CN219874441U

CN219874441U - 一种激光相干长度可调的装置

Info

Publication number: CN219874441U
Application number: CN202320824947.9U
Authority: CN
Inventors: 范元媛; 彭锦; 王倩; 亓岩; 韩春蕊; 颜博霞; 周密; 韩哲; 王延伟; 崔惠绒
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2023-04-13
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2033-04-13

Abstract

本公开提供一种激光相干长度可调的装置，装置包括：激光器、色散部件和发散角控制部件；所述色散部件设置于所述激光器输出激光的光路上，激光光束在输出之前以第一角度入射到所述色散部件后发生色散，使得出射激光光束的各光谱成分按照顺序依次排列，所述第一角度可变，激光光束的色散随着所述第一角度的变化而相应变化；所述发散角控制部件设置于经所述色散部件色散的出射激光光束的光路上，可对该出射激光光束的发散角的大小进行控制，相较于现有技术，本公开可以通过改变光束经过色散部件的色散和/或光束发散角，实现连续调节输出激光相干长度的目的。

Description

一种激光相干长度可调的装置

技术领域

本公开涉及激光技术领域，具体涉及一种激光相干长度可调的装置。

背景技术

相干性是描述光源物理特性的重要指标，通常情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点、不同的时刻的光波场某些特性的相关性。激光光源因其良好的相干性被广泛应用于许多光学及交叉学科领域。而对于一些精密测量技术，高相干光源反而会引入散斑噪声，降低测量精度。在很多应用中具有动态相干长度的光源更占优势，例如：光学相干断层扫描、光学元件高精度面型检测等技术领域。

以光学元件高精度面型检测为例，大口径、超高精密、低面形的光学元件在光刻投影物镜、重力波探测用迈克尔逊干涉仪等研究领域里具有极为重要的作用。点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer，PDI)作为目前面形绝对测量领域中精度最高的设备，是解决超高精度光学元件面形检测的重要设备，同时也是高精度系统集成装调中系统波像差高精度检测的重要设备。

在利用PDI对物镜系统波像差或反射元件面形误差进行检测时，其使用的光源相干长度要与系统的共轭距或元件的曲率半径相匹配，以短相干光源为宜。若采用某些措施实现激光相干长度的连续调节(至少几个毫米动态调节)，可极大地提高测量精度并方便装调。如：在粗调阶段增大相干长度(如～cm量级)，便于等光程位置的粗略确定；在精调阶段减小相干长度(如～mm量级)，便于更精确地确定等光程位置，减小环境因素以及光源频率稳定性对测量结果的影响，消除相干噪声，提高测量精度。

在干涉测量等应用中，相干长度可调的光源可以降低相干噪声，并极大地方便装调。虽然通过调节激光腔腔长可以在一定程度上改变输出激光的相干长度，但是由于腔长调节范围有限，所以相干长度的调节范围也很小。而通过半导体激光器光反馈法调制相干长度的方法存在稳定性相对较差的问题。可见，在先的调节激光腔腔长法、半导体激光器光反馈法等调节激光相干长度的方法，存在光源稳定性差、效率低等问题。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种激光相干长度可调的装置，以实现激光相干长度的连续调节。

本公开实施例提供一种激光相干长度可调的装置，包括：

激光器、色散部件和发散角控制部件；

所述色散部件设置于所述激光器输出激光的光路上，激光光束在输出之前以第一角度入射到所述色散部件后发生色散，使得出射激光光束的各光谱成分按照顺序依次排列，所述第一角度可变，激光光束的色散随着所述第一角度的变化而相应变化；

所述发散角控制部件设置于经所述色散部件色散的出射激光光束的光路上，可对该出射激光光束的发散角的大小进行控制。

在一种可能的实现方式中，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔内。

在一种可能的实现方式中，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔外。

在一种可能的实现方式中，所述色散部件由至少一个棱镜组成。

在一种可能的实现方式中，所述发散角控制部件设置为刀口部件。

本公开与现有技术相比的优点在于：

本公开提供的激光相干长度可调的装置及方法，装置包括：激光器、色散部件和发散角控制部件；所述色散部件设置于所述激光器输出激光的光路上，激光光束在输出之前以第一角度入射到所述色散部件后发生色散，使得出射激光光束的各光谱成分按照顺序依次排列，所述第一角度可变，激光光束的色散随着所述第一角度的变化而相应变化；所述发散角控制部件设置于经所述色散部件色散的出射激光光束的光路上，可对该出射激光光束的发散角的大小进行控制，相较于现有技术，本公开可以通过改变光束经过色散部件的色散和/或光束发散角，实现连续调节输出激光相干长度的目的。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了光束在棱镜内传输的示意图；

