模在其調諧時通過腔的濾波函 數，并針對給定構造的波長調諧和選擇部分提供足夠數量的落在濾波函 數內的模式。在總相干長度大致由形成于腔中的濾波函數的寬度決定的 情況下，激光器的穩定性、在調諧范圍上相干長度的均勻性，強度噪聲， 以及波紋可能全部受到對腔全長的選擇的影響。典型地，可以實現短的 腔長，同時確保光源的設計目標。波長調諧和選擇部分的分辨率是縮短 腔長的能力中的重要因素。
接著，選擇衍射光柵813。如圖8中所用的光柵813的尺寸通常受 到高速諧振掃描器817能夠支撐的質量的限制。因為增益元件811的輸 出束通常是橢圓形的，可以選擇衍射光柵813使之具有一長寬比，該長 寬比最大限度地利用了光柵的可用質量預算，或者可以利用例如變形棱 鏡對改變光束形狀。R.Huber等人的文章不需要束整形光學系統的額外 復雜性，因為光束形狀和光柵上的大入射角提供了對可用光柵面積的良
好利用。選擇光柵時主要關心的事情為其在相關波長范圍上的效率。此 外，如果實際中入射光場具有一種偏振的話，應當認為入射光場的偏振 與衍射光柵的優選偏振對準。可以選擇線密度，使得可以在由消色差透 鏡和狹縫/鏡片組件界定的光軸上掃描衍射光場。此外，希望將激射行為
限制在掃描時間的大約80%到85%進一步限制了對線密度的選擇，理想 情況下將會使線密度盡可能高，以為腔提供盡可能最窄的濾波函數。通 過選擇狹縫寬度進一步定義該濾波函數。更寬的狹縫通常會獲得更大的 輸出功率，不過通常也會造成光源更短的相干長度。
在圖8中在光柵之后的下一個組件為消色差雙合透鏡814。消色差 雙合透鏡從衍射光柵813接收經準直但仍分散的光束并將沿著通過狹縫 的光軸傳播的特定波長聚焦到高反射器上，該高反射器形成了光源800 的腔的后端鏡片。由于消色差鏡的質量部分地決定著波長選擇部分的濾 波函數的形狀，該元件應當在整個相關波長范圍上提供近似衍射受限的 性能。由于幾何結構的原因，僅僅沿著或非常接近光軸通過系統的光才 能夠返回到增益元件中被放大，所以該透鏡需要在寬波長范圍上具有非 常好的軸上性能。這是通過利用分布在相關波長范圍上的一組波長設計 消色差鏡實現的。此外,消色差透鏡系統814上的AR涂層的質量^f皮認定 起到重要作用。利用消色差透鏡系統814的兩個透鏡上的高質量AR涂 層以確保外腔中的低損耗。
至于消色差透鏡系統814的焦距，測試了一定范圍的焦距，在大約 15mm到大約50mm的范圍內獲得了良好性能。發現更短的焦距在波長 范圍、功率和相干長度方面提供了稍微好些的總性能。盡管在Huber等 人的文章中描述的光源具有45mm的消色差透鏡系統，使用更短焦距的 光學系統可能會獲得更好的效果。選擇消色差透鏡系統814也可以考慮 腔能夠支持的最大直徑的光束。典型地，直徑越大，性能越好。不過， 如果使用較短焦距的消色差透鏡，那么就需要考慮它們的小直徑。這 里，設計的挑戰是提供最大程度的波長選擇性，同時在濾波器的中心波 長處提供盡可能最低的損耗。
圖8中要考慮的下一個組件是狹縫816。該元件允許光源800形成 的濾波函數的中心波長通過而阻擋其他波長。通過設計仿真和試驗，發 現寬度在5pim到15pm范圍內的狹縫可提供狹縫816最好的總體效果， 具有令人滿意的功率和相干長度。當消色差透鏡系統814的焦距靠近該范圍的短端時，那么4^小寬度的狹縫工作更好。狹縫可以乂人National Aperture商業購得，是用激光在金屬箔中加工的并弄黑，以便最小化不 希望的回向反射。
固定狹縫816的鏡片815理想地在光源800的波長范圍上具有基本 為100%的反射率。利用Thorlabs公司提供的高質量寬帶鏡片近似可以 實現該目標。
如上所述，在調諧部分103中使用貓眼構造提供了在寬波長范圍上 具有良好性能的設計，同時也提供了如前所述的對失準相對容忍的系統。
