對(duì)于某些應(yīng)用,需要在一定范圍內(nèi)周期性地調(diào)諧
激光源的光波長(zhǎng)。在某些情況下,需要在相對(duì)較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧,例如100 nm或更大,并且調(diào)諧速度相當(dāng)快,掃描頻率為數(shù)十或數(shù)百千赫茲,有時(shí)甚至超過(guò)1 MHz;傳統(tǒng)的可調(diào)諧
激光器不能那么快地調(diào)諧。波長(zhǎng)掃描激光器的運(yùn)行意味著瞬時(shí)頻率的快速周期性變化的激光輸出。通常,具有一種三角頻率調(diào)制:近似線性的向上和向下掃描,每個(gè)占據(jù)掃描周期的一半。然而,在一些情況下,頻率相對(duì)于時(shí)間的瞬時(shí)波長(zhǎng)基本上偏離這種三角形形狀。
OE[N$,4I* {3){f;b 操作原則 ![hVTZ,hyZ 09w<@# 為此目的已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種波長(zhǎng)掃描激光器,最重要的工作原理如下所述。
4t< mX m6YDyQC 當(dāng)前調(diào)整 m\;@~o'k xZ(f_Oy 許多激光二極管在某種程度上可以通過(guò)調(diào)制其驅(qū)動(dòng)電流來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧,主要是因?yàn)檫@會(huì)影響結(jié)溫。由于涉及的有效體積相對(duì)較小,結(jié)溫可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的變化做出快速反應(yīng)。因此,相對(duì)快速的波長(zhǎng)調(diào)諧是可能的。
jLCZ
JSK d'*:2;)g^ 如果沒(méi)有額外的措施,通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的線性頻率線性調(diào)頻。人們可以應(yīng)用輸入電流的時(shí)間形式的預(yù)失真來(lái)改善這一點(diǎn)。此外,可以通過(guò)應(yīng)用光電反饋來(lái)提高頻率掃描的精度。
Gb_y"rx?0 g4NbzU[I 激光諧振腔中的波長(zhǎng)掃描濾波器 d,*#yzO KQ2jeJ/pj 在許多情況下,波長(zhǎng)掃描激光器的基本工作原理如下。一種是激光器,其增益介質(zhì)具有較大的增益帶寬,其激光諧振腔內(nèi)有一個(gè)快速帶通濾波器。如果調(diào)節(jié)濾光片的傳輸波長(zhǎng),激光波長(zhǎng)也會(huì)隨之變化,除非達(dá)到一定的速度限制。對(duì)于高速調(diào)諧,諧振器的
光子壽命短是有利的,即理想地短諧振器與高往返功率損耗相結(jié)合。當(dāng)接近調(diào)諧速度的極限時(shí),激光器不會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)性能
參數(shù),例如關(guān)于其瞬時(shí)性能參數(shù)。帶寬,但這對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)可能不是問(wèn)題。另一方面,很容易獲得慢頻率掃描。
1jkMje Bv(c`JE~; 所解釋的工作原理通常適用于
光纖激光器和二極管激光器,后者通常采用外腔二極管激光器(ECDL)的形式。增益介質(zhì)可以被視為
半導(dǎo)體光放大器(SOA)。迄今為止最高的掃描頻率是通過(guò)具有短諧振器和低光子壽命的半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的。另一方面,光纖激光器可以產(chǎn)生更高的輸出功率,并且可以訪問(wèn)一些額外的波長(zhǎng)區(qū)域。
D/Hob ;nZN}&m
常用的波長(zhǎng)調(diào)諧元件如下:
