具有反馈的可调谐透射光栅激光器的制作方法

具有反馈的可调谐透射光栅激光器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年6月3日提交的美国临时专利申请号63/034,268的优先权和权益，上述申请在此通过整体引用并入本文。


背景技术：

3.包括例如光频域反射仪(ofdr)、气体吸收线检测和光学相干断层扫描 (oct)的许多光学感测和成像技术使用高速激光波长扫描。通常，两个条件确定激光的激射波长。第一条件，也称为通过激光器腔的相位匹配条件，是光通过腔的一次往返累积2π
·
n弧度，其中n是整数。不同的n值对应于不同的腔模式，其表示腔的可能谐振频率。第二条件是通过腔的损耗小于增益，或者换句话说，腔中的透射效率大于零。满足该条件的波长范围(反映在波长相关的透射效率中)可以通过设计来控制，以限制可以存在于腔中的腔模式的数量。因此，波长相关的透射效率用作模式选择光谱滤光器。在用于波长扫描的可调谐激光器中，腔模式的波长位点(location)和光谱滤光器的波长位点通常彼此独立地可控。在这种调谐过程期间，希望在激射腔模式和滤光器光谱之间保持一定的对准。否则，如果选定的腔模式相对于滤光器发生偏移(shift)，则可能发生模式跳变——即从一个腔模式到另一个腔模式的突然波长跳跃。在激光波长扫描中，这种模式跳变通常是不期望的。因此，需要用于对准激光器的腔模式和滤光器光谱的方法，以避免或至少减少模式跳变。
附图说明
4.本公开提供了具有符号比例反馈的可调谐透射光栅激光器，该符号比例反馈有助于将激光器的腔模式与滤光器光谱对准。参考附图描述了各种实施例，其中：
5.图1是根据各种实施例的具有可控反射镜和透射光栅的示例可调谐激光器的基本配置的示意性俯视图；
6.图2a和图2b分别示意性地示出了用于图1的激光器的激光器腔模式的光谱和光栅滤光器光谱；
7.图3a和图3b以俯视图示出了图1的可控激光器和激光器的透射光栅之间的不同相对取向，图示了根据各种实施例的光栅滤光器光谱的调谐；
8.图4a和图4b是图1的可调谐激光器的示意性俯视图，图示了根据各种实施例的在不更改滤光器光谱的情况下偏移激光器的腔模式的方式，并且图4c在腔模式的光谱相对于滤光器光谱的示意描绘中图示了腔模式的光谱偏移；
9.图5a和图5b示意性地示出了图2a的激光器腔模式相对于图2b的光栅滤光器光谱分别处于未对准状态和对准状态；
10.图6是根据一个实施例的示例可调谐激光器的示意性俯视图，其具有透射光栅和围绕远程枢轴点可移动以促进无模式跳变调谐的反射镜；
11.图7a是图1的可调谐激光器的示意性俯视图，图示了偏心腔模式，如可以根据各种实施例间接监测以便于对准，并且图7b图示了相对于激光器的滤光器光谱的偏心腔模式；
12.图8是图1的可调谐激光器的示意性侧视图，图示了可控反射镜的倾斜角，如可以根据各种实施例调整；
13.图9是根据各种实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的示意性框图；
14.图10是根据各种实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的一部分的示意性俯视图，包括图1的可调谐激光器连同用于创建监测光束的第二透射光栅；
15.图11a是根据各种实施例的用于测量监测光束斑的象限检测器的示意性前视图，并且图11b以侧视图示出腔内光束斑相对于激光器的增益介质的对应位置；
16.图12是根据一个实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的一部分的示意性俯视图，该系统利用位置敏感二极管来测量监测光束的位点；
17.图13是根据一个实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的一部分的示意性俯视图，该系统利用成像阵列来测量监测光束的位点；
