一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法
阅读说明：本技术 一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法 (Mode-hopping-free tuning interval expansion method suitable for Littrow laser ) 是由 叶孜崇 江堤 张炜 靳琛垚 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法,该方法基于非线性的激光二极管电流输入,实现基于Littrow结构光栅外腔谐振原理的二极管窄线宽可调谐激光器的无跳模调谐区间大幅扩大,包括激光谐失振模的检测；失谐方式及失谐波长区间的判定；调整电流弧度获得失谐的压制三个技术过程。所述方法利用F-P干涉仪、波长计或原子频谱的激光失谐的波长区间及方式进行检测,进而通过与光栅角度调谐同步的二极管调制的非线性电流修正压制调谐波长区间的局部失谐问题,从而大幅拓展激光器稳定的可调谐空间。(The invention relates to a method for expanding a mode-hopping-free tuning interval of a Littrow laser, which is based on nonlinear laser diode current input and realizes that the mode-hopping-free tuning interval of a diode narrow-linewidth tunable laser based on a Littrow structure grating external cavity resonance principle is greatly expanded, and the method comprises the detection of a laser resonance loss mode; judging a detuning mode and a detuning wavelength interval; and adjusting the current radian to obtain the detuning suppression. The method utilizes an F-P interferometer, a wavelength meter or a wavelength interval and a mode of laser detuning of an atomic spectrum to detect, and further corrects and suppresses the local detuning problem of a tuned wavelength interval through a diode-modulated nonlinear current synchronous with grating angle tuning, so that the stable tunable space of the laser is greatly expanded.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体是一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法。
背景技术
二极管窄线宽可调谐激光器是一种精密性高、成本较低且用途广泛的激光器，在原子物理、量子信息、光谱分析、等离子体，例如火焰的速度及密度分布测量中有普及性的应用。其核心是在成本不高的前提下可同时实现小于1MHz的激光展宽且扫描范围大于10GHz的无跳模调谐功能、大于小时量级的稳定调谐功能、大幅度的小型化整套激光器系统以及相对简易的操作等优势。相对于必须通过大功率的YAG激光推动染料体获得数百毫瓦的传统染料体激光器而言，二极管激光器可通过锥形放大器(Tampered Amplifier,TA)的配备，从数十毫瓦的种子激光获得同样百毫瓦量级功率的光束，相当大的提高了操作的稳定性。在等离子体诊断中，激光器的无跳模可调谐幅度决定了该诊断针对粒子速度分布可利用的诊断范围，因此激光器的无跳模可调谐范围是其可用于等离子体诊断的一个根本性能指标。
