专利名称：具有选择性热控制的外腔激光器的利记博彩app
背景技术：
光纤电信系统对带宽的增加有着持续的需求。来完成带宽扩展的一种方法是通过密集波分复用(DWDM)，其中在单根光纤中同时存在多个分开的数据流，每个数据流的调制发生在不同的信道上。每个数据流调制到以特定的信道波长操作的相应半导体发射激光器的输出束之上，来自半导体激光器的多个已调制输出被结合到单根光纤上以在它们各自的信道中传输。国际电信联盟(ITU)现在要求约0.4纳米或约50GHz的信道间隔。这种信道间隔允许单根光纤在当前可用的光纤和光纤放大器的带宽范围内承载多达128个信道。光纤技术的提高以及对更大带宽一直在增长的需求，在将来可能会产生更小的信道间隔。
在DWDM系统中使用的发射激光器一般基于以在反馈控制回路中相关的参考标准具来操作的分布反馈(DFB)激光器，所述参考标准具定义ITU波长栅格。与单个DFB激光器的制造相关的统计差异导致信道中心波长跨过波长栅格的分布，这样单个DFB发射器仅对单个信道或较少的相邻信道是可用的。已经发展连续可调谐的外腔激光器来克服这个问题。
连续可调谐电信激光器的出现已对电信传输系统引入了额外的复杂性。在大多数电信激光器发射器中，整个激光发射器件安装在具有高导热性的单个通用基体或平台上，该基体或平台受一个或多个TEC(热电控制器)的热控制。温度控制允许保持所有元件的热对准。没有热控制，就可能会因与所有元件的热控制的维持相关的膨胀和收缩而产生光学元件的空间不对准。没有热控制，就可能会因与各个元件相关的膨胀和收缩而产生光学元件的空间不对准，这将降低波长稳定性和激光器输出功率，并一般会降低激光器的性能。
对激光发射器中的每一个元件进行热控制往往不是最优化的。对所有元件的无差别热控制需要相当大的功率来为整个组件提供冷却，并且因为功率消耗不必要地增加了激光器操作成本。无差别热控制还会导致在激光器周围的环境中引入热耗散问题。在许多激光器构造中，某些激光器元件比较不容易热不对准，或者说不太容易发生热不对准的问题，向这种元件提供热控制就导致不必要的功率消耗。目前，还没有这样的激光系统，其对重要的光学元件提供有选择性的热控制。这种缺陷已导致这种激光器操作成本增加和性能降低。
发明内容
本发明涉及外腔激光器器件和方法，其中选择性的热控制被应用到更易热不对准的光学元件，而且其中避免了对其它激光器元件的不必要的热控制。本发明的装置包括用于热控制增益介质的光学输出模块，以及在共同的热控制基体或基底上的所选光学输出元件。本发明的方法包括选择性地冷却在共同的热控制基体或基底上的外腔激光器装置的增益介质和所选光学输出元件。
构造本发明的装置，使得仅仅需要热控制外腔激光器的对对准最敏感的元件。这样，激光器器件和冷却系统可构造成仅仅向外腔激光器的对准和温度敏感的最重要的元件提供热控制。不是温度敏感的部分分开安装到不同的基体或基底上，该基体或基底与温度控制基体远离或热隔离。可通过不同机制来调谐外腔激光器以允许在多个可选的波长信道处的发射。通过本发明避免了对调谐元件不必要的热控制。
本发明的外腔激光器可包括增益介质和末端镜，所述增益介质具有第一和第二输出面。增益介质从第一输出面沿着第一光路发射第一相干光束，从第二输出面沿着第二光路发射第二相干光束。末端镜位于第一光路中并光耦合到增益介质的第一输出面。光学输出组件或模块可位于第二光路中并光耦合到增益介质的第二输出面。末端镜和第二输出面定义了外腔，使得增益介质在所述外腔之中并接收从外腔来的光学反馈。
提供了导热基体，增益介质和光学输出组件安装在其中。导热基体设计成具有高的导热性和与增益介质匹配的热膨胀系数。光学输出组件的元件和增益介质是温度敏感的元件，将这些元件安装到一个具有高导热系数的共同基体上允许对输出组件的元件进行选择性的和精确的温度控制及冷却。
为导热基体提供热控制的热电控制器(TEC)可连接或耦合到导热基体。增益介质和光学输出组件构造成经由通过基体的热传导而热耦合到热电控制器并被其热控制。本发明的热电控制器允许增益介质和输出组件独立于末端镜和外腔激光器的其它元件而被热控制。
由热敏电阻提供对导热基体的温度监控，所述热敏电阻可操作地耦合到热电控制器和导热基体，这样就允许所述热敏电阻检测基体(并因此检测热耦合的增益介质和光学输出组件)中的温度变化。如果检测到对最优温度的任何温度偏差，热敏电阻发信号通知热电控制器调节基体的温度以保持一个可选的优化温度。
外腔激光器的末端镜可安装到与热电控制器热隔离的第二基体上。在某些实施例中，末端镜和其它与外腔相关的元件可一起安装到第二基体上或多个基体上，所述多个基体不同于或远离支持增益介质和光学输出模块的导热基体，或者与其热隔离。