18.图14是根据一个实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的一部分的示意性俯视图，该系统被配置为跨接收器扫描监测光束；
19.图15a是根据一个实施例的具有反馈控制的可调谐透射光栅激光器系统的一部分的示意性俯视图，该系统被配置为利用小区域可移动接收器测量监测光束的位点，并且图15b是如可以在该实施例中使用的示例基于纤维的接收器的前视图；
20.图16是根据各种实施例的在可调谐激光器中将腔内光束与增益介质对准的方法的流程图。
21.图17是根据各种实施例的无模式跳变激光器调谐的方法的流程图。
具体实施方式
22.本文描述了一种可调谐激光器，其使用可控谐振器反射镜(resonator mirror) 结合模式选择透射光栅来促进波长扫描。还描述了一种将可调谐激光器的选定腔模式与激光器的光栅滤光器光谱对准并通过间接监测谐振腔内部的激光光束与激光器的增益介质对准的良好程度来最小化激光器中的腔损耗的途径。原则上，腔内光束相对于增益介质的移动可以为对准提供良好的反馈信号。然而，在增益介质周围放置检测器并屏蔽杂散光以直接测量激光器中的光束位置通常是不切实际的。根据各种实施例，通过使用第二透射光栅来衍射谐振腔内部使用的模式选择透射光栅的零级透射来创建腔内光束(在本文中也称为“监测光束”)的图像来规避该约束。监测光束可以向下聚焦以创建腔内光束在增益介质上创建的光束斑的图像。该监测光束斑从与模式到滤光器对准相关联的位置的位移可以用作反馈控制信号以调整模式选择光栅和/或可控反射镜。
23.从附图的以下详细描述将更容易理解前述概述。
24.图1图示了根据各种实施例的示例可调谐激光器100的基本配置。激光器 100(在俯视图中观察，即在光束在其中进行传播的平面(在本文中也称为“激光平面”)上的投影中)包括谐振腔和在谐振腔内部的增益介质102，在增益介质102中发生受激发射。在所图示示例中，增益介质102是二极管增益块103 的增益通道。然而，可以替代地使用其他类型的增益介质，诸如掺杂玻璃(例如，掺有铒或镱的熔融石英)、掺杂晶体(yag、钛蓝宝石、红宝石)、气体(氩、氖、氦、氟)和溶剂中的染料。谐振腔形成在两个谐振器反射镜104、106之间。
谐振器反射镜中的一个(如所示反射镜104)是可控的，并用作激光波长的调谐元件；该反射镜104在本文中也被称为作为“可控谐振器反射镜”或“可控反射镜”。另一个固定反射镜106可以由二极管增益块103的背面形成，如图所示。可替代地，可以将单独的反射镜放置在增益介质102的与可控反射镜104相对的一侧。不管具体实施方式如何，固定反射镜106通常被配置为将一部分激光耦合出腔并进入将激光用于某些目的的光学器件中。在腔内部，透镜108可以将光聚焦到增益介质102上，并对来自增益介质102的反射光进行准直。
25.激光器100进一步包括腔内透射光栅110(在本文中也被更简单地称为“透射光栅110”或简称为“光栅110”)，即透射而不是反射衍射光的衍射光栅。透射光栅110放置在可控反射镜104和增益介质102之间，并用作限制可以存在于“腔”中的波长的选择性损耗或滤光器。可控反射镜104定位在透射光栅110 的一级(或更高级)衍射的路径中，使得光栅110和可控反射镜104之间的光相对于增益介质102和光栅110之间的光成角度(例如，近似于直角)传播。
26.图2a示意性地示出了激光器100的腔模式200的光谱，图示了它们的均匀频率间隔。腔模式200的频率(并且因此，波长)取决于腔长度，例如，通过将可控反射镜104移动得更靠近或远离光栅110，可以改变腔长度。
