一种频率可调谐激光光源设计

摘  要：科学技术的发展一日千里，网络、通信和精密测量等领域已然进入了光时代。频率可调谐激光光源在光通信、光谱学、雷达探测、精密测量等领域有着非常广阔的应用前景。与传统单频激光光源相比，频率可调谐固体激光光源系统具有结构简单、体积小、稳定性高、能量集中、调谐方法便捷等诸多优点。

关键词：通信;激光光源;双折射滤光片;双四分之一波片

一、单频激光光源系统组成及工作原理

（一）系统组成

本文设计的单频激光光源系统采用LD泵浦对增益介质进行抽运。系统的结构见图1，LD作为泵浦源、OF是LD的尾纤，GL是自聚焦系统，PBS为偏振分光棱镜，Nd：YAG作为激光光源系统的增益介质，MS是腔内插入的起纵模选择作用的光学元件，OC是系统的输出耦合镜，增益介质的左端面与输出镜OC（即图1中加粗的一条竖线和一条弧线）共同组成激光光源系统的谐振腔。

（二）工作原理

LD泵浦作用下，晶体（增益介质）中基态粒子会被抽运到激发态，在增益介质内形成激光上能级和下能级之间的粒子集居数反转分布，在极其微小的自发辐射光作用下，产生1064nm激光;PBS将激光分为p光和s光。s光被反射出腔外，p 光则会在腔内往返数次，受到Nd：YAG的雪崩放大，直到达到增益饱和的状态，最终在腔内形成1064nm激光场的稳定分布，仅其中一小部分1064nm 光从OC耦合镜耦合输出。

1064nm p光于腔内振荡，会形成一套纵模序列。系统具有自选模特性，输出的激光理应是单纵模，且它的振荡频率也理应在谱线中心频率的附近。但是，因为增益空间烧孔效应，腔内激光会以多纵模的形式振荡。因此，要得到1064nm的单频激光光源，腔内就要加入选模元件以实现纵模的选择，使得系统最终只输出一个纵模。图1中的MS就是选模元件，用来解决这一问题。

二、单频激光光源系统方案设计

本文设计方案如图2所示，在谐振腔内插入两片相同的四分之一波片，也就是用双四分之一波片代替图1中的 MS，双四分之一波片与PBS构成BF（双折射滤光片），BF保证了光源系统输出单频激光，所输出单频激光光源的频率则是通过调节双波片快轴间的夹角来实现调谐的。

1064nm激光在BF的选模作用下，会以单频的形式振荡，所以OC最终输出的是单频的激光光源;振荡激光频率与双波片快轴夹角（α-β）的关系为

可见，输出激光光源的频率与双四分之一波片的快轴夹角（α-β）的大小唯一相关，所以，可以通过改变（α-β）的大小对单频激光光源系统的频率进行调谐，进而系统所输出光源的频率会得以改变。

（三）方案的可行性分析

图2所示，光源系统的腔内有一套选模元件（PBS+双波片），可以单独被调节，理论上系统从OC偶合输出激光的频率是可以在Nd：YAG的荧光范围内被调谐的。式（1）表明，细微调节双波片的夹角（α-β）时，BF的透射率曲线则会在频率轴上发生等间隔移动，进而选取出不同的縱模，系统输出频率不同的单频激光。理论上，单频光源频率可以调节的最大范围是Nd：YAG的荧光线宽，约150GHz。本方案中，双波片是石英材质，厚度为0.7mm，折射率差为0.009，则在双波片快轴夹角为0°时，BF的是自由光谱范围大小是16404GHz，远远大于150GHz，而倾斜角的增大对自由光谱范围的影响还不足以使之小于150GHz。根据激光振荡原理，所设计光源系统的选模元件BF满足选模条件，系统最终定会输出频率可以调节的稳定的单频激光光源。

四、结束语

本文设计了一种频率可调谐的单频激光光源系统，采用PBS加双波片构成的BF实现单纵模的选择，通过调节双波片之间快轴的夹角来实现单频激光频率的调谐。详细阐述了光源系统的方案设计、工作原理以及可行性分析。后期计划搭建实验系统对此光源系统进行深入的实验研究，希望对光谱学、光通信、精密测量等领域有所贡献。

作者简介：

山杜娟（1990年3月——），女，汉族，陕西西安人，硕士，助理工程师，西安体育学院，从事网络计算机、光电子学研究。