一種功率穩定型調頻激光器的制作方法
本發明涉及激光技術領域，尤其是指一種功率穩定型調頻激光器。
背景技術：
激光器，是指能發射激光的裝置。由于發光機理不同于普通光源，所以激光器具有一些普通光源所不具備的的優異特性，例如很好的方向性、高亮度以及良好的單色性和相干性等等，這些特點使激光在工業、軍事、通信、醫學和科學研究等諸多領域得到廣泛應用。自1960年梅曼發明的世界上第一臺激光器問世，激光技術經歷50多年的迅猛發展，激光器的種類也不斷增多。根據增益介質的性質，激光器可劃分為固體激光器、氣體激光器、半導體激光器和染料激光器等幾大類。我們所熟知的氦氖激光器就是氣體激光器的一種，因具有結構簡單、成本低、光束質量好等系列特點，氦氖激光器在精密光學測量、計量、傳感等眾多領域得到應用，被稱為測量之王。不論何種激光器，要用激光作為信息載體，就必須解決如何將信息加載到激光上去的問題，這種將信息加載于激光的過程稱為調制。實現激光調制的方法有很多，根據調制的性質可劃分為振幅調制、頻率調制、相位調制和強度調制等。其中，頻率調制或相位調制是激光載波的頻率或相位隨著調制信號的變化而改變，由于這兩種調制波都表現為總相角的變化，因此又被統稱為角度調制。可以看出，對激光頻率調制來說，光波的角頻率不再是常數，而是隨調制信號變化，即激光頻率(或波長)是時變的。這種所謂調頻激光器用途廣泛，在光譜學、光化學、集成光學、精密計量和測量等領域中都有著很重要的應用，因此研制一種性能優良的調頻激光器具有重要的現實意義。
實現激光調頻大致有三種方法：①通過某些方式或元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區所對應的頻率來改變激光輸出的頻率；②通過改變某些外界參數(如磁場、溫度等)使激光躍遷的能級移動；③利用光學非線性效應實現激光頻率的變換和調制。然而，這些調頻方式實際應用過程中，由于不同激光頻率處激光器增益和損耗大小不同，這將導致調頻過程中激光器功率產生明顯變化，這將會給調頻激光器的某些應用帶來較大誤差。針對上述問題，本發明提出了一種功率穩定型調頻激光器，該激光器具有原理簡單、調制電壓較低、激光偏振性能好及輸出功率穩定的優點，有望在光學檢測、精密測量等重要領域得到應用。
技術實現要素：
本發明針對現有調頻激光器方案存在的輸出激光功率不穩定的缺點，基于光學隧穿效應，提出一種功率穩定型調頻激光器方案，以期提高這類激光器的性能，使之更好地服務于激光技術的某些領域。
本發明為解決其技術問題所采用的技術方案：一種功率穩定型調頻激光器，由全反射棱鏡1、擺片2、穩功率推挽裝置3、布魯斯特窗4、泵浦源5、增益介質6、腔體7、高反射鏡8、調頻推挽裝置9、光分束器10、光電探測器11及系統電路12組成，所述全反射棱鏡1有第一光學面101、第二光學面102和第三光學面103三個光學面，其中，第一光學面101鍍制有光學高反膜，與第二光學面102、腔體7以及高反射鏡8構成光學諧振腔，所述光學諧振腔的諧振光路與全反射棱鏡1的第三光學面103法線方向的夾角為布魯斯特角，并在第二光學面102上形成全反射光路，在距離全反射棱鏡1的第二光學面102上全反射點外側的激光波長量級處平行放置有擺片2，所述擺片2外側安裝有穩功率推挽裝置3，增益介質6放置在布魯斯特窗4和高反射鏡8之間的腔體7內，泵浦源5在系統電路12的控制下給增益介質6提供泵浦，所述高反射鏡8外側安裝有調頻推挽裝置9，在系統電路12的控制下，所述調頻推挽裝置9沿激光器光學諧振腔內的諧振光路方向推拉高反射鏡8，通過改變所述激光器光學諧振腔的腔長實現輸出激光的頻率調諧，所述激光器輸出光路上放置有光分束器10，將激光器產生的激光分為兩束，一束作為輸出激光以供應用，另一束作為參考光被光電探測器11接收并轉換為電信號后輸入到系統電路12中，所述系統電路12將電信號與預先設置的參考電壓進行比較，比較輸出結果用于控制所述穩功率推挽裝置3調節擺片2與全反棱鏡1的第二光學面102之間的光學隧穿距離，使得所述激光器光學諧振腔的損耗發生變化，從而保持輸出激光功率的穩定，最終獲得功率穩定的調頻激光。