第一准直透镜可包括在基体上，并位于第一光路中以准直沿着第一光路向末端镜发射的相干光束。光学输出组件可包括光耦合到增益介质的第二输出面上的第二准直透镜，并且第二准直透镜位于第二光路中并靠近增益介质的第二输出面。类似于增益介质和第一准直透镜，光学输出组件的第二准直透镜也安装到导热基体上，并构造成经由通过基体的热传导而被热电控制器热控制。
光学输出组件还可包括位于第二光路中并可操作地耦合到光纤的光纤聚焦透镜。光学输出组件还可包括位于第二光路中并光耦合到第二准直透镜的光学隔离器。在一些实施例中，光学隔离器在第二光路中位于第二准直透镜之后和光纤聚焦透镜之前，使得光纤聚焦透镜光耦合到光学隔离器。光学隔离器提供使光从增益介质到光纤的单向传输，并不一定是对准敏感的，但由于其紧邻对对准敏感的准直透镜和光纤聚焦透镜，其可方便地位于热控制基体上。
远离或者与导热基体及其温度控制器热隔离的外腔激光器的元件可包括，例如信道选择器和调谐组件。信道选择器可包括楔形标准具、光栅、光电标准具、坡度过滤器或其它波长调谐器件，信道选择器可在第一光路中位于增益介质的第一输出面和末端镜之间。调谐组件可操作地耦合到信道选择器并构造成经由平移和/或转动位置调节、电压调节或其它形式的调谐调节来调节信道选择器。调谐组件可包括例如步进电机，其构造成对第一光路中的楔形标准具进行位置调节。信道选择器和调谐组件被定位成使得导热基体以及其上的增益介质和光学输出组件受这样的热控制，其独立于或基本独立于与信道选择器和调谐组件相关的任何热特性或热控制。换言之，信道选择器和调谐组件与导热基体和热电控制器热隔离并远离导热基体。
在某些实施例中，光学输出组件可包括可用于评估外腔激光器沿着第二光路的输出波长的粗分光计。粗分光计安装到导热基体上并热耦合到TEC上。粗分光计可在第二光路中位于第二准直透镜之后和光学隔离器之前，或者在光学隔离器之后和光纤聚焦透镜之前。
在其它实施例中，光学输出组件可包括栅格标准具，其中栅格标准具安装到导热基体上并通过其热耦合到TEC。栅格标准具可在第二光路中位于第二准直透镜之后和光学隔离器之前，或者在光学隔离器之后和光纤聚焦透镜之前。
根据本发明，在单个导热基体上可受选择性的热控制的温度敏感元件包括增益介质、输出耦合光学件(准直透镜)和栅格标准具(标准具)，但不限于此。当栅格标准具是温度敏感的元件时，栅格标准具在一些实施例中可在单独的基体上受独立的温度控制。
本发明可在激光器装置中实施，所述激光器装置包括光学输出模块，所述模块自身包括安装到共同的导热基体上的增益介质和光学输出组件，并热耦合到热电控制器或其它温度控制源。光学输出组件在构造上可改变，但一般会构造成使得光学输出元件安装到导热表面上以调节对对准敏感的输出元件的温度。
本发明还提供了用于选择性地冷却外腔二极管激光器装置的方法。所述方法可包括提供具有第一和第二输出面的增益介质、光耦合到第一输出面的末端镜和光耦合到第二输出面的光学输出组件；以及独立于末端镜对增益介质和光学输出组件进行热控制。对增益介质和光学输出组件进行热控制可包括将增益介质和光学输出组件安装到导热基体上，以及将导热基体耦合到热电控制器。
图1是根据本发明具有选择性热控制的外腔激光器装置的示意图；图2A-2C是对图1的外腔激光器的楔形标准具、栅格标准具和外腔相对波长栅格中所选信道的通带特性的图形图示；图3A-3C是对图1的外腔激光器在波长栅格中的多个信道调谐的增益响应的图形图示；图4是根据本发明的热控制模块的透视图；图5是图4的热控制模块的俯视平面图；图6是外腔激光器中热控制模块的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式
更具体地参考附图，为说明的目的，本发明实施为图1到图6中所示出的装置和方法。应该认识到，所述装置可改变其构造和部件细节，所述方法可改变细节和事件的顺序，而不偏离这里所公开的基本概念。主要按照使用外腔激光器来公开本发明。但是，对本领域技术人员而言很明显本发明可用于其它类型的激光器和光学系统。还应理解这里所使用的术语仅仅是为了描述具体的实施例，而无意于限制本发明。
参考图1，示出了根据本发明的外腔激光器装置10，其提供对对准敏感的光学元件的选择性热控制。装置10包括增益介质12和末端反射器14。增益介质12可包括传统的法布里—佩罗(Fabry-Perot)二极管发射芯片，并具有涂覆有防反射(AR)层的前(第一)面16和部分反射的后(第二)面18。回射元件14可包括末端镜。外激光器腔由后面18和末端镜14来限定。增益介质12从前面16发射相干光束，透镜20使该光束平行而定义了与所述外腔的光轴共线的第一光路22。增益介质12从第二面18发射第二相干光束而形成第二光路21。增益介质12的前面16和后面18也相对于外腔的光轴校准。光学输出组件23位于第二光路21中并和第二输出面18相关，用于将外腔激光器10的输出耦合到光纤50中。
