一種頻率可調諧激光光源設計

摘 ?要：科學技術的發展一日千里，網絡、通信和精密測量等領域已然進入了光時代。頻率可調諧激光光源在光通信、光譜學、雷達探測、精密測量等領域有著非常廣闊的應用前景。與傳統單頻激光光源相比，頻率可調諧固體激光光源系統具有結構簡單、體積小、穩定性高、能量集中、調諧方法便捷等諸多優點。

關鍵詞：通信;激光光源;雙折射濾光片;雙四分之一波片

一、單頻激光光源系統組成及工作原理

（一）系統組成

本文設計的單頻激光光源系統采用LD泵浦對增益介質進行抽運。系統的結構見圖1，LD作為泵浦源、OF是LD的尾纖，GL是自聚焦系統，PBS為偏振分光棱鏡，Nd：YAG作為激光光源系統的增益介質，MS是腔內插入的起縱模選擇作用的光學元件，OC是系統的輸出耦合鏡，增益介質的左端面與輸出鏡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的諧振腔。

（二）工作原理

LD泵浦作用下，晶體（增益介質）中基態粒子會被抽運到激發態，在增益介質內形成激光上能級和下能級之間的粒子集居數反轉分布，在極其微小的自發輻射光作用下，產生1064nm激光;PBS將激光分為p光和s光。s光被反射出腔外，p 光則會在腔內往返數次，受到Nd：YAG的雪崩放大，直到達到增益飽和的狀態，最終在腔內形成1064nm激光場的穩定分布，僅其中一小部分1064nm 光從OC耦合鏡耦合輸出。

1064nm p光于腔內振蕩，會形成一套縱模序列。系統具有自選模特性，輸出的激光理應是單縱模，且它的振蕩頻率也理應在譜線中心頻率的附近。但是，因為增益空間燒孔效應，腔內激光會以多縱模的形式振蕩。因此，要得到1064nm的單頻激光光源，腔內就要加入選模元件以實現縱模的選擇，使得系統最終只輸出一個縱模。圖1中的MS就是選模元件，用來解決這一問題。

二、單頻激光光源系統方案設計

本文設計方案如圖2所示，在諧振腔內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構成BF（雙折射濾光片），BF保證了光源系統輸出單頻激光，所輸出單頻激光光源的頻率則是通過調節雙波片快軸間的夾角來實現調諧的。

1064nm激光在BF的選模作用下，會以單頻的形式振蕩，所以OC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，所以，可以通過改變（α-β）的大小對單頻激光光源系統的頻率進行調諧，進而系統所輸出光源的頻率會得以改變。

（三）方案的可行性分析

圖2所示，光源系統的腔內有一套選模元件（PBS+雙波片），可以單獨被調節，理論上系統從OC偶合輸出激光的頻率是可以在Nd：YAG的熒光范圍內被調諧的。式（1）表明，細微調節雙波片的夾角（α-β）時，BF的透射率曲線則會在頻率軸上發生等間隔移動，進而選取出不同的縱模，系統輸出頻率不同的單頻激光。理論上，單頻光源頻率可以調節的最大范圍是Nd：YAG的熒光線寬，約150GHz。本方案中，雙波片是石英材質，厚度為0.7mm，折射率差為0.009，則在雙波片快軸夾角為0°時，BF的是自由光譜范圍大小是16404GHz，遠遠大于150GHz，而傾斜角的增大對自由光譜范圍的影響還不足以使之小于150GHz。根據激光振蕩原理，所設計光源系統的選模元件BF滿足選模條件，系統最終定會輸出頻率可以調節的穩定的單頻激光光源。

四、結束語

本文設計了一種頻率可調諧的單頻激光光源系統，采用PBS加雙波片構成的BF實現單縱模的選擇，通過調節雙波片之間快軸的夾角來實現單頻激光頻率的調諧。詳細闡述了光源系統的方案設計、工作原理以及可行性分析。后期計劃搭建實驗系統對此光源系統進行深入的實驗研究，希望對光譜學、光通信、精密測量等領域有所貢獻。

作者簡介：

山杜娟（1990年3月——），女，漢族，陜西西安人，碩士，助理工程師，西安體育學院，從事網絡計算機、光電子學研究。