所述全反射棱鏡1為透明玻璃材料，在諧振激光波長處的吸收和散射損耗小于10-4；
所述全反射棱鏡1可以采用多面體結構，但必須有全反射光學面。
所述全反射棱鏡1的第一光學面101與第二光學面102、腔體7以及高反射鏡8構成的光學諧振腔，可以采用折疊型或者環形結構。
所述全反射棱鏡1的第一光學面101與第二光學面102、腔體7以及高反射鏡8構成的光學諧振腔，需滿足穩定腔條件。
所述擺片2為透明玻璃材料，為薄片結構，其靠近全反射棱鏡1的第二光學面102的一側為光學表面；
所述擺片2通過膠粘或者光膠方式放置在距離光學全反棱鏡1第二光學面102外側激光波長量級處。
所述高反射鏡8的鍍膜面和其基片底面之間有3′以上夾角，以避免產生寄生標準具效應。
所述穩功率推挽裝置3和調頻推挽裝置9可以采用電磁式、靜電式或者壓電式推挽。
所述調頻推挽裝置9可以由光柵或棱鏡等色散元件來代替，實現激光的調諧。
本發明具有以下技術效果：
相比于現有的調頻激光器方案而言，本發明在激光調頻過程中通過控制全反射棱鏡全反射面處的光學隧穿功率大小，實現激光輸出功率的穩定，該穩功率的過程不會改變激光器的光學諧振腔結構，因此輸出激光的方向穩定。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖。圖中，1為全反射棱鏡，2為擺片，3為穩功率推挽裝置，4為布魯斯特窗，5為泵浦源，6為增益介質，7為腔體，8為高反射鏡，9為調頻推挽裝置，10為光分束器，11為光電探測器，12為系統電路；其中，全反射棱鏡1有第一光學面101、第二光學面102和第三光學面103三個光學面，第一光學面101鍍制有光學高反膜，第二光學面102為全反射面，第三光學面103法線方向與激光器腔內的諧振光路呈布魯斯特角，以減少諧振激光其表面的損耗，并形成線偏振光。
圖2為本發明的一種具體實施方式示意圖。圖中，1為全反射棱鏡，2為擺片，3為穩功率推挽裝置，5為泵浦源，6為氦氖氣體增益介質，7為腔體，8為高反射鏡，9為調頻推挽裝置，10為光分束器，11為光電探測器，12為系統電路；其中，全反射棱鏡1有第一光學面101、第二光學面102和第三光學面103三個光學面，第一光學面101鍍制有光學高反膜，第二光學面102為全反射面，第三光學面103法線方向與激光器腔內的諧振光路呈布魯斯特角，以減少諧振激光其表面的損耗，并形成線偏振光，腔體7有第四光學面701和第五光學面702兩個光學面，第四光學面701與激光器腔內的諧振光路垂直，第五光學面602法線方向與與激光器腔內的諧振光路呈布魯斯特角。
圖3為光學隧穿現象的原理示意圖。
具體實施方式
為清楚闡述本發明，結合圖2闡述一種本發明的一種具體實施方式。如圖2所示，石英材質的全反射棱鏡1、微晶玻璃材料的腔體7和高反射鏡8構成折疊型光學諧振腔(此時由全反棱鏡1的第三光學面103充當布魯斯特窗，氦氖氣體增益介質6與全反棱鏡1的第三光學面103直接接觸)，所述折疊型光學諧振腔滿足穩定性條件(具體見周炳琨等，激光原理第四版[M]，北京：國防工業出版社，2010重印)，且腔內的諧振激光以布魯斯特角入射到全反射棱鏡1的第三光學面103上，并在第二光學面102處形成全反射，所述微晶玻璃材料的腔體7中心開有直徑為1.5mm左右的圓形管道，圓形管道兩端為腔體7的第四光學面701和第五光學面702，其中第四光學面701與圓形管道中心線垂直，第五光學面702法線方向與圓形管道中心線呈布魯斯特角，全反射棱鏡1的第三光學面103以光膠方式固定在腔體7的第五光學面702上，高反射鏡8同樣以光膠方式固定在腔體7的第四光學面701上，兩者將氦氖氣體增益介質6密封在腔體7內，并由陰陽高壓電極泵浦源5給氦氖氣體增益介質6提供泵浦，由此構成完整的激光器，在高反射鏡8的外側連接有由壓電陶瓷材料制成的調頻推挽裝置9，在系統電路12的驅動下，所述調頻推挽裝置9沿激光器諧振光路的方向推拉高反射鏡8，使得激光器光學諧振腔的腔長發生改變，從而實現激光器的調頻，距離全反射棱1的第二光學面102全反射光點外側的激光波長量級處膠粘或者光膠有石英材質擺片2，該擺片靠近第二光學面102的一側同樣為光學面，當所述激光器工作時，光學諧振腔內諧振激光將在第二光學面102與相鄰擺片2的光學面之間形成光學隧穿通道，在擺片2遠離全反射棱鏡1的外側裝有用壓電陶瓷材料制成的穩功率推挽裝置3，通過推拉擺片2使得擺片2的光學面與第二光學面102之間的光學隧穿距離發生改變，從而引起所述激光器光學諧振腔的腔內損耗值發生變化，進而引起激光器輸出光功率發生變化(具體參見國家發明專利申請：一種分光比可調的自由空間光分束器，申請號：201510956561.3，公開日：2016.05.11)。