图2示出了三种入射情况下的棱镜角色散率随顶角变化的曲线图；

图3示出了本公开提供的一种具体的激光相干长度可调的装置的示意图；

图4示出了本公开提供的另一种具体的激光相干长度可调的装置的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

首先对本申请控制激光相干长度的原理进行介绍。

相干长度是针对光源的时间相干性定义的，它是衡量光源时间相干性能的物理量，定义为光源光能够实现相干的最大光程差。激光线宽是激光谐振腔内激光材料的增益带宽与谐振腔内所振荡的纵模数目共同作用的结果，而谐振腔所能选择振荡的激光纵模由系统的角色散率和腔内振荡光束的发散角(Δθ)共同决定，满足：

在光源中心波长一定的情况下，激光相干长度(L_c)与线宽(Δλ)呈反比关系，L_c≈λ²/Δλ。

由上述表达式可以看出，激光相干长度的大小主要取决于激光光束发散角与系统色散两个方面，调整任意一点均可获得相干长度调节。

相干长度调节原理推导过程如下：

设激光光束在棱镜中的传输如图1所示，相应角度标注如图1，根据物理光学知识并加以微分推导，可得到一般情况下棱镜的角色散率D_P：

其中，dn/dλ表示不同材料的折射率对波长变化的倒数，n为棱镜材料的折射率；α为棱镜的顶角，即折射角；γ为偏向角。

设腔内光束所允许的发散角为Δθ，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光相干长度为：

特殊情况下，当棱镜为对称三角棱镜：

a)当满足最小偏向条件时，即γ取最小极值时，易知有关系θ＝v，φ＝μ。此时：

b)在满足正交出射条件下，即υ≈μ≈0时，可知：

c)在满足正交入射条件下，即θ≈φ≈0时，可知：

由以上公式可见，输出激光相干长度与棱镜顶角、材料、入射角度、发散角都相关。例如：当棱镜选择K9玻璃，其折射率为1.51630，色散系数0.00806，当棱镜为对称三角棱镜，棱镜顶角从10°到40°变化时，a)、b)、c)三种入射情况下，棱镜角色散率随顶角变化曲线如图2所示，可见等腰棱镜在三种入射情况下，a)色散最大，c)色散次之，b)色散最小。图2中棱镜顶角的大小由弧度表示。

综上，棱镜顶角固定后，通过改变棱镜入射角度，可以达到改变棱镜色散，进而改变激光相干长度的目的。另一方面，当棱镜入射方式固定后，可以通过在一定程度上改变激光发散角，从而达到改变激光相干长度的目的。

基于以上原理，本公开实施例提供一种激光相干长度可调的装置和方法，下面结合附图进行说明。

本公开提供的激光相干长度可调的装置，包括：激光器、色散部件和发散角控制部件；

基于上述本申请控制激光相干长度的原理可知，本申请的上述激光相干长度可调的装置中，可以将色散部件固定，改变激光光束入射所述色散部件的第一角度，以改变所述色散部件对激光光束的色散，由此来控制激光器输出激光的相干长度。或者，当激光光束入射所述色散部件的第一角度固定后，改变发散角控制部件的位置以改变出射激光光束的发散角的大小，由此来控制激光器输出激光的相干长度。或者，先通过改变激光光束入射所述色散部件的第一角度来调节激光器输出激光的相干长度，然后通过改变发散角控制部件的位置进一步调节激光器输出激光的相干长度。

可见，本申请中通过改变色散部件色散和/或光束发散角，都可以实现连续调节输出激光相干长度的目的。

根据本申请的一些实施方式中，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔内。

根据本申请的一些实施方式中，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔外。

根据本申请的一些实施方式中，所述色散部件由至少一个棱镜组成，例如色散部件可以设置为一个棱镜，也可以设置为两个棱镜等，棱镜个数越多，可以实现的色散效果越好。所述棱镜可以为等腰棱镜，棱镜顶角范围10°～40°。激光光线从棱镜等腰边的一侧入射，设棱镜顶角为α，则上述第一角度的调节范围为：0-arcsin(nsinα)(对应出射角度为0度)。实际应用中，激光光线入射点可以尽量靠近棱镜顶点，从而减少棱镜尺寸以及光线在棱镜内的传输距离。

