基于光谱控制的相干长度连续调谐激光技术研究

Coherence length tunable lasers with high stability are required for broad applications in optical coherence tomography, laser speckle contrast imaging, and high accuracy surface figure error testing technologies. Currently, most of the lasers with tunable coherence length are realized by using optical feedback in semiconductor lasers, adjusting the cavity lengths, or controlling spectrum in the outer chamber. For the poor stability and low optical efficiency in current methods, innovative tuning of coherence length by inserting dispersive elements to the resonant cavity is designed. By theoretical simulation of the physical process of mode competition, the impact of the mode competition to multimode laser is derived. Then, the relationship between the coherence length and the dispersion rate of the dispersive elements is achieved, and the dispersive elements are optimized. Finally, the output laser with continuously tunable coherence length in solid-state lasers is experimentally verified, and the factors affecting laser characteristics are analyzed. An output laser characterized with high stability and continuous tunability will be achieved, and could be extended to other wavelengths for coherence lengths adjustment.

相干长度连续可调的高稳定性激光器在光学相干断层扫描、激光散斑成像、高精度面形检测等技术领域有广阔的应用前景。目前，激光相干长度的调谐大多采用半导体激光器光反馈、调节激光器腔长或在腔外控制光谱等方式来实现。针对目前方案中光源稳定性差、效率低等问题，创新性地在谐振腔内插入色散元件组，通过控制系统色散情况来控制激光光谱特性，从而实现相干长度的连续调谐。通过理论模拟模式竞争的物理过程，得出模式竞争对多纵模激光器运转的影响；通过理论分析色散元件的加入对输出激光相干长度的影响，优化设计色散元件组合；最后将基于固体激光器，进行相干长度连续调谐输出的实验验证，以及影响输出激光特性的因素分析。该方案有望实现高稳定性、连续可调的激光输出，并可推广至多波段激光实现其相干长度的可调谐输出。

相干长度连续可调的高稳定性激光器在光学相干断层扫描、激光散斑成像、高精度面形检测等技术领域有广阔的应用前景。目前，激光相干长度的调谐大多采用半导体激光器光反馈、调节激光器腔长或在腔外控制光谱等方式来实现。针对目前方案中光源稳定性差、能量损失严重等问题，创新性地在谐振腔内插入了色散元件组，通过控制系统色散情况控制了激光光谱特性，从而实现了相干长度的连续调谐。 . 本项目首先对高稳定性激光器进行了优化设计，分析了影响相干长度可调激光器输出激光功率稳定性的各种因素，得出腔长、耦合输出镜透过率、激光模式、外部环境振动等因素会影响输出激光功率及功率稳定性，并对相关参数进行了模拟优化；然后分析并实验验证了色散元件的选择对输出激光相干长度及输出功率稳定性的影响，模拟计算了输出激光相干长度对色散元件（棱镜组、光栅、标准具）的依赖关系，得出相干长度与棱镜组扩束倍率之间存在线性关系，并与标准具倾斜角度相关等结论，优化设计了色散元件组合方式； 之后，实验验证了基于光谱控制原理调节激光相干长度的方法，其中，棱镜组加光栅法获得了功率稳定性（RMS）0.45％、相干长度12～48cm的1064nm、功率百毫瓦级的输出激光；标准具法获得了功率稳定性（RMS）0.37%、相干长度9.37 ~20.05 cm、功率375 mW的1064nm基模激光输出；最后，对相干长度可调激光器系统进行了集成设计及封装。. 本项目方案可以实现高稳定性、可调谐、集成方便的激光输出，并可推广至多波段激光（如532mn）实现其相干长度的可调谐输出，拓展其应用范围。