根據本發明的光源的其他實施例在圖1-5中示出。如下文所述， 狹縫鏡片被理解為表示形狀為窄寬度狹縫的反射器，例如鏡片；后面緊 靠鏡片的透明狹縫；或者后面帶有反射器以及光學系統的透明狹縫，該 光學系統將輻射往回反射通過狹縫。此外，在光輻射的上下文中術語 "光"代表可見、紫外或紅外輻射。
圖1示出了根據本發明的光源實施例100。光源100由可調諧激光 器形成，該可調諧激光器從第一末端反射器11延伸到第二末端反射器 19。例如，在第一末端反射器11或第二末端反射器19處，或者利用最 初入射光的反射或從色散性元件16向回反射的色散光，或者通過將光 分束器插入到光源100的激光腔中的光束路徑中，通過常規方法進行對 光功率的一部分的假設向外耦合。在光發生和光學增益介質12中產生 輻射。然后光通過光束轉換光學系統13。經準直的來自13的輸出光束 進入傳播介質14。輻射可以在介質中自由傳播，或者束縛于信道，例如 光纖。通過適當地選擇介質，可以選擇腔的光程并由此選擇激光裝置中 的縱模距離。離開傳播介質14的準直束a直接或者由運動反射器改變 方向之后入射到色散性元件16。利用快速機械旋轉器15旋轉色散性元 件16。來自色散性元件16的光被耦合到聚焦光學系統17,照射到狹縫 鏡片19上，該狹縫鏡片19位于聚焦光學系統17的焦平面中。
圖2示出了#4居本發明的光源的另一實施例200。如圖2所示，來 自傳播介質14的光入射到掃描鏡片210上，掃描鏡片210安裝于快速 機械旋轉掃描結構15上。來自掃描鏡210的光被耦合到消色差透鏡11, 消色差透鏡的位置使得掃描鏡210在其焦平面中。來自消色差透鏡11 的光被耦合到消色差透鏡212,消色差透鏡的焦距使得掃描鏡210位于
透4竟212和211的組合焦距處。光4冊16大致位于離開透4竟212透鏡212 的焦距處。那么，量a(X())就是波長為Xo的準直束。
在圖1和圖2中，作為所有波長的準直束，經色散的光束b被透鏡 系統17聚焦到濾波反射狹縫鏡片19上。分別由圖1中的運動色散性元 件16和圖2中的運動反射器210在狹縫鏡片19上掃描波長。
在圖1中所示的實施例中，色散性元件16通過快速機械掃描結構 15而轉動。經色散的輻射b被聚焦到末端狹縫鏡片19上。
在圖2中所示的實施例中，通過由安裝于快速機械旋轉掃描結構15 上的鏡片形成的快速旋轉機械反射器結構掃描反射器210和由透鏡211 和212形成的光學系統從角度上移動入射的準直束。根據鏡片210的瞬 時旋轉位置，準直束a以不同的入射角入射到靜止的色散性元件16。于 是，利用鏡片210的快速旋轉改變了由末端狹縫鏡片29反射回來的色 散輻射的波長。
在圖3中所示的實施例中，靜止色散性元件16以取決于波長入的 角度引導準直的色散光束b。在聚焦光學系統17的焦平面18中形成了 光譜。通過固定于轉輪上的狹縫鏡片組件313掃描焦平面18中的光譜。 狹縫鏡片組件313是置于聚焦光學系統17的焦平面18中的輪子，具有 狹縫鏡片的周邊規則圖案。運動的條形鏡片構成了光學腔的第二末端反 射器。由驅動馬達314驅動狹縫鏡片組件313。
在圖4中所示的實施例中，采用了圖1和3所示的實施例的組合體。 這種布置使得能夠為圖1和3的兩個不同掃描模式使用同一個裝置。在 掃描模式中，色散性元件16在掃描，而輪子上的狹縫鏡片313之一被 用作靜止的末端狹縫鏡片。在另一實施例的掃描模式中，色散性元件16 是靜止的，而具有狹縫鏡片組件313的輪子是旋轉的。