L6f$ID: 6ujePi <U · 法布里-珀羅干涉儀可以配備壓電換能器,通常達(dá)到幾十千赫的掃描頻率,有時(shí)甚至達(dá)到幾百千赫(具有機(jī)械共振激勵(lì))。
i2Cw#x0s `&!J6)OJ · 對(duì)于較低的掃描速度,也可以使用衍射光柵在用壓電致動(dòng)器傾斜的激光諧振器中。
ar[*!:! (|_N2R! · 一些設(shè)備基于MEMS技術(shù)(微機(jī)電系統(tǒng));低質(zhì)量系統(tǒng)本質(zhì)上更快。
61=D&lb a534@U4, 傅立葉域鎖模 LS{t7P9K iw?*Wp25 傅里葉域鎖模(FDML)與主動(dòng)鎖模類(lèi)似,但不是簡(jiǎn)單地調(diào)制腔內(nèi)損耗,而是調(diào)制腔內(nèi)濾波器的傳輸波長(zhǎng)。除了上一節(jié)中描述的類(lèi)似工作原理之外,這里還可以將傳輸波長(zhǎng)的調(diào)制與諧振器往返精確同步。結(jié)果,激光器在穩(wěn)定狀態(tài)下工作,諧振器模式中的光功率保持恒定。周期性變化的只是輸出波長(zhǎng),但在這種激光器中,所有波長(zhǎng)同時(shí)發(fā)生激光。與之前解釋的掃頻激
光源的工作原理相比,這種工作模式受到的激光噪聲要小得多,因?yàn)槿魏翁囟úㄩL(zhǎng)的激光不會(huì)在每次諧振器往返中重新建立。光子壽命不再是限制因素。
EH~XN9b F2Nb]f 這種激光器的輸出也可以被認(rèn)為是強(qiáng)啁啾脈沖的周期性序列,類(lèi)似于一些普通鎖模激光器的超短脈沖,但脈沖持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng),以至于后續(xù)脈沖實(shí)際上不再分離(即,其間功率較低)。
cgF?[Z+x o<\9OQ0 傅立葉域鎖?蓪(shí)現(xiàn)最高的掃描頻率。
*g~\lFX,u t8\XOj 當(dāng)然,傅里葉域鎖模原理引入了一定的約束。調(diào)制頻率需要與諧振器的往返時(shí)間精確同步。它實(shí)際上也可以是往返頻率的整數(shù)倍,從而產(chǎn)生相應(yīng)更高的掃描頻率。對(duì)于非常低的掃描頻率,需要一個(gè)很長(zhǎng)的諧振器,這可能不切實(shí)際;然而,這種激光器對(duì)于高掃描頻率非常有用,這有利于
光學(xué)相干斷層掃描等應(yīng)用(見(jiàn)下文)。事實(shí)上,最高掃描頻率(有時(shí)甚至在商業(yè)產(chǎn)品中也高于 1 MHz)是通過(guò)傅里葉域鎖模實(shí)現(xiàn)的。
*9I/h~I \\9$1yg 色散調(diào)諧源 5V"g,]'Nd <yz&>
+9, 還可以實(shí)現(xiàn)不需要腔內(nèi)帶通濾波器的波長(zhǎng)掃描激光源。相反,它們可以基于色散調(diào)諧。本質(zhì)上,這意味著激光器的主動(dòng)鎖模,其中諧振器包含具有大色散的元件。對(duì)于恒定的調(diào)制頻率,激光器將在激光器選擇的波長(zhǎng)下發(fā)射短(通常為皮秒)脈沖,以使往返時(shí)間與調(diào)制頻率匹配。通過(guò)在某個(gè)窄范圍內(nèi)調(diào)整調(diào)制頻率,可以調(diào)整激光器以在不同的波長(zhǎng)上工作。調(diào)諧速度受到激光器尋找新穩(wěn)態(tài)的需要的限制。
i{5,mS& /R!/)sg 鎖模激光加色散延遲線 iQJ[?l` WC
*e#QP 另一種可能性是使用飛秒激光器并通過(guò)具有強(qiáng)色散的 延遲線發(fā)送其輸出脈沖。這會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)、更強(qiáng)的線性調(diào)頻輸出脈沖,同時(shí)也執(zhí)行頻率掃描。與其他掃頻源相比,輸出功率并非近似恒定,而是隨掃頻頻率進(jìn)行強(qiáng)烈調(diào)制。雖然這種技術(shù)方法可能相對(duì)昂貴,但它可以應(yīng)用于非常寬帶的激光器,從而獲得盡可能高的軸向圖像分辨率。
+ew9%={zB ;8J+Q0V 波長(zhǎng)校準(zhǔn) xI