27.图2b示意性地示出了激光器的滤光器光谱202，其取决于透射光栅110和反射镜104的配置。只有具有在滤光器光谱202内的波长的腔模式200可以存在于腔中；因此，透射光栅110用作模式选择元件。滤光器光谱202的光谱宽度δf是由腔中的光束照射的光栅110的区域的宽度的函数。滤光器光谱202的光谱位点(例如，如根据其峰频率f
p
(对应于峰波长λ
p
)定义)取决于光入射到光栅110和从光栅110衍射的角度以及反射镜104的角度。更具体地，滤光器光谱的峰的位置根据光栅等式确定：
28.d(sinθi–
sinθm)＝mλ，
29.其中d是衍射光栅的周期性(例如，刻划光栅中相邻凹槽之间的距离)，θi是来自增益介质102的光在光栅上的入射角，θm是衍射级m(m是整数)的衍射角，并且λ是波长。对于特定的入射角(θi)，滤光器峰波长λ
p
与衍射角θm的正弦成比例变化，衍射角θm与腔中反射回增益介质的光的部分相关联，并且该角度可以由反射镜104控制。即，在以多个角度衍射的光中，谐振器反射镜104凭借其相对于光栅110的取向来选择以一个角度反射回增益介质102的光。因此，可以通过在激光平面中旋转反射镜104来偏移激光器100的滤光器光谱202。
30.为了说明这个概念，图3a和图3b以俯视图描绘了激光器100的可控反射镜104和透射光栅110之间的不同相对取向，图示了根据各种实施例的滤光器光谱202的调谐。光栅110相对于增益介质102处于固定的位置和取向(导致在光栅110上的固定入射角θi)，但可控谐振器反射镜104相对于图3a和图3b 中的光栅110分别以两个不同的角度取向。光栅110以不同的相应角度衍射不同波长的光(分别由实线和虚线图示)，并且无论哪个波长正交入射到反射镜104 上，都被反射回增益介质102，从而在腔中增强。因此，倾斜反射镜有效地偏移滤光器光谱202，使得其峰出现在不同的频率f
p
和波长λ
p
处。
31.图4a和图4b在激光器100的俯视图中图示了在不改变滤光器光谱202的情况下偏移激光器的腔模式200的各种方式。图4c在腔模式200的光谱相对于滤光器光谱202的示意描绘中图示了腔模式的光谱偏移。模式的波长位点由以下等式确定：
[0032][0033]
其中n是整数，l
opt
是腔的光学长度，λ是波长，是腔中发生的所有相移的总和(诸如光栅衍射和金属反射)。沿正交于反射镜表面的大体方向400(这是将被反射回光栅110上的衍射光束402的方向)移动反射镜104(如图4a所示) 引起腔(具体地，在光栅110和反射镜104之间的腔的部分)的光学长度l
opt
的变化。可替代地，可以通过在与离开透镜108的准直光束平行的方向404上平移光栅110而不改变光栅的取向来改变腔的光学长度，如图4b所示；在这种情况下，增益介质102和光栅110之间的腔部分的长度发生改变。也可以在平行于光栅110的平面的方向406上平移光栅110，同样不改变光栅的取向。在这个方向406上的平移不会引起腔长度的改变，但它确实会引起相移的改变。如将理解的，光栅110在激光平面中的任何平移都可以描述为方向404、406上的平移的叠加，并且由于光学长度l
opt
和腔中的相移的改变的某种组合而引起腔模式200的偏移。
[0034]
因此，在激光平面内改变反射镜104的角度能够调谐滤光器光谱202的位点，同时移动可控反射镜104以便调整反射镜104和光栅110之间的距离，或者将光栅110偏移以调整增益介质102和光栅110之间的距离或腔中的相移，允许独立于滤光器光谱202调谐腔模式200的位点。到光栅或光栅位置的反射镜角度和反射镜距离一起可以用于控制腔模式200相对于滤光器光谱202的位点，从而选择腔中存在的单个模式，因为比任何其他模式放大更多。
[0035]