在圖5中所示的實施例中，光譜光學濾波裝置為沉積在色散性元件 16前方的透鏡系統515內部的狹縫或針孔。透鏡系統515為具有內部光 譜過濾狹縫或4十孔的光學透鏡系統。在一些實施例中，透4竟系統515可 以由透鏡對形式的光譜過濾器形成，該透鏡對分隔它們焦距之和，在第 一透鏡的焦點處設置處于大約5pm到大約25ym范圍內的窄縫。因此 對于該構造而言，可以認為光譜濾波元件是嵌入到第二部分102中的。 圖5中所示的色散性元件的布置可以是被稱為Littrow構造的類型，而
圖1-5中所示的激光系統的實施例都示出了第一和第二部分相同的
元件布置，僅僅第三部分改變為每種新構造。在一些實施例中，圖1中 示出的且被稱為"腔的第一末端反射器"的第一光學表面11也可以是
增益元件的低反射率輸出表面，其具有類似于圖3的透鏡37的附加透 鏡，該附加透鏡用于準直來自增益介質12的表面11的光輻射輸出。可 以將分離的末端反射器耦合到增益元件12以形成腔。
在一些實施例中，圖1中所示的可移動波長色散裝置16和圖2中 所示的掃描鏡210都位于快速角掃描裝置15上。可以適當地由諧振才莫 式中的檢流計或類似機構、線圏感應機構、壓電機構、電光光束偏轉器、 聲光光束偏轉器、MEMS基光束偏轉器或電動機機構驅動角掃描裝置 15。
在試驗測試諸如圖1所示的光源實施例100期間，使用諧振掃描器 轉動光柵。選擇第二部分的輸出使其為自由空間光束，如此對該光束進 行準直，使得準直束近乎完全地照射本實施例的第三部分103中包含的 衍射光柵16。第三部分103包括諧振掃描器16、衍射光斥冊15、透鏡17 和10jim的窄狹縫鏡片19,該鏡片為直接貼附于鏡片上的10jum的狹 縫。已經為用于本發明的實施例中而成功測試過的一系列諧振掃描器16 為來自紐約Glendale的Electro-Optical Products公司的型號SC-30型； 所測試的范圍內的掃描器提供了在10kHz到24kHz范圍內的激光重復 率。取代在這種裝置中通常提供的鏡片，將衍射光柵16直接安裝到諧 振掃描器16的運動部分上。光柵16制造于大約lmm厚的襯底上，從 大約6mm高大約8mm寬到大約5mm高大約6mm寬。實際尺寸取決于 諧振掃描器的具體諧振頻率，隨著掃描器頻率的增加，光柵的質量降 低。被測光柵的線密度處于800線每毫米到1100線每毫米的范圍內； 在每種實例中，都可以調節激光器的第二部分的長度以最大化激光器的 動態相干長度以及激光器的其他工作參數，例如功率、波長調諧范圍、 穩定性、光輸出噪聲和增益元件中不希望的標準具效應的抑制。
來自第二部分102的準直光場會進入第三部分103并入射到衍射光 柵16上。使入射角最大化以照射光柵16的最大區域并提供由第一部分 101的寬帶增益元件12產生的光的最大角色散。然后色散光入射到高質 量消色差透鏡17上，因此然后將色散光場聚焦到窄縫和鏡片組件19 上。測試獲得好結果的透鏡或者是為用于增益介質的波長范圍中而設計的高質量消色差鏡，或者是玻璃非球面透鏡。所有的透鏡都使用高質量 的多層減反射涂層以最小化腔內損耗。成功使用的焦距對于消色差透鏡
而言處于大約10mm到大約50mm的范圍內，對于非球面透鏡而言處于 大約6mm到大約8mm的范圍內。
本部分最后的光學部件，即狹縫鏡片19包括:故切割成直徑為3/8" 的薄箔的窄縫。成功測試的狹縫寬度在寬度上處于5 jli m到25 ju m的范 圍內，在高度上為3mm。然后將狹縫安裝為直接接觸高質量鏡片以形成 狹縫鏡片19。提供最好結果的鏡片為市場上可買到的鏡片，其特征在于 寬帶介電膜，該介電膜在相關波長范圍上是高反射的。參見用于1.3pm 波長范圍的Thorlabs型號BB1-E04和用于800nm波長范圍的BB1-E03。 該透鏡放置得距光柵16大約10到20mm,發現透鏡17和光柵16之間 的距離對于激光器的有效運行不是非常重要；不過通常當透鏡17放置 得距光柵16更近一些時，會發現相干長度和輸出功率的輕微改善。在 諧振掃描器15關閉的情況下，透鏡17被放置于系統的光軸上。在這種 情況下，光軸被定義為在寬帶增益元件12發射的自發發射光離開光柵 16沿著光柵特征和入射光場的入射角界定的方向傳播時，由其中心波長 定義的路徑。這樣定位的透鏡17用于將光場聚焦到一個焦距之外的區 域上。這里，如此放置狹縫和鏡片組件，使得其同時充當激光諧振腔的 光譜濾波元件以及回向反射器。