外腔激光器10包括栅格标准具元件和可调谐元件，分别在图1中示为栅格标准具24和楔形标准具26，它们在光路22中位于增益介质12和末端镜14之间。栅格标准具24一般在光路22中位于可调谐元件26之前，并具有平行反射表面28和30。栅格标准具24作为干涉过滤器来操作，并且由表面28和30之间的间距所定义的栅格标准具24的折射率与栅格标准具24的光学厚度，在通信频带中与所选波长栅格的中心波长相符的波长处导致极小值的多重性，所选波长栅格可包括例如ITU(国际电信联盟)栅格。或者也可选择其它波长栅格。栅格标准具具有相应于ITU栅格的栅格线之间间隔的自由频谱范围(FSR)，于是栅格标准具24操作以提供中心在波长栅格的每个栅格线上的多个通带。栅格标准具24具有精细度(finesse)(自由频谱范围除以半高全宽或FWHM)，所述精细度抑制外腔激光器在波长栅格的每个信道之间的相邻模式。
栅格标准具24可以是用固体、液体或气体间隔开的平行板状标准具或其它类型的标准具，并可通过经由温度控制的热膨胀和收缩而精确确定表面28和30之间的光学厚度来调节。可通过倾斜栅格标准具而改变表面28和30之间的光学厚度，或者通过对光电标准具材料施加电场来调节栅格标准具24。栅格标准具24还可在激光器操作期间主动调节，如题为“连续调节栅格生成器的外腔激光器(External Cav的Laser withContinuous Tuning of Grid Generator)”、发明人为Andrew Daiber的美国专利申请Ser.No.09/900,474，该申请和本申请一起递交并在此通过引用而结合进来。
楔形标准具26也用作干涉过滤器，具有形成锥形形状的不平行反射面32和34。可沿着激光器轴来细微改变表面32和34之间的间隔，间隔的改变量小于或等于操作的波长，这种间隔的改变是通过将表面32和34延伸到光束所能照到这些表面的区域之外，以及逐渐减小这些表面的间隔，以使得表面间的锥度小到足以忽略或忍受表面32和34之间跨越激光光束的厚度变化，并使得所述锥度大到过滤器跨越激光光束的宏观运动会引起表面32和34之间距离沿着光束的微观变化。表面32和34之间的空间可被气体、液体或固体填充。可以通过以下手段来改变表面32和34之间的空间热膨胀固体标准具；热、压电或微机械地膨胀气体或液体标准具中的间隙；倾斜气体、固体或液体标准具；改变气体标准具的压力；用光电材料作为间隔件并用所施加的电场来改变折射率；在间隔层中使用非线性光学材料并用第二光束来产生通路长度变化；或适于波长调节的任何其它系统或方法。
如图1中所示的楔形标准具信道选择器26仅仅是可根据本发明在外腔激光器中使用的一种可调谐元件。可在本发明中使用各种其它类型的信道选择器。在美国专利No.6,108,355中描述了将一种空气间隙的楔形标准具用于信道选择，其中所述“楔”是由相邻基体定义的锥形空气间隙。在发明人为Andrew Daiber、于2001年3月21日递交的美国专利申请Ser.No.09/814,646中描述了使用枢轴可调的光栅器件作为由光栅角度调整来调谐的信道选择器，以及在外腔激光器中使用通过选择性的施加电压来调谐的光电可调谐信道选择器。在美国专利申请Ser.No.09/814,646和与本申请一起递交的发明人为Hopkins等人、题为“坡度薄膜楔形干涉过滤器及其用于激光调谐的方法(Graded Thin Film Wedge Interference Filter andMethod of Use for Laser Tuning)”的美国专利申请Ser.No.09/900,412中描述了，使用平移调谐坡度薄膜干涉过滤器来作为信道选择器。这里通过引用而结合了上述公开。
在一些情况下为清楚起见而夸大了外腔激光器10的各种光学元件的相对大小、形状和元件间的距离，这些元件的大小、形状和元件间的距离不一定按比例示出。外腔激光器10可包括其它元件(未示出)，例如聚焦和准直元件，以及构造成去掉与外腔激光器10的各个元件相关的伪反馈的偏振光学件。
由楔形标准具26所定义的通带大体上宽于栅格标准具24的通带，楔形标准具26的更宽通带实际上是对应于由栅格标准具24所定义的最短和最长波长信道之间间隔的周期。换言之，楔形标准具26的自由频谱范围对应于由栅格标准具24所定义的波长栅格的全波长范围。楔形标准具26具有抑制与一特定所选信道相邻信道的精细度。