图5a和图5b图示了腔模式200和滤光器光谱202之间的两个相对位置，并指示了对应于具有最高增益的模示的相应选定模式500、502。通常期望选定模式502与滤光器光谱202的峰504对准，如图5b所示，以最大化激光的强度，尽管在某些情况下，可能期望选定模式与偏离滤光器峰504的位置对准。无论哪种方式，在激光调谐期间都应保持选定腔模式502和滤光器光谱202之间的对准。如果选定腔模式500和滤光器峰504变得未对准，例如，如果最初与滤光器峰504对准的腔模式从峰504偏移开，如图5b所示，不仅光束强度下降，而且当另一种模式更接近滤光器峰504时可能发生模式跳变。在激光波长扫描中，这种模式跳变通常是不期望的，并且应该避免或至少减少。当选定腔模式的调谐和滤光器光谱的调谐以在整个波长扫描中保持两者之间对准的方式协调时，可以实现无模式跳变激光调谐。
[0036]
图6是根据实施例的具有围绕远程枢轴点602可移动的可控反射镜的示例透射光栅可调谐激光器600的示意性俯视图，图示了实现连续对准的一种途径。远程枢轴点602通过三角关系将反射镜104的位置和角度联系在一起。在某些情况下，这可以实现无模式跳变调谐。在其他情境下，反射镜位置和反射镜角度之间经由枢轴点602的协调本身并不能保证消除模式跳变，但会减少任何未对准，从而减少所需的校正量。不幸的是，该枢轴点602上的容差通常非常严格，并且三角关系可能仅适用于有限的调谐范围。
[0037]
在各种实施例中，腔模式和模式选择滤光器之间的光谱对准是通过监测腔内激光光束和增益介质102之间的空间对准来实现的。再次考虑光栅等式，d(sin θi–
sinθm)＝mλ，具有不具有衍射角θm(其产生完全正交于反射镜的光束)的波长的激光器腔模式构成偏心模式。如图7a所示，这种偏心模式700的腔内光束斑在激光平面中从增益介质102的中心空间地位移。此外，由于进入增益介质 102的耦合减少，偏心模式700在光谱方面从滤光器光谱202的峰位移，如图 7b所示。相反，当激射腔模式处于光栅的低损耗(最大衍射)波长时，
衍射受限的光束斑与增益介质102良好对准并以最大效率耦合回到增益介质102中。因此，光束斑相对于增益介质102的移动以满足光栅等式是腔模式和光栅滤光器之间未对准的良好指标。
[0038]
可控反射镜104除了在激光平面中可旋转和可平移之外，还可以具有一个或多个附加自由度。例如，可控反射镜104可以具有关于相对于激光平面的倾斜角的附加自由度。沿着来自光栅110并被透镜108聚焦到增益介质102上的准直衍射返回光束，图8在激光器腔的侧视图中图示了该倾斜角800。倾斜角 800是围绕由反射镜平面与激光平面的相交限定的轴线的旋转角。该倾斜角800 通常被选择成使得反射光经光栅110衍射并被聚焦回到增益介质102上。如果倾斜角800关闭，则损耗被引入腔中。因此，期望调整倾斜角800以实现聚焦腔内光束与增益介质102也在正交于激光平面的方向(例如，如果激光平面被水平定向，则为竖直方向)上的对准。如果激光器可以制造成使得可以在一段时间内和在一定温度范围内以及在激光调谐期间保持低损耗角，则可以消除对倾斜角的调整。然而，如果可以控制倾斜角800，则可以在没有严格公差的情况下组装激光器，这带来了成本优势。这种控制可以使用来自增益介质102的光束斑的位移作为反馈信号来实现。
[0039]
图9是根据各种实施例的具有反馈控制以在一维或二维(在激光平面中和/ 或在垂直于激光平面的方向上)对准腔内光束的可调谐透射光栅激光器系统900 的示意框图。系统900包括如参考图1所描述的可调谐激光器100，具有在谐振腔内部的透射光栅110，用于模式选择，并具有可控谐振器反射镜104。可控反射镜104和/或透射光栅110沿各种自由度可移动，例如，通过合适的电子驱动致动器，诸如平移台、活塞、静电控制微机电系统(mems)致动器、音圈致动器和/或固定螺钉，如本领域普通技术人员所已知的那些。在一些实施例中，可控反射镜104可以在激光平面中线性移动，通常远离或朝向透射光栅110，以及在激光平面内旋转并相对于激光平面倾斜(如参考图3a至图4b所描述的)。透射光栅110本身同样可以在激光平面中可线性移动(如参考图4b所图示的)。