在恰當對準并向第一元件施加完整電功率的條件下，上述光源實施 例100將會激射。當打開諧振掃描器16時，光源100會開始在由增益 介質12和腔損耗決定的波長范圍上進行掃描。在激射的時候，對于增 益元件測試之一，輸出功率大于15mW。測試表明，調諧范圍大于 138nm,測得的相干長度(Lc=2 x邁克爾遜干涉儀中干涉條紋反差測量 值的HWHM)長于llmm。成功測試了若干增益元件。所選擇的實際增 益元件將取決于所需的期望中心波長、光強度和調諧范圍。半導體增益 元件可以^艮容易地從若干供應商(例如加利福尼亞Livermore的InPhenix 公司)那里得到。
圖l和3中所示的實施例之間的比較得出了如下的結論。圖1中所 示光源IOO的光學布置顯然比圖2中所示的光源200的光學布置簡單得 多。另一方面，能夠迅速移動的色散性反射器16的尺寸相當有限。商 用的工作在5kHz到20kHz范圍內的諧振掃描機構在它們能夠支持的光
學元件的尺寸上受到限制。對于這些實驗中所用的諧振掃描器，對于
5kHz的掃描器，用于色散性元件16的衍射光柵大約是5mm高，8mm 寬，lmm厚，對于更高頻率的掃描器，光柵更小。這限制著能夠被照射 的光柵線的數量，因此也限制著能獲得的光柵分辨率。在圖2中所示的 實施例中沒有相應的限制，因為與必須非常傾斜地入射到掃描光柵上相 反，可以在掃描反射器上使用接近垂直的入射光束。在圖2所示的光源 200中使用的靜止光柵允許比在圖1所示的光源100中所用的旋轉光柵 大得多的光^3"面積。
用作濾光端鏡的狹縫鏡片19是一種制造復雜的元件。在實驗中， 成功地使用了與下方的鏡片膜接觸的金屬箔中的狹縫。狹縫制造得越 窄，濾光行為變得越好。不過，激光輻射的強度同時會自然下降。在實 驗中，發現5-25pm范圍內的狹縫鏡片寬度最適合濾光和強度性能之間 的均衡；不過也可以使用其他狹縫寬度。
如果具有可調節寬度的狹縫鏡片對濾光有利，可以使用光譜儀縫隙 與狹縫后面的回向反射光學系統。該光學系統將會把狹縫成像到自身 上。設置具有準直透鏡的平面鏡或平面鏡和兩個透鏡以準直來自狹縫的 光并隨后對其聚焦，然后利用放置在第二透鏡的焦點處的鏡片對其進行 反射。或者，凹面4竟可以實現該目的。此外，可以將兩個可以移動的不 透明板固定就位在鏡片上或與其緊密接觸。為此目的測試了兩個刀片， 一個刀片附著于平移臺，另一個固定到鏡片的表面；這種方法提供了令 人滿意的結果。
在圖3和4所示的實施例中，使用了旋轉的濾光和回向反射裝置 13。以等間距靠近轉輪的周邊設置若干狹縫鏡片；在校準定位臺的輔助 下將在金屬箔中加工的薄狹縫貼附到50mm直徑的鏡片上提供了可行的 方案。然后將軸附著于鏡片和狹縫組件的背面以提供完成的回向反射輪 13。由作為驅動馬達14工作的電動機驅動該輪。掃描時間，即狹縫鏡 片之一沿一個方向掃描相關波長范圍所需的時間，不能做到與圖l和2 所示實施例中可以用的快速諧振掃描機構一樣短。與更快的諧振掃描機 構相比，電才幾驅動的轉輪的優點在于掃描時間可以連續變化。
兩種掃描原理的組合在圖4中示出。同時掃描為一些應用提供了以 較慢速度獲取圖像的強有力的工具，否則的話，這些應用會導致數據集 大到無法管理。此外，在OCT應用中使用該系統時較慢掃描速度的延
長的相干長度具有潛在價值；例如在食道中，組織和探頭之間的距離可 能會有顯著變化，延長的相干長度可允許更大的成像范圍。