通过改变楔形标准具26的表面32和34之间的光学厚度，楔形标准具26被用来在多个通信信道之间选择。这通过沿着x轴平移或驱动楔形标准具26来完成，此方向平行于楔形标准具26锥形的方向并垂直于光路22和外腔激光器10的光轴。由楔形标准具26所定义通带中的每一个都支持一个可选择的信道，当楔子前进或平移到光路22中时，沿着光路22行进的光束穿过楔形标准具26逐渐变厚的部分，这些部分在较长波长的信道处支持相对表面32和34间的相长干涉。当楔形标准具26从光路22中撤出时，光束将经历楔形标准具26逐渐变薄的部分并将通带暴露给光路22，这些通带相应地支持更短波长的信道。如上面注意到的，楔形标准具26的自由频谱范围对应于栅格标准具24的全波长范围，这样就可以跨越波长栅格来调谐通信频带中的单个损失最小值。从栅格标准具24和楔形标准具26到增益介质12的组合反馈支持在所选信道的中心波长处发出激光。在整个调谐范围内，楔形标准具26的自由频谱范围都宽于栅格标准具24的。
经由调谐组件来对楔形标准具26进行位置调谐，该组件包括驱动元件36，其被结构化并配置成能根据所选信道可调地定位楔形标准具26。驱动元件36可包括步进电机以及适于精确移动楔形标准具26的硬件。或者驱动元件可包括各种类型的驱动器，包括而不限于DC伺服电机、螺线管、音圈驱动器、压电驱动器、超声驱动器、形状记忆器件以及类似的线性驱动器。
驱动元件36可操作地连接到控制器38上，控制器38提供信号来通过驱动元件36控制楔形标准具26的定位。控制器38可包括数据处理器和存储器(未示出)，该存储器中存储楔形标准具26对应于所选信道波长的位置信息的查找表。控制器38可在驱动元件36之内，或者可在其外并如下所描述的在其它元件中共享本发明定位和伺服的功能。
当外腔激光器10被调谐到不同的通信信道时，控制器38根据查找表中的位置数据发信号通知驱动元件36，而驱动元件36将楔形标准具26平移或驱动到正确的位置，其中楔形标准具26位于光路22中那部分的光厚度提供了支持所选信道的相长干涉。可结合楔形标准具26和驱动元件36使用线性编码器40，用于保证通过驱动器36来使楔形标准具26正确定位。
楔形标准具26可在其末端包括可光学检测的不透明区域42和44，它们用来在楔形标准具26已经被位置调谐到其最长或最短信道波长的时候验证楔形标准具26的位置。不透明区域42和44另外提供了一种在楔形标准具的位置调谐中可用的编码器机制。当楔形标准具26移到不透明区域42和44中的一个进入光路22的位置时，不透明区域42和44将阻挡或衰减沿着光路的光束。如下面进一步描述的，光的这种衰减是可检测的。因为不透明区域42和44在楔形标准具26上的位置可以精确确定，所以控制器38可预测不透明区域42和44何时进入光路22。不透明区域42和44在不同于所预测的点的点处出现在光路22中将表示编码器错误，控制器38可基于检测到不透明区域42和44出现在光路22中而做出合适的校正。可在楔形标准具26上的其它位置包括其它的不透明区域(未示出)。
在图2A到图2C中用图形图示了栅格标准具24、楔形标准具26以及由后面18和末端镜14所定义外腔间的通带关系，这些图示出了外腔通带PB1、栅格标准具通带PB2和楔形标准具通带PB3。在纵轴上示出相对增益，在横轴上示出波长。如图所见，楔形标准具26的自由频谱范围(FSR所选信道)大于栅格标准具24的自由频谱范围(FSR栅格生成器)，后者又大于外腔的自由频谱范围(FSR腔)。外腔的通带波峰PB1周期性地与由栅格标准具24的波长栅格所定义的通带PB2的中心波长对齐。有一个楔形标准具26的通带波峰PB3，其伸展在波长栅格的所有通带PB2之上。在图2A-2C中示出的特定例子中，波长栅格伸展在分隔开0.5纳米(nm)或62GHz的64个信道之上，最短波长信道在1532nm处，而最长波长信道在1563.5nm处。
栅格标准具24和楔形标准具26的精细度确定了相邻模式或信道的衰减。如上面所注意到的，精细度等于自由频谱范围除以半高全宽，或精细度＝FSR/FWHM。栅格标准具通带PB2在半高处的宽度示出在图2B中，而楔形标准具通带PB3在半极大值处的宽度示出在图2C中。栅格标准具24和楔形标准具26在外腔中的定位改善了边模式抑制(side modesuppression)。
在图3A-3C中用图形图示了在中心在1549.5nm处的信道与在1550nm处的相邻信道之间对楔形标准具26的通带PB3的调谐，其中示出了由栅格标准具24生成的信道的选择以及相邻信道或模式的衰减。为了清楚起见，图3A-3C中省略了在图2A-2C中示出的外腔通带PB1。栅格标准具24选择相应于栅格信道间隔的外腔周期纵向模式，而丢弃相邻的模式。楔形标准具26选择波长栅格中的特定信道并丢弃所有其它信道。对于在将近加减半个信道间隔的范围内的过滤器偏移，所选的信道或激光作用模式在某个特定的信道处不变。对于更大的信道偏移，激光作用模式则跳到下一个紧邻信道上。