[0040]
控制器904可以控制反射镜104和透射光栅110的运动的这些自由度，以调谐可调谐激光器100的波长，同时将激光光束与增益介质对准。控制器可以通过硬件和/或软件的任何合适的组合来实施。例如，在一些实施例中，控制器由数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga) 或其他电子电路系统实施。在其他实施例中，控制器以在通用计算机上运行的软件实施，即，利用存储在存储器中并由计算机的一个或多个硬件处理器执行的处理器可执行指令。指令还可以单独存储在任何机器可读介质上，即能够存储、编码或携带用于由计算机器执行的指令以及由这些指令使用或与这些指令相关联的任何数据结构的任何介质。非限制性机器可读介质示例包括固态存储器以及光学和磁性介质。机器可读介质的具体示例包括：非易失性存储器，诸如半导体存储器设备(例如，电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom))和闪存设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；随机存取存储器(ram)；固态驱动器(ssd)；和cd-rom和dvd-rom 盘。在一些示例中，机器可读介质包括非暂时性机器可读介质。
[0041]
系统900进一步包括谐振腔外部的第二透射光栅906(下文也称为“腔外透射光栅”906)和位置监测子系统908，该第二透射光栅906折射腔内透射光栅 110的零级透射以生成监测光束，并且位置监测子系统908用于测量监测光束斑的移动及其从对应于腔内光束与增益介质对准的位置的位移。如所指出的，这种监测光束和光束斑的创建用于绕过腔内部
的空间限制，腔内部的空间限制将使检测器放置在增益介质102附近即使不是不可能的也是不切实际的。监测光束斑的测量的位置或位移作为反馈信号提供给控制器904，控制器904然后可以相应地调整谐振器反射镜104和透射光栅110。
[0042]
图10是根据各种实施例的可调谐激光器100连同第二腔外透射光栅1000 (对应于光栅906)以创建监测光束1002的示意性俯视图，其允许间接测量腔内激光光束从增益介质102的位移。第二透射光栅1000放置在谐振腔外部，在来自可控反射镜104的返回光束1004的零级透射(通过透射光栅110，设置在腔内)的路径中；这种零级透射在本文也被称为“零级返回光束”1006，而返回光束1004返回到增益介质102中的衍射被称为“折射返回光束”。
[0043]
第二透射光栅1000平行于透射光栅110定向，或更一般地，相对于零级返回光束1006的路径的角度等于透射光栅110相对于返回光束1004的角度(以允许零级返回光束1006在其遇到第二透射光栅1000之前重定向)。利用第二透射光栅1000的这种取向，产生的监测光束1002将是衍射返回光束1008的图像。监测光束1002可以例如通过透镜1010或其他聚焦光学器件聚焦到监测光束斑 1012，该监测光束斑1012是谐振腔内部的增益介质102上的光束斑1014的图像。如果该透镜1010具有与透镜108相同的焦距，则监测斑1012将与光束斑 1014基本相同。然而，通过具有较长焦距的透镜聚焦监测光束1002是有优势的，因为这将使监测光束斑1012更大并且从其对准位置的空间偏转更大。也可以完全没有透镜，并且只需将位置传感器放置在光束的远场中，但这通常是不切实际的，因为需要大的传播距离。监测光束斑1012的位置可以以各种方式测量，如下面参考图11a至图15b所图示的。用于测量光束斑的检测器和其他装置与聚焦透镜1010一起构成位置监测子系统908。
[0044]