所述激光器輸出光路上放置有光分束器10將激光器產生激光分為兩束，一束作為輸出激光以供應用，另一束作為參考光被光電探測器11接收并轉換為電信號后輸入到系統電路12中，所述系統電路12將電信號大小與預先設置的參考電壓進行比較，比較輸出結果用于控制所述穩功率推挽裝置3調節擺片2與全反棱鏡1的第二光學面102之間的光學隧穿距離，使得所述激光器光學諧振腔的損耗發生變化，從而保持輸出激光功率的穩定，最終獲得功率穩定的調頻氦氖激光。
本發明中，激光器的調頻是通過改變激光器諧振腔長度來實現的。根據激光原理可知，對于普通穩定腔而言，只有滿足其特殊條件的光才能形成穩定諧振，激光器才能出光。對于直腔而言，設腔長為L，根據駐波條件即可知腔長L、腔內介質折射率n與激光諧振頻率v需滿足的函數關系：
式中q是縱模數，c為光速。從式(1)可以看出，當腔長L改變時，激光諧振的波長v也會發生改變，這是掃腔長調頻的基本原理。然而，激光器增益介質的增益曲線通常不是絕對平坦的，譬如對于非均勻加寬工作物質而言，增益曲線為高斯線型，這將導致激光器調頻過程中因諧振激光頻率處的增益或損耗值發生改變，從而導致了調頻過程中激光器輸出光功率不再穩定。例如，對于高斯線型的增益介質而言，在中心頻率處增益最大，在中心頻率的兩邊增益下降。此時，根據非均勻加寬為主的激光器穩定輸出時的功率函數表達式：
式(2)中A、T、l可近似為常數。Is、gm、δ分別為激光飽和光強、小信號增益系數以及激光器腔內損耗。從(2)式可以看出，當激光頻率νq變化時，其輸出功率也會發生變化。對于均勻加寬的激光器，其輸出功率變化與之類似，也會隨著激光調頻而產生改變。為了使激光器在調頻過程中實現輸出功率的穩定，本發明利用光學隧穿效應對光學諧振腔的損耗δ進行反饋調制，使功率P保持穩定。δ的反饋調制基于光學隧穿效應，其本質是利用光學隧穿效應將光束在全反射面上分成透、反兩光束，并通過控制隧穿距離調節激光諧振腔的透射損耗，從而實現激光器輸出光功率的控制。
所謂光學隧穿現象原理如圖3所示，當光波在從折射率為N1的光密介質1入射到折射率為N2的光疏介質2，且入射角度大于等于全反射角θc時(θc＝sin-1(N2/N1)，N1>N2)，光波在全反射面外側并不立即消失，而是透入到光疏介質2約波長量級的深度，其振幅隨著z按指數規律衰減，并且在入射面內沿著界面方向傳播一段距離后，再返回到光密介質1。若在折射率為N2的光疏介質2的外側放置另一種折射率為N3的光密介質3(N3>N2)，并使得光疏介質2與光密介質3的界面平行且距離為波長量級時，光波能從光密介質1通過光疏介質2進入光密介質3，這種現象即被稱為光學隧道效應(丁德金，“光學隧道效應，”《大學物理》，1991,37～38)。假設光疏介質2為空氣，光密介質1與光密介質3為同等玻璃材料，即N1＝N3＝N。過去的理論和實驗研究已經表明：光隧穿功率隨著隧穿距離的增加而單調減少；特別是當1時，光隧穿光強可用如下公式表示：
式中的It為隧穿光(透射光)功率，I0為總入射光功率，β為系數，z為兩光密介質2與3間的距離(即光疏介質2的厚度)，λ為空氣中的光波長、θ為入射角。根據上述結論可知，利用光學隧道效應，通過改變兩光密介質2與3間的距離，可調節從光密介質3中透射出的光功率強度，即諧振腔的損耗，實現激光輸出功率大小的調制。
以上是發明人給出的本發明一個實現的具體例子，但本發明并不局限于該實例。只要是在本發明技術方案結構上做的簡單變化，均應屬于本發明的保護范圍。
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