在图3A中，楔形标准具通带PB3中心在1549.5nm的栅格信道处。与在1549.5nm处的通带PB2相关的相对增益较高，而与在1549.0nm和1550.0nm处紧邻的通带PB2相关的相对增益水平则相对于所选的1549.5nm信道而被抑制了。与在1550.5nm处和1548.5nm处的通带PB2相关的增益则进一步被抑制。虚线表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
图3B示出了在1549.5nm和1550.0nm处的信道间的位置处的楔形标准具通带PB，这在信道切换期间出现。与在1549.5nm和1550.0nm处的通带PB2相关的相对增益都较高，两个信道中没有一个被抑制。与在1549.0nm和1550.5nm处的通带PB2相关的相对增益水平则相对于1549.5nm和1550.0nm的信道而被抑制了。虚线表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
图3C示出了中心在1550.0nm的栅格信道处的楔形标准具通带PB3，与在1550.0nm处的通带PB2相关的相对增益较高，而与在1549.5nm和1550.5nm处的通带PB2相关的相对增益水平则相对于所选的1550.0nm信道被抑制了，并且与在1551.0nm和1549.0nm处的通带PB2相关的增益则进一步被抑制了。虚线也表示没有楔形标准具26的抑制时通带PB2的相对增益。
光学输出组件23构造成将来自增益介质面18的输出光耦合到光纤50中。在这点上，输出组件23包括位于第二光路21中的光纤聚焦透镜52，并通过光纤套圈(fiber ferrule)54而光耦合到光纤50上。第二准直透镜56光耦合到输出面18并位于第二光路46中第二输出面18与光纤聚焦透镜52之间。光学隔离器58在第二光路46中位于第二准直透镜56之后及光纤聚焦透镜52之前。
在图1中所示的实施例中，光学输出组件23、增益介质12和第一准直透镜20都是热控制模块60的部分。在热控制模块60中，光学输出组件23、增益介质12、准直透镜20和“狗骨状”安装元件62都安装在导热基体64上。基体64连接或安装到热电控制器66上，热电控制器66构造成独立或基本独立于外腔激光器10的其它元件而来对模块60进行热控制。栅格标准具24和末端镜14在图1中示为远离基体64定位并安装到不同的基体68上。由模块60提供的对所选光学元件使用热控制，通过有选择地仅仅加热对对准敏感的重要光学元件和光学表面，而降低操作装置10的功率要求。
增益介质12(和面16、18)以及准直透镜20、56和光纤聚焦透镜52的表面，代表了装置10的许多对对准敏感的重要光学表面，而且增益介质12和透镜20、52、56包括在热控制模块60中并安装到温度控制基体64之上，以允许对这些元件的精确热控制，而不用对装置10中的其它元件进行不必要的热控制。位于基体68上的末端镜14和栅格标准具24与热控制模块60中的导热基体64热隔离或基本上热隔离，使得经由导热基体对增益介质12、准直器20和输出组件23的热控制不会涉及对末端镜14和栅格标准具的直接、有意的热控制。由驱动元件36和编码器40提供的调谐组件可安装到基体68上，由此相对基体64热隔离。控制器38可类似地安装到基体68上。
在一些实施例中需要由单独的热电控制器(未示出)来对栅格标准具24单独提供热控制。在其它实施例中，栅格标准具24可如下面进一步描述地包括在导热基体64上。应考虑到在一些情况下，模块60的加热或冷却可通过辐射热传递或经由在下面的共同基底(未示出)的无意热传导，而导致对激光器装置10的其它部分的间接热化，所述共同基底支持基体68和热电控制器66。
更具体地参考图4和图5，可见热控制模块60允许将激光器输出元件置于基体64上，基体64不同于基体68或支持其它外腔激光器元件的基体并与其分开。热控制模块60包括安装到激光器光学输出组件基体68上的以下部分有输出面16、18的二极管发射芯片(增益介质)12，准直透镜20、56分别光耦合到面16、18上；狗骨状导热组件62；热敏电阻70；光学隔离器58；光纤聚焦透镜52；和光纤套圈54。图4还示出了用于向模块60提供功率的电线72。
模块60的基体64粘接到热电控制器66，热电控制器66经由热敏电阻70监视基体64的温度并对基体64以及其上的以下元件提供热控制增益介质、准直器20和56、光纤聚焦透镜52、光纤套圈54和光学隔离器58。增益介质面16、18以及准直器20、56和透镜52的表面，给出了激光器装置10的对对准敏感的几个更重要光学表面，并且将所有这些元件包括在单个热控制基体64上允许对这些元件的集体温度控制，以防止由于热不一致的光学对准问题。