二极管外腔光栅结构激光器一般分为Littrow及Littman-Metcalf两种设计，其中Littrow设计由于直接采用二极管的零级光斑进行共振，故此功率较高，在更多的波长中合适使用TA放大器进行进一步功率增强，但是由于光路每次通过光栅只衍射一次，对于共振模的选择性较低，因此除了线宽较大以外，也容易出现跳模和杂模的问题。而Littman-Metcalf通过光路每次通过光栅衍射来回两次的方法，在线宽和无跳模调谐范围上获得了性能的提升，但是由于Littman-Metcalf设计舍弃了零级光斑，使得其出光功率也相对较低，这也导致它难以配合TA放大器获得高功率光束。并且，国际市场上有售的顶尖Littman-Metcalf激光器供应商为美国的New Focus，然而其售华的激光器往往是用软件将可调谐范围锁定在60GHz以内的。反之，国内已有基于德国激光二极管生产Littrow激光器的生产厂商。因此，在窄线宽激光二极管的技术有限的前提下，通过控制参数的精准调控从Littrow激光器中获得更高的可调谐区间是国内实现相关器件自主可控过程的重要技术发展方向。
二极管外腔光栅结构激光器的调谐过程受到三个重要因素影响：(1)首先最显著也是最常见的因素是光栅角的微调会精确的改变谐振波长。一般光栅外腔激光器都会通过这一个特性对光栅角进行微调，从而获得精确的激光波长改变，这一最重要的调谐方式一般通过光栅固定件上增加一个压电陶瓷驱动器进行精确的驱动调节；(2)其次，激光器的温度往往会改变光栅的衍射系数，进而改变谐振波长，一些旧品牌的激光器往往利用这一个方法去控制调谐区间，但是由于温度调谐具有相当的不可控性，而更新颖的激光技术方案一般都追求温度的稳定，从而控制调谐波长的稳定性；(3)最后，激光二极管的驱动电流也会改变激光的谐振，相对于温度调谐而言，功率调谐是一个更加简便有效的调谐方法，甚至在一些内腔激光器中作为主要的调谐方式。同时，随着激光器的技术发展，厂商们也都发现在光栅角调谐的同时，激光二极管与之该谐振模最匹配的驱动电流也会同时改变，因此在基础上又增加了与光栅角同步改变二极管驱动电流的功能，一般称为Feed Forward(FF)。现有的FF功能一般随着光栅压电陶瓷的线性驱动同时而线性改变。这一功能的追加大幅增加了激光器的稳定性及可用调谐范围。
然而，在众多的实验经验中，外腔二极管激光器的具体调谐并非呈现线性特征，随着压电陶瓷的电压驱动，我们看到激光波长变动的特征往往是一条二次函数曲线。由此可见，我们也没有理由相信随光栅角变动的二极管谐振电流是随着压电陶瓷的输入成线性特征。实际上，在实验中，我们便可以观测到光栅角与谐振电流之间的非线性关系。而本发明正是针对这种调谐的非线性关系对FF进行非线性修正，从而在国内目前在激光二极管、光栅及其他激光控制技术都对国外具有较高依赖性或者是技术有限的前提下，实现激光器无跳模调谐区间的有效增长。本专利所述技术可在国内已有而且相对成熟的Littrow外腔结构二极管窄线宽可调谐激光器技术的基础上实现扫描范围超过100GHz的稳定调谐区间，从而突破国外对我们的技术封锁。
发明内容
本发明的核心目的是在有限的激光二极管技术前提下，通过控制改变二极管输入电流的方法去获得更广的无跳模可调谐区间，该方法通过与光栅角度调谐同步的二极管电流调制的非线性化调谐波长区间的局部失谐问题，从而大幅拓展激光器稳定的可调谐空间获得失谐的压制。
本发明提出技术方案如下：
一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法，该方法基于非线性的激光二极管电流输入调制实现Littrow激光器的无跳模调谐区间大幅扩大，该方法包括以下步骤：
步骤一：激光失谐检测；
步骤二：通过光谱的表现特征判断失谐方式及失谐波长区间；
步骤三：针对不同的失谐方式，非线性调制激光二极管电流输入以配合Littrow激光器调谐过程中谐振模的非线性演化，进而压制所述失谐波长区间的局部失谐问题，从而大幅拓展激光器稳定的可调谐空间。
通过上述步骤，能够在Littrow激光器中实现大于100GHz的稳定频率/波长调谐。
其中，步骤一中，采用F-P标准具配合原子或分子光谱参考池检测激光失谐，或者采用波长计检测激光失谐。
其中，采用F-P标准具配合原子或分子光谱参考池检测激光失谐时，失谐的情况表现于F-P标准具的峰分布中，所述失谐方式包括两个边缘同时失谐和中心失谐。
其中，步骤三中，非线性调制激光二极管电流输入为：在FF的直线时间函数上增加一个半周期正旋波函数或一个二次函数的系数，从而使全周期的失谐获得压制；
