用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于减少外腔激光器中模式跳转产生的噪声的方法和装置。
【背景技术】
[0002]在测量作为波长函数的样本的性质的大量器件中，利用具有可以遍布宽波长范围受调谐的输出波长的激光器。这些器件中所利用的一类激光器基于宽带宽增益芯片，其放置在使用光栅作为外腔中的各“反射器”之一的外腔中。为了调谐输出波长，光栅的位置受调整，以提供期望的激光腔长度，并且光栅上的光的入射角度受调整，使得光栅有选择地将期望波长的光衍射回到增益芯片。
[0003]如果光栅所衍射回去的波长带足够大，则可能激励多于一个的激光腔模式。在此情况下，激光输出光可能在比利用来自激光器的光的器件进行测量的时间段更小的时间段上以不可预测的图案在各模式之间跳转。大量非理想因素(例如温度的改变)中的任一可能导致跳转。在脉冲化激光器中，当电流脉冲施加到增益芯片时，不足的光栅分辨率允许多于一个的激光腔模式满足激光发射条件。虽然其它物理机制(例如均匀增益展宽)仅许可一个激光腔模式发射激光，但激光发射腔模式可以随着脉冲而不同。在脉冲化激光器中，脉冲期间的温度的变化可能产生模式跳转(脉冲内模式跳转)。此外，存在与激光模式跳转关联的激光波束指向误差。因为每个激光腔具有不同的频率，所以来自光栅的衍射后的光的角度对于每个激光腔模式是不同的。
[0004]大量测量要求在每个测量期间重复地调谐激光器波长以及良好的激光波束指向稳定性。例如，当样本缺失时，可以通过测量背景而从样本信号移除背景。在这些测量中，激光器波长调谐可重复性是非常重要的。由于模式跳转可能在随机时间产生，因此这些变化在激光器波长的调谐中对于要求高调谐可重复性程度和良好的激光波束指向稳定性的测量产生问题。
【发明内容】
[0005]本发明包括一种外腔激光器以及用于操作所述外腔激光器的方法。所述外腔激光器包括增益芯片、光栅、致动器和致动器驱动器。所述光栅将波长带中离开所述增益芯片的光衍射回到所述增益芯片，所述光栅的对准由相对于离开所述增益芯片的光的角度以及距所述增益芯片的距离表征，所述角度和所述距离受控于所述致动器。一部分所述衍射后的光受所述增益芯片放大。所述致动器驱动器使得所述角度在由幅度和平均频率表征的运动中相对于平衡角度抖动。所述幅度足以激励所述增益芯片的第一多个相邻激光模式。
[0006]在本发明的一个方面中，所述致动器驱动器按大于IHz的平均频率使得所述角度抖动。在本发明的另一方面中，所述致动器驱动器按作为包括所述光栅的机械系统的谐振频率的频率使得所述角度抖动。
[0007]在本发明的另一方面中，所述增益芯片按第一频率脉冲化，所述光栅角度按小于所述第一频率的频率抖动。
[0008]在本发明的又一方面中，所述外腔激光器包括:检测器，其测量激光功率并且伺服所述致动器驱动器，使得所述光栅的衍射函数的峰值与期望的激光腔模式对准。
[0009]在本发明的一个方面中，具有较大数值孔径的长焦距透镜用于准直所述光栅上的光束，以改进所述光栅的选择性。
【附图说明】
[0010]图1示出根据本发明一个实施例的将光提供给测量系统的外腔激光器。
[0011]图2示出作为激光光学频率的函数的可能激光腔模式。
[0012]图3示出衍射光栅所提供的光学频率选择。
[0013]图4示出激光的模式与光栅的衍射函数之间的理想关系。
[0014]图5示出当不正确地对准光栅时光栅的模式和衍射函数。
【具体实施方式】
[0015]参照图1可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1示出根据本发明一个实施例的将光提供给测量系统41的外腔激光器。激光器10包括贴装部12上所贴装的增益芯片11。激光腔由增益芯片11的切面14和光栅表面限定。在理想系统中，选取衍射光栅16相对于来自增益芯片11的光束的角度，以将激光锁定在特定模式上。所述角度由致动器15设置，致动器15绕着轴23旋转光栅，其为选取为使得返回到增益芯片11的衍射后的光的波长和激光腔的长度得以保持，以提供期望的输出波长。透镜17将输出光准直为期望的波束大小，以提供待由利用激光器10作为其光源的测量系统使用的光。准直透镜22准直离开增益芯片11的前切面13的光，以从衍射光栅16提供具有设置为提供期望的波长分辨率的直径的准直光束。增加激光波束所覆盖的衍射光栅16上的凹槽的数量在到达增益芯片11的衍射后的光中提供更窄的波长带。为了减少由光栅返回到增益芯片的光的带宽，长焦透镜(具有大数值孔径)可以用于增加光栅表面上的激光波束的大小。在激光器10中，可选光输出21也得以生成，并且可以用于使用检测器19监控激光功率。以下将更详细地讨论在稳定受激励的激光模式中检测器19的使用。替代地，输出波束中的光束划分器可以用于将少量激光功率偏转到光检测器。