基体64和狗骨状安装件62理想地包括高导热性的材料，例如金属、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、或这些的合金、混合物(blend或mixture)或化合物。在某些实施例中，基体64和安装元件62包括氮化铝、碳化硅或碳化硅混合物(合金)。安装元件62和基体64构造成增益介质12通过安装元件62而热耦合到基体64。基体64和安装元件62可与增益介质12在CTE(热膨胀系数)上匹配。
光纤套圈54、光学隔离器58、安装元件62以及透镜20、52和56优选地通过导热粘接剂或焊接剂安装或连接到基体64上，所述粘接剂或焊接剂可以与每个具体元件是CTE匹配的。增益介质12用导热粘接剂或焊接剂以相似的方式连接到安装件62上，所述粘接剂或焊接剂可以与增益介质12和安装元件62是CTE匹配的。安装元件62、光纤套圈54以及透镜20、52和56可以构造和配置成能改善与基体64的热接触。在这点上，透镜20、52和56可装在合适的导热壳中以改善与基体64的热接触。基体64类似地可包括凹槽、凹口或其它表面特征(未示出)，以优化与前述元件的热接触。本领域技术人员公知的各种其它热控制设想都可在以下操作中使用将元件62、光纤套圈54以及透镜20、52和56安装到基体64上；将基体64耦合到热电控制器66；以及将热敏电阻70耦合到基体64和热电控制器66。
更具体地参考图5，粘接垫74包括在狗骨状安装元件62的一端上，安装元件62支持电导体76。导体76耦合到安装件62上的第二粘接垫78。粘接垫78上的导体80耦合到增益介质12上表面上的电极82上。导体84耦合到增益介质下表面上的电极上(未示出)，以允许以传统的方式将驱动电流传导到增益介质12。
再参考图1以及图4和图5，在激光器装置10的操作中，驱动电流施加到增益介质12上，增益介质12从涂覆有防反射涂层的面16沿着通路22发射相干光束到末端镜14，末端镜14提供对增益介质12的光学反馈，增益介质12输出另一相干光束穿过输出组件23进入光纤50。楔形标准具26可相对光路22移动以按上述方式调谐激光器的输出。在泵激增益介质12期间，热电控制器66冷却基体64以抵消由增益介质12在操作时生成的热。因为增益介质12、准直器20和输出组件23经由基体64而热耦合到热电控制器66，所以增益介质12、准直器20和输出组件23的温度不变或基本不变，由此防止了耦合到基体64上的元件由于热波动而产生的不对准或不一致。在激光器操作期间经由基体64和热电控制器66对增益介质12的冷却还有助于避免输出面16上的防反射涂层(未示出)的降解和老化。
当外腔激光器10未使用时，增益介质12、准直器20和输出组件23可通过热电控制器66和基体64而维持在不变的温度处，使得模块60上的各个光学表面温度高于外腔激光器的外围部分的温度。在断电期间保持模块60上元件的较高温度有助于避免在模块中重要光学表面上凝聚水气或挥发性有机化合物，而如果允许模块的元件冷却下来就会发生在重要光学表面上凝聚水气或挥发性有机化合物的现像。与本申请一起递交的发明人为Sell等人、题为“隔离密封的外腔激光器系统和方法(HermetcallySealed External Cavity Laser System and Method)”的美国专利申请Ser.No.09/900,423中描述了在隔离密封的容器中对外腔激光器的所选光学元件有选择的加热，这里通过引用而结合了该申请。
通过将各种其它光学元件安装到基体64或根据本发明的其它热控制基体上，可使各种其它光学元件受到选择性的热控制。图6是光学热控制模块86的另一个实施例的示意图，其中相似的标号用来指示相似的部分。在图6的实施例中，栅格标准具24安装到基体64上而非激光器外腔中的其它位置，并通过基体64而热耦合到热电控制器66。如图所示，栅格标准具24可在第二光路21中位于第二准直透镜56之后和光学隔离器58之前，或者在光学隔离器58之后和光纤聚焦透镜54之前。通过导热基体64和热电控制器66来将栅格标准具24热控制在所选的固定温度处，能保持栅格标准具的频率栅格不变，并保持栅格标准具24的表面相对光路21的优化对准。或者栅格标准具24可位于其它地方，例如如图1所示的在第一光路22中，并如上所考虑的受到单独的热控制。
图6的热控制模块86还包括粗分光计(coarse spectrometer)88，其安装到导热基体64上并通过基体64热耦合到热电控制器66。粗分光计88用于本发明的、要求到光纤50的光学输出的波长特性的实施例中，例如在用于测试和测量目的的外腔激光器中。粗分光计88安装到导热基体64上，并在光路21中位于隔离器58之后和光纤聚焦透镜52之前。或者粗分光计88可在光路21中位于准直透镜56之后和隔离器58之前。