对于所述两个边缘同时失谐的失谐方式，通过所述系数降低中心的FF修正，同时减少二极管整个调谐区间的电流，从而使两个边缘的失谐被压制；
对于中心失谐的失谐方式，通过所述系数增大中心的FF修正使得失谐获得压制。
其中，该方法中，使用分光的方式实现激光器进行诊断或实验的同时进行即时调谐检测。
其中，所述原子或分子光谱参考池为碘蒸汽发射或者吸收谱，即碘池。
本发明提供的上述技术方案是一种针对二极管可调谐激光器调谐过程中谐振条件的非线性变化的无调模调谐区间扩展方法，包括因谐振条件的非线性变化而产生的失谐方式的检测及判断方法，以及针对失谐方式形成机制的失谐压制方法。
利用上述技术方案进行失谐检测时，可以通过F-P标准具配合原子或分子光谱参考池，或波长计实现。其中原子/分子光谱参考池属于非必要附属元件，以及属于使用激光器的过程中用于标定绝对波长的工具，在本发明的技术方案而言并没有绝对的必要。本发明所涉及的技术方案通过观测激光调谐波长区间的中心波长附近失谐、两端同时出现失谐、或是其他局部失谐的情况来判断激光器的谐振条件是否出现非线性特征，并通过失谐的特征判断激光器局部波段的调谐中二极管驱动电流是偏高还是偏低，从而进行针对性修正。
进而，本发明中采用的失谐压制方法可通过在调谐过程中针对二极管电流同步调节(Feed Forward)的功能中增加二次方曲线系数、半周期正旋波、或者在更复杂的失谐情况下增加更高次方的曲线函数系数或更多更高频率的正旋波电流输入，从而满足激光器本身的非线性谐振条件以达到压制局部失谐的目的。在模拟电路组成的非数控激光器电源中，这种压制方法可以通过加入正旋波输出电源实现；在数控激光器电源中，这种压制方法可以直接通过数字控制信号的剪裁实现。
本发明所达到的有益效果为：
在激光二极管的品质及技术受到目前的条件限制及对于国外元器件依赖性的现状下，利用相对容易实现的激光二极管驱动电流波形剪裁的方式实现二极管窄线宽Littrow外腔激光器无跳模波长调谐区间大幅增加的结果。本发明能够将Littrow激光器的无跳模波长调谐区间由大于20GHz提升到大于90GHz，在特定条件下具有将调谐幅度扩展至大于120GHz的潜力，并实现小时量级稳定调谐，远超以软件限制的调谐幅度。具有将原来的相对低成本、高功率而且容易追加锥形放大器的二极管Littrow外腔激光器在无跳模调谐波长范围这一关键性能上媲美部分Littman-Metcalf激光器的潜力。
附图说明
图1为激光器失谐检测光路；
图2为激光器正常实现无跳模调谐下的F-P标准具及碘池的信号；
图3A和图3B分别展示杂模和跳模情况中，激光器出现边缘失谐下的F-P标准具及碘池的信号；
图4为激光器出现双边失谐下的F-P标准具及碘池的信号；
图5为激光器出现中心失谐下的F-P标准具及碘池的信号；
图6为针对激光器双边失谐情况所使用的二极管电流修正；
图7为针对激光器中心失谐情况所使用的二极管电流修正。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，详述本发明实施案例的技术方案，显然，所描述的实例仅为本发明的一部分实例，而不是全部的实例，基于本发明中的实例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。
本发明涉及一种适用于Littrow激光器的无跳模调谐区间拓展方法，该方法基于非线性的激光二极管电流输入调制实现Littrow激光器的无跳模调谐区间大幅扩大，该方法包括以下步骤：
激光失谐检测；
通过光谱的表现特征判断失谐方式及失谐波长区间；
针对不同的失谐方式，非线性调制激光二极管电流输入以配合Littrow激光器调谐过程中谐振模的非线性演化，进而压制所述失谐波长区间的局部失谐问题，从而大幅拓展激光器稳定的可调谐空间。
通过上述步骤，能够在Littrow激光器中实现大于100GHz的稳定频率/波长调谐。
首先，我们将利用F-P标准具、原子光谱参考池或者是波长计针对激光器的调谐情况进行检测，这时需要将激光射入检测系统，在本实施例中，我们使用了分光的方法实现激光器进行诊断或实验的同时进行即时调谐检测，其光路图如图1所示。这种检测光路，无论是在线还是非在线的检测，都有多种实现的方式，这里只是用之作为一个实施案例，方便说明本发明的技术方案。其中，所述原子或分子光谱参考池为碘池。