在圖3中所示的實施例中，第三部分103包括靜止光柵16，透鏡17 和旋轉的多狹縫鏡片313。被測光柵16的線密度在800線每毫米到1070 線每毫米的范圍內。在每種情況下，可以調節激光器的第二部分的長 度，即腔的長度，以優化動態相干長度、功率、穩定性、光輸出噪聲以 及對增益元件內不希望的標準具效應的抑制。來自第二部分10 2的準直 光場進入第三部分103并入射到衍射光柵16上。使入射角最大化以照 射光柵16的最大區域并提供由第一部分101的寬帶增益元件12產生的 光的最大角色散。由高質量透鏡17俘獲色散光并將其聚焦到圖像平面 18上。在圖像平面中，給定波長的光由垂直線表示；在該圖像平面上運 動，會遇到不同的波長。
測試結果良好的透鏡是為用于增益介質的波長范圍中設計的高質 量消色差透鏡。所有的透鏡都使用了高質量的多層抗反射涂層，以使腔 內損耗最小化。成功使用的焦距在30mm到50mm的范圍內。測試了單 透鏡配置以及多透鏡配置；在光功率和相干長度方面多透鏡配置提供了 稍好的性能。該部分最后的光學組件由多狹縫鏡片313構成。該狹縫鏡 片具有20個反射性狹縫，每個狹縫為20 pm寬。反射性表面為受保護 的鋁。利用劃片機從20pm反射性狹縫的任一邊除去大約700pm的材 料；用黑色遮蔽膠帶覆蓋反射性狹縫之間的剩余反射性區域。還有其他 幾種測試結果良好的狹縫鏡片，例如加工到安裝在由Al保護的鏡片上 的薄箔盤中的幾個狹縫。多狹縫鏡片安裝在無刷伺服電機Ventura Ca. 的Thingap公司的P/N TG2385畫Delta上，該電才幾由Advanced Motion Controls Brushless伺服放大器P/N B30A8驅動。標稱電流為45V時4 A 的電流。所用的電源為臺式BK精確60 V6 A直流電源。
能夠使用的狹縫數量是由所選的衍射光柵16、透鏡17的焦距、透 鏡17的直徑尺寸、腔中增益介質12的波長范圍以及希望的光源占空因 數的組合設定的。
透鏡17可以是Thorlabs消色差透鏡AC254-050-C,距離光柵16 (光 柵上光束入射到透鏡單元前邊沿的點)38mm。從透鏡單元(SMI L05 ) 的前邊沿到反射性狹縫的距離是50mm,當激光器電流為299.7 mA,馬 達以132Hz運轉時，給出了 111 nm的調諧范圍的3 dB點。才艮據掃描時間，測得的所得激光器的相干長度在17.2和28.7 mm之間。
在掃描時間和所產生的輻射的相干長度之間有一種聯系。在利用多 狹縫鏡片進行的試驗中，如上所述研究了這種關系。利用基于光纖的麥 克耳遜干涉儀測量作為掃描時間函數的輻射相干長度。圖6示出了垂直 繪制的單位為mm的相干長度和水平繪制的單位為ps的掃描時間。圖6 中所示的曲線清楚地示出了相干長度隨著掃描時間減小而呈現線性減 小。
分別在圖3和4中示出的光學系統17應當消色差質量非常好，以 給出幾乎完美的平坦聚焦區。對于由透鏡211和212形成的透鏡系統以 及其在兩個透鏡之間實現平面聚焦區的能力，這點也適用。
圖5中示出的實施例展示了根據本發明的光源實施例的最不復雜的 構造，易于給出高輸出能量。在試驗中，在圖5的實施例中使用的透鏡 系統515的兩個透4竟為ThorlabsC170TM-C, f-6.16mm,透4竟之間的狹 縫為10 iim寬。實現了 22 mW的連續功率，并且根據腔長測量到相干 長度為大約2到大約4mm。波長調諧范圍為130nm左右。