虽然已经参考其中的具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解在不偏离本发明的真正精神和范围的前提下可进行各种修改及用等同物替换。此外，可对本发明的目的、精神和范围做许多修改以适应具体的情况、材料、物质成分、工艺、工艺步骤或步骤。所有这些修改都在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种激光器装置，包括(a)增益介质，具有第一和第二输出面；(b)反射器，所述反射器和所述第一输出面定义外腔；(c)光学输出组件，光耦合到所述第二输出面；(d)导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件安装到所述导热基体上；(e)热电控制器，连接到所述导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件构造成经由通过所述基体的热传导而被所述热电控制器热控制；和(f)所述反射器位于远离所述导热基体和所述热电控制器的位置。
2.如权利要求1所述的激光器装置，其中所述导热基体具有与所述增益介质的匹配的热膨胀系数。
3.如权利要求1所述的激光器装置，还包括(a)信道选择器；(b)调谐组件，可操作地耦合到所述信道选择器上并构造成用来调节所述信道选择器；(c)所述信道选择器和所述调谐组件位于远离所述导热基体的位置。
4.如权利要求1所述的激光器装置，还包括光耦合到所述第一输出面的第一准直透镜，所述第一准直透镜安装到所述导热基体上并构造成由通过所述基体的热传导而被所述热电控制器热控制。
5.如权利要求1所述的激光器装置，其中所述输出组件包括光耦合到所述第二输出面上的第二准直透镜。
6.如权利要求4所述的激光器装置，其中所述光学输出组件还包括光学隔离器，所述光学隔离器光耦合到所述第二准直透镜。
7.如权利要求4所述的激光器装置，其中所述光学输出组件还包括光纤聚焦透镜，所述光纤聚焦透镜光耦合到所述光学隔离器和光纤。
8.如权利要求1所述的激光器装置，还包括热敏电阻，可操作地耦合到所述导热基体和所述热电控制器。
9.如权利要求1所述的激光器装置，还包括栅格标准具，所述栅格标准具安装到所述导热基体上。
10.如权利要求4所述的激光器装置，其中所述光学输出组件还包括粗分光计，所述粗分光计安装到所述导热基体上。
11.如权利要求1所述的激光器装置，其中所述增益介质、所述光学输出组件、所述导热基体和所述热电控制器被隔离密封在惰性气体中。
12.如权利要求1所述的激光器装置，其中所述导热基体包括从氮化铝、碳化硅和碳化硅/氮化铝合金中选择的一种材料。
13.如权利要求3所述的激光器装置，其中所述反射器、所述信道选择器和所述调谐组件安装到不同的第二基体上。
14.一种外腔激光器装置，包括(a)增益介质，具有第一和第二输出面，所述增益介质从所述第一输出面沿着第一光路发射第一相干光束，从所述第二输出面沿着第二光路发射第二相干光束；(b)末端镜，位于所述第一光路中，所述末端镜和所述第一输出面定义外腔；(c)光学输出组件，位于所述第二光路中；(d)导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件安装到所述导热基体上；(e)热电控制器，连接到所述导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件通过所述导热基体而热耦合到所述热电控制器；和(f)所述末端镜，与所述热电控制器热隔离。
15.如权利要求14所述的外腔激光器装置，其中所述导热基体具有与所述增益介质匹配的热膨胀系数。
16.如权利要求14所述的外腔激光器装置，还包括(a)信道选择器，在所述第一光路中位于所述第一输出面和所述末端镜之间；(b)调谐组件，可操作地耦合到所述信道选择器并构造成用来调节所述信道选择器；和(c)所述信道选择器和所述调谐组件与所述导热基体和所述热电控制器热隔离。
17.如权利要求16所述的外腔激光器装置，其中(a)所述信道选择器包括楔形标准具；以及(b)所述调谐组件包括步进电机，所述步进电机构造成对所述第一光路中的所述楔形标准具进行位置调节。
18.如权利要求17所述的外腔激光器装置，其中所述调谐组件还包括光学编码器，所述光学编码器构造成用来监控所述步进电机和所述楔形标准具的定位。
19.如权利要求14所述的外腔激光器装置，还包括第一准直透镜，位于所述第一光路中并靠近所述第一输出面，所述第一准直透镜安装到所述导热基体上并通过所述导热基体而热耦合到所述热电控制器。