[0016]现参照图2，图2示出作为激光光学频率的函数的可能激光腔模式。一般有用的是，使用所讨论的激光光学频率而不是来自激光器的光的波长，这是因为激光腔模式作为光学频率的函数而均等地相隔。激光器中的任何波长带等效于对应光学频率带。两个相邻激光腔模式之间的频率差称为自由光谱区(FSR)。增益芯片11的带宽与激光腔的FSR相比很大；因此，需要某种附加光学频率选择元件，以确保仅各激光腔模式之一发射激光。这些光学频率选择性元件的示例包括衍射光栅和色散棱镜。
[0017]图1所示的衍射光栅16提供附加光学频率选择。现参照图3，图3示出衍射光栅16所提供的光学频率选择。在51处示出作为光学频率的函数的返回到增益芯片的衍射后的波束中的光的幅度。在以下讨论中，该曲线将称为光栅的衍射函数，或简称为衍射函数。衍射函数为最大值的波长将称为衍射函数最大值。虽然光栅优先使得与&不同的频率衰减，但衍射后的光的幅度在距&移位的频率处依然显著。理想地，期望的激光模式处于fQ处，作为频率的函数的衍射后的光的幅度如图4所示。在此情况下，模式52和53处的衍射后的光的幅度充分地减少，以确保仅模式54发射激光。
[0018]实际上，衍射函数最大频率&与激光腔模式之间的失准出现。图5示出这种失准。在此情况下，模式55和56都可以发射激光；虽然仅一个模式将在任何给定时间发射激光。此外，正发射激光的模式可能在这两种模式之间来回跳变。在脉冲激光器中，当电流脉冲注入到增益芯片中时，激光器可以在模式55和56之一中发射激光。衍射频率&和激光腔模式的失准可能导致激光定向不稳定性。对于给定的光栅位置，仅一个光学频率&绝佳地与激光腔对准。带有不同光学频率的光束在其从光栅返回时具有不同的衍射角度。因此，可能激励具有不同传输方向的模式。这是激光波束指向不稳定性的发源之一。在一些情况下，在增益芯片11中存在波导。波导的基模(fundamental mode)限定期望模式的激光波束传输方向。在这种结构中，除了增益芯片11的波导的基模之外，具有与光栅衍射回到激光器增益芯片的&不同的频率的光束激励更高阶横模(transverse mode)。实际上，更高阶波导模式无法完全受波导抑制，这导致输出激光波束的指向不稳定性。
[0019]再次参照图1，增益芯片11具有宽增益带宽，以支持跨越相对大波长范围的大量激光腔模式。增益芯片11受驱动器42驱动，驱动器42可以是电流脉冲源。来自增益芯片11的前切面13的光从衍射光栅16受衍射。选取衍射光栅16相对于来自增益芯片11的光束的角度，以选择特定激光腔模式来发射激光。所述角度由致动器15设置，致动器15绕着轴23旋转光栅，其选取为使得返回到增益芯片11的衍射后的光的波长和腔的长度得以保持，以提供期望的激光器波长。透镜17将输出波束准直为期望的波束大小，以提供待由利用激光器10作为其光源的测量系统使用的输出光。透镜22将离开增益芯片11的前切面13的光准直为被设置以从衍射光栅16提供期望的波长的直径。增加衍射光栅16上激光波束所覆盖的凹槽的数量在到达增益芯片11的衍射后的光中提供更窄的波长带。一种用于实现这种期望的窄波长带的方法是使用用于具有较大直径的透镜22的长焦距透镜，以提供较大的准直波束。典型地，从前切面13出现的激光器光以不足以填充前切面13附近所放置的大透镜的角度而发散。因此，进一步远离前切面13所放置的长焦距透镜用于增加波束直径，因此增加激光波束所覆盖的光栅上的凹槽的数量。
[0020]本发明基于这样的观测:可重复的激光输出对于大量应用是比具有最窄可能输出波长谱更为重要的。在这些系统中，生成包括来自在某个期望的“理想模式”上居中的多个相邻模式的光的稳定混合光的谱的光源优选为具有在联合跨越所讨论的各模式之间的波长范围的较窄的谱内不可预测地跳变的谱的源。
[0021]在本发明的一个方面中，致动器15受驱动器31驱动，驱动器31产生抖动的驱动信号，其使得衍射光栅16在激光器10输出光的时间期间相对于平衡位置来回移动。优选地选取平衡位置，使得到达增益芯片11的衍射后的光的中心波长是期望的激光腔模式的波长。在本发明的该方面中，若干激光腔模式具有在时间上平均的用于发射激光的“均等”机会，并且使用激光器10通过器件所进行的测量基于这些模式的平均。在此情况下，抖动应足够快，使得在给定的测量的停留时间上，存在足够的平均化以提供可重复的测量。
[0022]抖动可以是周期性的，或是随机的，或是伪随机的。在作为示例的周期性抖动的情况下，抖动频率应等于或大于利用来自激光器10的光的测量的停留时间的倒数。在本发明的一个方面中，抖动频率是利用来自激光器10的光的测量