进而，我们将利用测量数据获得激光器杂模及跳模的情况。激光器杂模和跳模状况的数据可以由F-P标准具辅以原子参考池两者搭配获得，一些精密波长计具备简易光谱仪功能，通过获得其实时波长变化，也可以实时了解激光器的调谐情况，但是这种方法整合到数据分析的难度比运用F-P标准具要稍微大一些，因此在本说明里重点以使用F-P标准具检测的实例介绍本发明的技术方案。在使用F-P标准具的情况下，无跳模、无杂模调谐的信号按F-P标准具的自由光谱范围形成等距峰。理想情况下，这些峰应保持时间等距。但是由于激光频率调谐与压电陶瓷电压之间的关系呈非线性(多数情况下可以以二次函数曲线较精确的估算)，因此在调谐范围较大的情况下，F-P标准具各峰的时间间隔也近似呈现二次曲线的特征。同时，为了避免一种出现跳模后正常扫描，波长却与其余扫描区间存在脱耦的情况，我们增加一个原子或分子光谱参考池，通过其光谱分布确认扫描过程的绝对波长区间。当然，这种特殊的跳模情况极其罕见，几乎不可能发生，参考池的主要作用仍然是用于确认激光的绝对波长。正常调谐的结果展示于图2。
失谐的情况一般会明显表现于F-P标准具的峰分布中。Littrow激光器非严重的失谐情况一般为跳模及杂模两种情况，其中，跳模会使激光器发射光的波长突变到另一波长，失去连续的频率/波长调谐，而杂模的产生将会导致几个波长的光同时存在；两种失谐的方式在F-P标准具的表现方式分别为F-P标准具峰的消失以及杂峰的密集出现，一般的失谐情况出现于调谐范围的边缘，如图3A和图3B所示，图3A和图3B分别展示杂模和跳模，失谐区间由图中虚线框范围所标注。一般，杂模的出现可以通过降低二极管电流去压制，而突变的跳模往往代表着二极管电流过低，无法在原定波长形成谐振。边缘失谐基本上都可以通过二极管电流随压电陶瓷电压的线性调制恢复无跳模调谐，这是Feed Forward被发明的根因。然而，随着调谐范围的逐步增大，尤其是超过了60GHz的状态下，Littrow激光器会出现两个边缘同时失谐，如图4所示；或者是中心失谐的情况，如图5所示。本实例为方便读者理解，这两种的失谐情况都选用了杂模的案例，这是因为在出现电流不足跳模失谐的情况下，持续扫描到原来的边缘不一定会自行恢复调谐，而增加整个调谐扫描过程的(DC)电流压制该频段失谐之后，获得的调谐状态将与图4、5所示的情况类同。
两个边缘同时失谐或者是中心失谐正是非线性二极管谐振电流的特征：由于线性电流调谐无法拟合逐渐展现出非线性特征的谐振条件变化，因此线性的FF电流调整无法在整个调谐区间内形成完美调谐，导致激光器在调谐范围中出现了多处或非单向性的失调区间。此时，通过本发明的二极管电流随压电陶瓷电压的曲线化，就可以压制这种失谐。它的实现原理是改变二极管电流的同步调整(FF)方式：原来的电流调整功能FF是随时间成正比的，即其降低电流的速率是一个常数，在实现上可以理解为在DC电流上加上一个与压电陶瓷扫描电压同步的一个三角波型电流。在多数的情况，控制光栅的压电陶瓷电压同样为一个三角波，这时我们也可以将这种时间线性FF理解为电流下降幅度与压电陶瓷电压成某种常数正比。我们进阶修正的方式是在这个电流修正的时间函数的直线时间函数上增加一个半周期正旋波函数或一个二次函数的系数，通过非线性的电流修正配合非线性的谐振条件，使全周期的失谐获得压制。针对图4两边失谐的情况，我们可以通过这个系数降低中心的FF修正，同时减少二极管整个调谐区间的(DC)电流，从而使两边的失谐被压制。针对此一种案例修正后的总二极管电流时间变化如图6所示。同理，针对图5中心失谐的情况，我们可以通过增大中心的FF修正使之获得压制，修正后的电流变化如图7所示。
在模拟电路中正旋波或类似电源电路为更成熟的产品。所以我们估计，通过在FF供电系统中追加一个波幅可调的半波正旋波电源可以更容易在传统模拟电路构成的激光控制器中实现本发明的方法。反之，在通过数控实现的控制器中，理论上可以通过数控指令输出任何波形的电流，因此两个方法在数控激光电源中没有实现方法上的差异。
随着我们进一步增大Littrow激光器的无跳模扫描范围，针对光栅不同的特征，有机会出现超过二次方或是半波FF曲线可以抹平的失谐情况，此时，我们可以通过更高次方函数的数控FF指示，或更多波周期甚至多个频率构成的可调正旋波辅助电源将可以进一步增加可压平失谐的区间，一进一步增加调谐范围。这也是本专利保护的方法之一。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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