20.如权利要求14所述的外腔激光器装置，其中所述光学输出组件包括(a)光纤聚焦透镜，位于所述第二光路中并光耦合到光纤；(b)第二准直透镜，在所述第二光路中位于所述第二输出面和所述光纤聚焦透镜之间；(c)光学隔离器，在所述第二光路中位于所述第二准直透镜之后和所述光纤聚焦透镜之前。
21.如权利要求20所述的外腔激光器装置，还包括栅格标准具，安装到所述导热基体上并热耦合到所述热电控制器，所述栅格标准具在所述第二光路中位于所述第二准直透镜之后。
22.如权利要求20所述的外腔激光器装置，还包括粗分光计，安装到所述导热基体上并热耦合到所述热电控制器，所述粗分光计在所述第二光路中位于所述第二准直透镜之后。
23.一种外腔激光器装置，包括(a)增益介质，具有第一和第二输出面，所述增益介质从所述第一输出面沿着第一光路发射第一相干光束，从所述第二输出面沿着第二光路发射第二相干光束；(b)末端镜，位于所述第一光路中，所述末端镜和所述第一输出面定义外腔；(c)光学输出组件，位于所述第二光路中；(d)导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件安装到所述导热基体上；(e)热电控制器，连接到所述导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件通过所述基体而热耦合到所述热电控制器；和(f)所述末端镜，定位成允许所述热电控制器独立于所述末端镜对所述增益介质和所述光学输出组件进行热控制。
24.如权利要求23所述的外腔激光器装置，还包括(a)信道选择器，在所述第一光路中位于所述第一输出面和所述末端镜之间；(b)调谐组件，可操作地耦合到所述信道选择器上并构造成用来调节所述信道选择器；和(c)所述信道选择器和所述调谐组件定位成允许所述热电控制器独立于所述信道选择器和所述调谐组件而对所述增益介质和所述光学输出组件进行热控制。
25.一种激光器装置，包括(a)增益介质，具有第一和第二输出面；(b)末端镜，光耦合到所述第一输出面；(c)光学输出组件，光耦合到所述第二输出面；(d)第一基体，所述第一基体是导热的，所述增益介质和所述光学输出组件安装到所述第一基体上；(e)热电控制器，连接到所述第一基体，所述增益介质和所述光学输出组件构造成经由通过所述第一基体的热传导而被所述热电控制器热控制；和(f)第二基体，所述末端镜位于所述第二基体上并与所述热电控制器热隔离。
26.一种激光器装置，包括(a)增益介质，具有第一和第二输出面；(b)末端镜，光耦合到所述第一输出面；(c)热电控制器，热耦合到所述增益介质并构造成独立于所述末端镜来热控制所述增益介质。
27.如权利要求26所述的激光器装置，还包括光学输出组件，光耦合到所述第二输出面并热耦合到所述热电控制器，所述热电控制器构造成用来热控制所述光学输出组件。
28.一种选择性地冷却激光器装置的方法，包括(a)提供具有第一和第二输出面的增益介质、光耦合到所述第一输出面的末端镜和光耦合到所述第二输出面的光学输出组件；以及(b)独立于所述末端镜而对所述增益介质和所述光学输出组件进行热控制。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述热控制包括(a)将所述增益介质和所述光学输出组件安装到第一导热基体上，所述第一导热基体耦合到热电控制器；以及(b)将所述末端镜安装到第二基体上，所述第二基体与所述第一基体和所述热电控制器热隔离。
30.一种激光器装置，包括(a)增益介质；(b)反射器，所述反射器和所述增益介质的一个输出面定义激光器外腔；和(c)用于向所述增益介质提供独立于所述反射器的选择性热控制的装置。
31.如权利要求30所述的激光器装置，还包括(a)光学输出组件，光耦合到所述增益介质；和(b)装置，用于向所述光学输出组件提供独立于所述反射器的选择性热控制。
32.如权利要求31所述的激光器装置，其中用于提供选择性热控制的所述装置包括(a)导热基体，所述增益介质和所述光学输出组件安装到所述导热基体上；和(e)热电控制器，连接到所述导热基体上，所述增益介质和所述光学输出组件构造成经由通过所述基体的热传导而被所述热电控制器热控制。
全文摘要
本发明公开了一种激光器装置，其中增益介质和光学输出模块安装到共同的导热基体上，所述导热基体对基体上的增益介质和光学输出模块提供选择性热控制，而避免了对其它激光器元件的不必要的热控制。本发明还公开了一种方法，用于选择性地冷却激光器装置的增益介质和输出元件。
文档编号H01S5/06GK1531768SQ02813671
公开日2004年9月22日 申请日期2002年7月5日 优先权日2001年7月6日
发明者安德鲁·约翰·戴贝尔, 安德鲁 约翰 戴贝尔 申请人:英特尔公司