圖7示出了根據本發明的緊湊掃描激光器的另一實施例。在圖7所 示的實施例中，使光束偏轉到光柵(由b(X)表示)的掃描鏡片15還充 當著Uttrow構造中的末端鏡片。在一些實施例中，也可以如圖7所示 爿使用光i普濾波部分。圖7所示的光源實施例與圖l-5和8所示實施例顯 著不同，不同之處在于，總的腔長有4艮大變化，這源自于將Littrow取 向的衍射光柵用作腔的第二末端反射器。隨著由掃描鏡片75(其包括安 裝于快速機械旋轉掃描結構上的鏡片)在衍射光柵16上掃描準直光束， 掃描鏡片的中心和衍射光柵16之間的距離發生變化，如從圖7中所清 楚看出的。專利'355采用了類似的幾何結構；不過，專利'355在掃描鏡 片和光柵之間的距離、掃描鏡片到前小面反射器的距離以及中心波長處 在光柵上的入射角之間進行了均衡，以便為軸向模式調諧提供第 一階補 償。專利'355提供了對這樣的系統的分析，該系統可被用于確保在激光 器的調諧范圍上調節和/或配置激光器以工作在近似單模狀態，于是避免 了幾乎所有遇到的幾萬個才莫式跳變(如在ECL系統的現有技術中所公知 的)。在單模點工作需要很多工作，除非系統還有消除進行過第一階校 正之后留下的殘余模式跳變的裝置，在光源的整個調諧范圍中動態相干 長度就是飄忽不定且不均勻的。在圖7所示的設計的一些實施例，人為
調節相同的這些距離，從而在調諧系統的時候引入大量的模式跳變，估 計為幾千或幾萬個模式跳變。這種方法提供了比現有技術中所知的真正
無跳模的可調諧激光器可能獲得的相干長度短很多的相干長度；不過， 這確保了我們能夠實現我們的目標提供相干長度大于幾毫米的魯棒激 光器。在圖7所示的光源的一些實施例中,獲得了達到4mm左右的相干 長度。專利'355的腔的幾何結構得到了仔細的均衡，使得縱模數量N的 拋物線增大具有發生在激光器中心波長處的最小值。被配置為使作為波 長的函數的N在系統的調諧范圍內不經過最小值的系統工作得更好。這 種配置確保了，在激光器的波長范圍上掃描激光器的時候，在波長的每 單位變化中N具有顯著的變化。已經證實，以提供N的這種變化的幾 何結構工作在激光器的整個調諧范圍上提供了高度穩定的相干長度，然 而如按照專利'355那樣操作同樣的經均衡的激光器以提供第一階補償通 常不會獲得同樣的這種性能。此外，多模系統比專利'355中披露的單模 系統工作得更好。
通常，利用相干長度大于3mm左右、調諧范圍超過中心波長的5 %到10%、工作在850 nm范圍的激光器功率大約為0.5 mW或更大， 而工作在1300nm范圍的激光器功率大約為5mW或更大、掃描重復頻 率大于10 kHz左右以及波紋小的根據本發明的光源，諸如OCT的成像 應用工作得最好。此外,需要對模式間距以及能夠同時激射的模式數量進 行平衡，使得通過均衡的探測方案基本可以消除功率波動或強度噪聲并 且在系統掃描時相干長度不發生變化。相干長度部分取決于腔的濾波函 數，腔的濾波函數又最易于通過改變快速波長調諧部分的濾波函數而加 以調節。在一些應用中相干長度在調諧范圍上的穩定性可能很重要，通 過改變腔所支持的模式間距及數量對其加以調節。調諧范圍取決于增益 元件、組件損耗、波長相關的組件損耗、掃描器幅度(掃描器幅度是否足 以覆蓋增益元件產生的寬范圍頻率)以及衍射光柵特性或所選擇的無論 什么波長調諧和濾波元件的特性。如果掃描元件提供正弦曲線掃描，那 么，如果掃描元件的幅度寬到足以覆蓋增益元件帶寬的120%左右，該 掃描元件就是有用的。光柵的設計取決于劃線、閃耀、入射角和照射區 域。
腔長可以是短的、中等的、長的，或者可以變化。短腔具有更寬的 模式間距，因此對于固定的濾波器函數而言具有更少的模式；不過，由
于光子在腔內往返時間的原因，長的腔長限制了掃描速率。激光器的功 率取決于光學增益元件、腔內光學組件的損傷閾值、工作頻率和腔的損 耗。模式間距可以是明確的并取決于腔的光程長度。腔內支持的模式數 量取決于濾波器函數、腔內的損耗、增益和腔的對準。濾波器函數取決 于腔的幾何結構、狹縫鏡片的狹縫寬度、衍射光柵和波導。光源的掃描 速度取決于掃描器、衍射光柵和光在光柵上的入射角，以及激光器的波 長范圍。
