波长扫描激光器 | RP 系列激光分析设计软件

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对于某些应用，需要在一定范围内周期性地调谐激光源的光波长。在某些情况下，需要在相对较大的范围内进行调谐，例如100 nm或更大，并且调谐速度相当快，扫描频率为数十或数百千赫兹，有时甚至超过1 MHz；传统的可调谐激光器不能那么快地调谐。波长扫描激光器的运行意味着瞬时频率的快速周期性变化的激光输出。通常，具有一种三角频率调制：近似线性的向上和向下扫描，每个占据扫描周期的一半。然而，在一些情况下，频率相对于时间的瞬时波长基本上偏离这种三角形形状。

操作原则

为此目的已经开发了各种波长扫描激光器，最重要的工作原理如下所述。

当前调整

许多激光二极管在某种程度上可以通过调制其驱动电流来进行波长调谐，主要是因为这会影响结温。由于涉及的有效体积相对较小，结温可以对驱动电流的变化做出快速反应。因此，相对快速的波长调谐是可能的。

如果没有额外的措施，通常无法实现精确的线性频率线性调频。人们可以应用输入电流的时间形式的预失真来改善这一点。此外，可以通过应用光电反馈来提高频率扫描的精度。

激光谐振腔中的波长扫描滤波器

在许多情况下，波长扫描激光器的基本工作原理如下。一种是激光器，其增益介质具有较大的增益带宽，其激光谐振腔内有一个快速带通滤波器。如果调节滤光片的传输波长，激光波长也会随之变化，除非达到一定的速度限制。对于高速调谐，谐振器的光子寿命短是有利的，即理想地短谐振器与高往返功率损耗相结合。当接近调谐速度的极限时，激光器不会达到稳态性能参数，例如关于其瞬时性能参数。带宽，但这对于应用程序来说可能不是问题。另一方面，很容易获得慢频率扫描。

所解释的工作原理通常适用于光纤激光器和二极管激光器，后者通常采用外腔二极管激光器（ECDL）的形式。增益介质可以被视为半导体光放大器（SOA）。迄今为止最高的扫描频率是通过具有短谐振器和低光子寿命的半导体激光器实现的。另一方面，光纤激光器可以产生更高的输出功率，并且可以访问一些额外的波长区域。

常用的波长调谐元件如下:

·  法布里-珀罗干涉仪可以配备压电换能器，通常达到几十千赫的扫描频率，有时甚至达到几百千赫(具有机械共振激励)。

· 对于较低的扫描速度，也可以使用衍射光栅在用压电致动器倾斜的激光谐振器中。

· 一些设备基于MEMS技术(微机电系统)；低质量系统本质上更快。

傅立叶域锁模

傅里叶域锁模（FDML）与主动锁模类似，但不是简单地调制腔内损耗，而是调制腔内滤波器的传输波长。除了上一节中描述的类似工作原理之外，这里还可以将传输波长的调制与谐振器往返精确同步。结果，激光器在稳定状态下工作，谐振器模式中的光功率保持恒定。周期性变化的只是输出波长，但在这种激光器中，所有波长同时发生激光。与之前解释的扫频激光源的工作原理相比，这种工作模式受到的激光噪声要小得多，因为任何特定波长的激光不会在每次谐振器往返中重新建立。光子寿命不再是限制因素。

这种激光器的输出也可以被认为是强啁啾脉冲的周期性序列，类似于一些普通锁模激光器的超短脉冲，但脉冲持续时间太长，以至于后续脉冲实际上不再分离（即，其间功率较低）。

傅立叶域锁模可实现最高的扫描频率。

当然，傅里叶域锁模原理引入了一定的约束。调制频率需要与谐振器的往返时间精确同步。它实际上也可以是往返频率的整数倍，从而产生相应更高的扫描频率。对于非常低的扫描频率，需要一个很长的谐振器，这可能不切实际；然而，这种激光器对于高扫描频率非常有用，这有利于光学相干断层扫描等应用（见下文）。事实上，最高扫描频率（有时甚至在商业产品中也高于 1 MHz）是通过傅里叶域锁模实现的。

色散调谐源

还可以实现不需要腔内带通滤波器的波长扫描激光源。相反，它们可以基于色散调谐。本质上，这意味着激光器的主动锁模，其中谐振器包含具有大色散的元件。对于恒定的调制频率，激光器将在激光器选择的波长下发射短（通常为皮秒）脉冲，以使往返时间与调制频率匹配。通过在某个窄范围内调整调制频率，可以调整激光器以在不同的波长上工作。调谐速度受到激光器寻找新稳态的需要的限制。

锁模激光加色散延迟线

另一种可能性是使用飞秒激光器并通过具有强色散的 延迟线发送其输出脉冲。这会产生更长、更强的线性调频输出脉冲，同时也执行频率扫描。与其他扫频源相比，输出功率并非近似恒定，而是随扫频频率进行强烈调制。虽然这种技术方法可能相对昂贵，但它可以应用于非常宽带的激光器，从而获得尽可能高的轴向图像分辨率。

波长校准

通常不能期望波长扫描激光器表现出非常恒定的频率扫描速率，这对于光谱学应用来说是理想的。然而，可以将这种激光源与自参考光源结合起来频率梳用于波长校准。

波长扫描激光器的应用

波长扫描激光器的典型应用是频域光学相干断层扫描(FD-OCT)，例如用于眼科和皮肤科。（该方法更具体地也称为SS-OCT。）这里，需要扫描较宽的波长范围，以便在激光束的方向上实现高空间分辨率。同时，需要非常高的扫描速度，因为这样可以实现快速图像采集。

另一个应用是光纤传感器的询问。传感器光纤可能包含多个具有不同反射波长的光纤布拉格光栅，这些光栅在所有温度条件下都对局部应变敏感。为了快速询问多个此类传感器，有必要在大范围内快速扫描探测激光波长，而波长扫描激光器非常适合此目的。

有一些应用波长扫描激光的激光测距方法。

在某些情况下，应用快速波长扫描是为了抑制受激布里渊散射（SBS）引起的非线性反射，特别是在高功率光纤放大器中 。