一種頻率可調(diào)諧激光光源設(shè)計(jì)

摘 ?要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一日千里，網(wǎng)絡(luò)、通信和精密測(cè)量等領(lǐng)域已然進(jìn)入了光時(shí)代。頻率可調(diào)諧激光光源在光通信、光譜學(xué)、雷達(dá)探測(cè)、精密測(cè)量等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)單頻激光光源相比，頻率可調(diào)諧固體激光光源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性高、能量集中、調(diào)諧方法便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：通信;激光光源;雙折射濾光片;雙四分之一波片

一、單頻激光光源系統(tǒng)組成及工作原理

（一）系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的單頻激光光源系統(tǒng)采用LD泵浦對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行抽運(yùn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1，LD作為泵浦源、OF是LD的尾纖，GL是自聚焦系統(tǒng)，PBS為偏振分光棱鏡，Nd：YAG作為激光光源系統(tǒng)的增益介質(zhì)，MS是腔內(nèi)插入的起縱模選擇作用的光學(xué)元件，OC是系統(tǒng)的輸出耦合鏡，增益介質(zhì)的左端面與輸出鏡OC（即圖1中加粗的一條豎線和一條弧線）共同組成激光光源系統(tǒng)的諧振腔。

（二）工作原理

LD泵浦作用下，晶體（增益介質(zhì)）中基態(tài)粒子會(huì)被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，在增益介質(zhì)內(nèi)形成激光上能級(jí)和下能級(jí)之間的粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在極其微小的自發(fā)輻射光作用下，產(chǎn)生1064nm激光;PBS將激光分為p光和s光。s光被反射出腔外，p 光則會(huì)在腔內(nèi)往返數(shù)次，受到Nd：YAG的雪崩放大，直到達(dá)到增益飽和的狀態(tài)，最終在腔內(nèi)形成1064nm激光場(chǎng)的穩(wěn)定分布，僅其中一小部分1064nm 光從OC耦合鏡耦合輸出。

1064nm p光于腔內(nèi)振蕩，會(huì)形成一套縱模序列。系統(tǒng)具有自選模特性，輸出的激光理應(yīng)是單縱模，且它的振蕩頻率也理應(yīng)在譜線中心頻率的附近。但是，因?yàn)樵鲆婵臻g燒孔效應(yīng)，腔內(nèi)激光會(huì)以多縱模的形式振蕩。因此，要得到1064nm的單頻激光光源，腔內(nèi)就要加入選模元件以實(shí)現(xiàn)縱模的選擇，使得系統(tǒng)最終只輸出一個(gè)縱模。圖1中的MS就是選模元件，用來解決這一問題。

二、單頻激光光源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)方案如圖2所示，在諧振腔內(nèi)插入兩片相同的四分之一波片，也就是用雙四分之一波片代替圖1中的 MS，雙四分之一波片與PBS構(gòu)成BF（雙折射濾光片），BF保證了光源系統(tǒng)輸出單頻激光，所輸出單頻激光光源的頻率則是通過調(diào)節(jié)雙波片快軸間的夾角來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的。

1064nm激光在BF的選模作用下，會(huì)以單頻的形式振蕩，所以O(shè)C最終輸出的是單頻的激光光源;振蕩激光頻率與雙波片快軸夾角（α-β）的關(guān)系為

可見，輸出激光光源的頻率與雙四分之一波片的快軸夾角（α-β）的大小唯一相關(guān)，所以，可以通過改變（α-β）的大小對(duì)單頻激光光源系統(tǒng)的頻率進(jìn)行調(diào)諧，進(jìn)而系統(tǒng)所輸出光源的頻率會(huì)得以改變。

（三）方案的可行性分析

圖2所示，光源系統(tǒng)的腔內(nèi)有一套選模元件（PBS+雙波片），可以單獨(dú)被調(diào)節(jié)，理論上系統(tǒng)從OC偶合輸出激光的頻率是可以在Nd：YAG的熒光范圍內(nèi)被調(diào)諧的。式（1）表明，細(xì)微調(diào)節(jié)雙波片的夾角（α-β）時(shí)，BF的透射率曲線則會(huì)在頻率軸上發(fā)生等間隔移動(dòng)，進(jìn)而選取出不同的縱模，系統(tǒng)輸出頻率不同的單頻激光。理論上，單頻光源頻率可以調(diào)節(jié)的最大范圍是Nd：YAG的熒光線寬，約150GHz。本方案中，雙波片是石英材質(zhì)，厚度為0.7mm，折射率差為0.009，則在雙波片快軸夾角為0°時(shí)，BF的是自由光譜范圍大小是16404GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于150GHz，而傾斜角的增大對(duì)自由光譜范圍的影響還不足以使之小于150GHz。根據(jù)激光振蕩原理，所設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)的選模元件BF滿足選模條件，系統(tǒng)最終定會(huì)輸出頻率可以調(diào)節(jié)的穩(wěn)定的單頻激光光源。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可調(diào)諧的單頻激光光源系統(tǒng)，采用PBS加雙波片構(gòu)成的BF實(shí)現(xiàn)單縱模的選擇，通過調(diào)節(jié)雙波片之間快軸的夾角來實(shí)現(xiàn)單頻激光頻率的調(diào)諧。詳細(xì)闡述了光源系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、工作原理以及可行性分析。后期計(jì)劃搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)此光源系統(tǒng)進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究，希望對(duì)光譜學(xué)、光通信、精密測(cè)量等領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：

山杜娟（1990年3月——），女，漢族，陜西西安人，碩士，助理工程師，西安體育學(xué)院，從事網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、光電子學(xué)研究。