根据本申请的一些实施方式中，所述发散角控制部件可以设置为刀口部件，刀口部件与光束光轴垂直摆放，切口光滑，利用刀口部件可以精确控制通光光谱范围。

本申请可应用于各种激光器，例如半导体激光器和固体激光器，泵浦激光的激光波长可以是638nm、808nm、976nm、915nm等，泵浦方式可以是端泵或侧泵。此外，本申请的激光谐振腔可以由多种结构实现，根据其结构的不同而可包含各种不同的光学元件。通常，激光谐振腔中包含有激光增益介质，如固体激光晶体或掺杂光纤，包括Nd:YVO ₄、Nd:YAG、Nd:YLF、Yb:YAG、Tm:YAG、Er:YAG、Cr³⁺:BeAl₂O₄、掺Yb光纤、掺Er光纤、掺Tm光纤等。除了激光增益介质，在本申请的装置中还包括为了实现激光的谐振和输出的其他光学元件，例如特定镀膜的光学镜片和倍频晶体等。光学镜片可以为平平镜或平凹镜等，根据需要镀各类膜系，也可以是针对特定波长有特定反射率的光纤光栅。倍频晶体可以是激光倍频晶体，包括：KTP、KDP、BBO、LBO、PPLN、LiNbO₃等，根据需要镀各类膜系；还可以是激光三倍频晶体，包括BBO、LBO、KBBF等，根据需要镀各类膜系。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例一

图3为本申请的激光相干长度可调的装置的实施例一的结构示意图。如图3所示，激光器包括激光泵浦源101、激光增益介质201、光学镜片(301，302，303，304)、激光倍频晶体601、激光三倍频晶体701，色散部件由棱镜401和棱镜402组成，发散角控制部件为刀口部件501。色散部件和发散角控制部件均设置在激光器的激光腔内。

具体的，图3中，101为采用侧面泵浦的808nm半导体激光泵浦源，201采用Nd:YVO₄晶体，用于提供激光增益；301为1064nm、532nm波段激光全反镜，302两侧镀膜分别为1064nm波段激光增透，以及1064nm波段激光高透、532nm波段激光高反膜；303两侧镀膜分别为1064nm、532nm波段高透，以及355nm高反、1064nm和532nm波段高透膜；304为两侧镀膜分别为1064nm、532nm高反、355nm高透，以及355nm增透的平平镜，作为激光输出端。棱镜401、402置于激光谐振腔内，用于提供系统色散；所述棱镜401、402的通光面均镀1064nm减反膜；501设置为刀口部件，其垂直放置于系统光轴内，通过精确控制其位置，实现对系统透过光谱的控制，进而实现激光相干长度的连续调节。相干长度可调的1064nm激光经倍频和三倍频后，即可变为相干长度可调的355nm激光，自光学镜片304输出。

实施例二

图4为本申请的激光相干长度可调的装置的实施例二的结构示意图。如图4所示，激光器100包括激光泵浦源101、激光增益介质201、光学镜片(301，302，303)、激光倍频晶体601，色散部件由棱镜401和棱镜402组成，发散角控制部件为刀口部件501。色散部件和发散角控制部件均设置在激光器的激光腔外。

具体的，图4中，101为采用端面泵浦的638nm半导体激光泵浦源，201采用Cr³⁺:BeAl₂O₄晶体，用于提供激光增益；303采用对744nm波段激光高反、对372nm波段激光高透的平镜，作为激光输出端，301为638nm高透、744nm波段激光高反镜，302两侧镀膜分别744nm波段激光增透和744nm波段激光高透、372nm波段激光高反膜；棱镜401、402置于激光谐振腔外，用于提供系统色散；所述棱镜401、402的通光面均镀372nm减反膜；501为刀口部件，其垂直放置于系统光轴内，通过精确控制其位置，实现对系统光谱的控制，进而实现372nm激光相干长度的连续调节。

上述实施例是基于一种棱镜(或棱镜组)与刀口相结合的装置，通过设计光线入射到棱镜(或棱镜组)的入射角度实现对激光系统光束的色散调节，同时辅助移动刀口位置实现通光光束发散角的控制，进而实现光谱范围的控制，及输出激光相干长度的连续调节。

上述实施例中，通过棱镜法对激光相干长度进行调谐，结构简单，调试方便，通过对入射斜边和出射斜边镀制相应角度、相应波长的增透膜获得极低的插入损耗，能量利用率大幅提升。虽然棱镜较低的色散率会限制激光相干长度的调节范围，但是可以通过同时使用多个棱镜构成棱镜组组合使用，棱镜个数越多，可以实现的色散效果越好，利用刀口部件控制通光光谱范围越精确。

为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种激光相干长度可调的装置，其特征在于，包括：

激光器、色散部件和发散角控制部件；

2.根据权利要求1所述的激光相干长度可调的装置，其特征在于，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔内。

3.根据权利要求1所述的激光相干长度可调的装置，其特征在于，所述色散部件和发散角控制部件均设置在所述激光器的激光腔外。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光相干长度可调的装置，其特征在于，所述色散部件由至少一个棱镜组成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的激光相干长度可调的装置，其特征在于，所述发散角控制部件设置为刀口部件。