通過考慮這里公開的說明書和本發明的實踐，本發明的其他實施例 對于本領域的技術人員將是明顯的。應當將說明書和范例僅僅看作示例 性的，本發明的真正范圍和精神由如下權利要求界定。
權利要求
1.一種可調諧多模激光光源，包括形成于兩個反射器之間的光學腔，所述光學腔支持多個光學模式；位于所述光學腔中的光學增益介質；以及位于所述光學腔中的調諧部分，耦合所述調諧部分以從所述增益介質接收光并在所述多個光學模式的模式之間調諧，其中形成相干長度大于大約2mm的外腔波長調諧的多模激光器。
2. 如權利要求1所述的光源，其中所述調諧部分能夠在大于所述 光學增益介質的中心波長的大約5%的調諧范圍上調諧，并能夠以大約 20Hz和大約50kHz之間的波長掃描頻率進行掃描。
3. 如權利要求1所述的光源，其中所述可調諧多模激光光源具有 大于大約0.5mW的輸出功率。
4. 如權利要求1所述的光源，其中在所述腔的濾波函數下的所述 多個沖莫式的平均取決于由所述調諧部分調諧的波長。
5. 如權利要求4所述的光源，其中所述調諧部分在所述光學腔支 持的所述多個模式中包括的模式組之間變化。
6. 如權利要求1所述的光源，其中在所述調諧部分的所述調諧范 圍上所述光學腔的長度基本恒定。
7. 如權利要求6所述的光源，其中所述調諧部分保持所述光學腔 的長度基本恒定。
8. 如權利要求1所述的光源，其中調節所述腔的一部分的長度以 補償由所述調諧部分引入的長度變化。
9. 如權利要求1所述的光源，還包括位于所述光學增益介質和所 述調諧部分之間的所述腔中的光傳播介質。
10. 如權利要求9所述的光源，其中所述光傳播介質為自由空間。
11. 如權利要求9所述的光源，其中所述光傳播介質為光學透射的 液體、氣體或固體。
12. 如權利要求9所述的光源，其中所述光傳播介質為光纖。
13. 如權利要求l所述的光源，其中所述光學增益介質為半導體增 益元件。
14. 如權利要求l所述的光源，其中可調諧波長選擇部分包括 安裝于光掃描器上的色散性元件，所述色散性元件從所述增益介質接收光；透鏡系統，耦合所述透鏡系統以從所述色散性元件接收光；以及 光學耦合到所述透鏡系統的狹縫鏡片，所述狹縫鏡片位于所述透鏡 系統的焦平面上。
15. 如權利要求l所述的光源，其中快速機械波長調諧部分包括色 散部分，光譜濾光部分和反射器部分。
16. 如權利要求15所述的光源，其中所述反射器部分為所述色散 部分。
17. 如權利要求3所述的光源，其中所述反射器部分充當所述腔的 第二末端反射器。
18. 如權利要求3所述的光源，其中所述反射器部分與所述光譜濾 光部分組合到一起。
19. 如權利要求l所述的光源，其中所述快速機械波長調諧部分包 括如此布置的色散部分、光譜濾光部分、光學成象部分和反射器部分， 使得光學成象部分和反射器部分配置成光學貓眼結構。
全文摘要
根據本發明，提供了一種具有接近連續的波長掃描的緊湊激光器。在一些實施例中，可以在寬范圍上掃描該緊湊激光器系統。在一些實施例中，可以以高掃描速率掃描該緊湊激光器系統。在一些實施例中，該緊湊激光器系統可以具有可變相干長度。具體而言，能夠實現具有超過140nm的波長掃描的實施例，其連續可變掃描速率高達1nm/s左右，掃描速率的不連續增大高達10nm/s左右，且可變相干長度從1mm到大約30mm。
文檔編號H01S3/10GK101194402SQ200680007265
公開日2008年6月4日 申請日期2006年1月24日 優先權日2005年1月24日
發明者A·E·卡布爾, B·克勒曼, J·M·拉松, L·G·桑斯特倫 申請人:索爾實驗室公司