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實(shí)現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)才有很低的損耗。因此,第一種是通過某些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區(qū)所對應(yīng)的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)(如磁場、溫度等)使激光躍遷的能級(jí)移動(dòng)。第三種是利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧(見非線性光學(xué)、受激喇曼散射、光二倍頻,光參量振蕩)。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器。

可調(diào)諧激光器從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上看主要分為:電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)等類型。

其中電控技術(shù)是通過改變注入電流實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)諧,具有ns級(jí)調(diào)諧速度,較寬的調(diào)諧帶寬,但輸出功率較小,基于電控技術(shù)的主要有SG-DBR(采樣光柵DBR)和GCSR(輔助光柵定向耦合背向取樣反射)激光器。溫控技術(shù)是通過改變激光器有源區(qū)折射率,從而改變激光器輸出波長的。該技術(shù)簡單,但速度慢,可調(diào)帶寬窄,只有幾個(gè)nm�；�于溫控技術(shù)的主要有DFB(分布反饋)和DBR(分布布喇格反射)激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)完成波長的選擇,具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率�；�于機(jī)械控制技術(shù)的主要有DFB(分布反饋)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)等結(jié)構(gòu)。下面從這幾個(gè)方面可調(diào)諧激光器的原理進(jìn)行說明。

基于電流控制技術(shù)

基于電流控制技術(shù)的一般原理是通過改變可調(diào)諧激光器內(nèi)不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流,從而使光纖光柵的相對折射率會(huì)發(fā)生變化,產(chǎn)生不同的光譜,通過不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進(jìn)行特定波長的選擇,從而產(chǎn)生需要的特定波長的激光。

一種基于電流控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)結(jié)構(gòu)。

該類型的激光器主要分為半導(dǎo)體放大區(qū)、前布喇格光柵區(qū)、激活區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布拉格光柵區(qū)。其中前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)分別通過不同的電流來改變該區(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu),從而改變布喇格光柵的周期特性。

對于在激活區(qū)(Active)產(chǎn)生的光譜,分別在前布喇格光柵區(qū)和后布喇格光柵區(qū)形成頻率分布有較小差異的光譜。對于需要的特定波長的激光,可調(diào)諧激光器分別對前布喇格光柵和后布喇格光柵施加不同電流,使得在這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生只有此特定波長重疊其他波長不重疊的光譜,從而使需要的特定波長能夠輸出。同時(shí)該種激光器還包含半導(dǎo)體放大器區(qū),使輸出的特定波長的激光光功率達(dá)到100mW或者20mW。

基于機(jī)械控制技術(shù)

基于機(jī)械控制技術(shù)一般采用MEMS來實(shí)現(xiàn)。一種基于機(jī)械控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用MEMs-DFB結(jié)構(gòu)。

可調(diào)諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。

對于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個(gè)DFB激光器陣列,每個(gè)陣列可以產(chǎn)生帶寬約為1.0nm內(nèi)的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制MEMs鏡片旋轉(zhuǎn)角度來對需要的特定波長進(jìn)行選擇,從而輸出需要的特定波長的光。

另一種基于VCSEL結(jié)構(gòu)ML系列系列的可調(diào)諧激光器,其設(shè)計(jì)基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器,采用半對稱腔技術(shù),利用MEMS實(shí)現(xiàn)連續(xù)的波長調(diào)諧。同時(shí)通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調(diào)諧范圍,熱敏電阻和TEC封裝在一起,以便在寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。為了精確頻率控制一個(gè)寬帶波長控制器被集成同一管殼內(nèi),前端分接光功率檢測器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調(diào)激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

對于這種原理的可調(diào)諧激光器主要缺點(diǎn)是調(diào)諧時(shí)間比較慢,一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

基于溫度控制技術(shù)

基于溫度控制技術(shù)主要應(yīng)用在DFB結(jié)構(gòu)中,其原理在于調(diào)整激光腔內(nèi)溫度,從而可以使之發(fā)射不同的波長。

一種基于該原理技術(shù)的可調(diào)激光器的波長調(diào)節(jié)是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5——50℃的變化實(shí)現(xiàn)的。模塊內(nèi)置有FP標(biāo)準(zhǔn)具和光功率檢測,連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。模塊內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的TEC,一個(gè)用來控制激光器的波長,另一個(gè)用來保證模塊內(nèi)的波長鎖定器和功率檢測探測器恒溫工作。模塊還內(nèi)置有SOA來放大輸出光功率。

這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是單個(gè)模塊的調(diào)諧的寬度不寬,一般只有幾個(gè)nm,而且調(diào)諧時(shí)間比較長,一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

目前可調(diào)諧激光器基本上均采用電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)或機(jī)械控制技術(shù),有的供應(yīng)商可能會(huì)采用這些技術(shù)的一種或兩種。當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展,也可能會(huì)出現(xiàn)其他新的可調(diào)諧激光器控制技術(shù)。

用Nd:YAG激光經(jīng)過倍頻之后產(chǎn)生的 5320埃激光作為泵浦源去激勵(lì)染料。在振蕩器部分,條紋間距為d 的衍射光柵和輸出鏡構(gòu)成諧振腔。這時(shí),只有波長滿足2dcosθ=mλ,m=0,1,2,… 的光束才具有低的損耗,能形成激光振蕩。因此,旋轉(zhuǎn)光柵(改變?chǔ)冉?,就能改變輸出激光的波長。在諧振腔內(nèi)還插入一個(gè)放在壓力室中的標(biāo)準(zhǔn)具。變壓力室中的氣壓,可使標(biāo)準(zhǔn)具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長的精細(xì)調(diào)諧。還有一級(jí)放大,以增加輸出激光的功率。

一般染料激光器的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉,輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但性能優(yōu)越,可以輸出穩(wěn)定的單縱模激光。

染料激光的調(diào)諧范圍為0.3~1.2微米,是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。

金綠寶石激光器

一種固體可調(diào)諧的激光器。金綠寶石中Cr3+的能級(jí)見圖3。發(fā)射激光的波長取決于哪個(gè)振動(dòng)能級(jí)是激光躍遷的終端。振動(dòng)能級(jí)帶與激光的可調(diào)諧范圍相對應(yīng)。金綠寶石激光器的閾值低,效率高,輸出功率高,可在室溫下工作,調(diào)諧范圍7000~8000埃。

色心激光器

色心是晶體中正負(fù)離子缺位引起的缺陷。已獲得激光工作的色心主要FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ).等,屬四能級(jí)工作,由于晶格振動(dòng)的影響而有很寬的熒光線寬。色心激光器調(diào)諧范圍寬(0.6~3.65微米)、線寬窄,但大都只能在低溫下工作。

可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器

準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合成分子、在基態(tài)離解成原子的不穩(wěn)定碲合物。由其能級(jí)示意圖可以看出,對應(yīng)于核間距為R0的基態(tài)分子是極不穩(wěn)定的,會(huì)很快分解成獨(dú)立的原子。因此,在R0附近,激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間很容易建立起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光振蕩。準(zhǔn)分子激光器已實(shí)現(xiàn)了紫外波長可調(diào)諧輸出。