在一些实施例中，监测光束斑是利用放置在透镜1010焦平面处的位置敏感检测器来测量的。作为位置敏感检测器的一个示例，图11a以前视图示出了象限检测器1100，以及监测光束斑1102相对于检测器1100的位置。为了比较，图11b以侧视图示出腔内光束斑1104相对于二极管增益块1108的增益通道1106 的位置，二极管增益块1108在一个实施例中可以用作增益介质102。可以看出，腔内光束斑1104稍微从增益通道1106的中心移位。如果例如基于测量之前的校准过程定位象限检测器1100，使得对于对准的腔内激光光束，监测光束斑将居中在检测器1100上，则图11b中所示的未对准将被检测器上的监测光束斑 1102的偏心位置反映，如图11a所示。
[0045]
可以通过测量检测器1100的相对象限之间检测到的光量的差异(将转化为光电流的差异)来量化未对准的量。激光平面中的未对准(如图所示)(对应于与滤光器光谱峰不重合的腔模式)将导致象限q2和q4之间的非零光电流差。当可控反射镜104相对于激光平面的倾斜角关闭时造成的竖直的平面外未对准将导致象限q1和q3之间的非零光电流差。有利地，象限检测器(例如由砷化铟镓(ingaas)或锗(ge)制成)可以在近红外区的激光工作波长下使用，例如1550nm，其在硅基检测器的检测波段之外。此外，构成象限检测器1100的四个检测器价格适中，并且只需要几个额外的采集通道，但没有移动部件。
[0046]
图12根据一个实施例以示意性俯视图示出了可调谐激光器系统的一部分，该系统利用在透镜1010的焦平面处的位置敏感二极管(psd)1200(作为象限检测器1100的替代物)来测量监测光束斑1012的位点。psd基于在不同位点连接到设备的电极测量的局部电阻改变提供连续位置信息。
[0047]
图13再次以示意性俯视图图示了又一个实施例，其中成像阵列1300用于测量光束
斑1012的位置。与psd不同，成像阵列1300在其像素化图像中提供离散的位置信息。成像阵列1300例如可以是电荷耦合设备，其传感器像素由互补金属氧化物半导体(cmos)电容器实施。取决于可调谐激光器的工作波长范围，基于cmos的成像阵列可能具有或可能不具有成本效益。例如，可以检测 1550nm左右的波长的光的基于cmos的成像阵列(通常用于ofdr系统)的成本可能超过10,000美元。然而，对于短于1000nm的波长，可以使用价格低至约1美元的硅基cmos成像阵列。因此，对于短波长，cmos成像阵列是用于测量监测光束斑的位置敏感检测器的合适选项。
[0048]
图14以示意性俯视图图示了可调谐激光器系统的一部分，其中根据各种实施例使用单个小区域接收器结合在聚焦透镜1010和接收器1400之间的路径中的扫描反射镜1402(或其他光束扫描仪)来确定聚焦的监测光束斑1012位点，该扫描反射镜1402跨接收器1400扫描聚焦的监测光束1404。在该位置监测系统中，接收器1400保持在固定位点，并且扫描反射镜1402线性移动，例如，朝向或远离聚焦透镜1010，或在激光平面上旋转，以移动监测光束斑1012。例如，接收器1400可以是个体光电检测器，或者如图所示，在另一端耦合到光电检测器的光纤的输入面。
[0049]
可以通过以下方式校准反射镜位置和/或取向，即将腔内光束与增益介质对准，并且然后平移或旋转反射镜1402以跨包括接收器1400的区域扫描聚焦的监测光束1404，并确定反射镜1402在激光平面中的位置和/或取向，在该位置和/或取向下，在接收器1402处检测到聚焦的监测光束1404并且测量的强度最大化。当激光器随后未对准时，监测光束斑1012通常将不再与接收器1400重合。然后可以通过确定为了将聚焦的监测光束1404重定向到接收器1400上而需要将反射镜1042相对于校准位置或取向移动的距离或旋转的角度来量化激光器的未对准。可替代地，通过将反射镜1402移动到四个(或多个)不同的预定线性位置或取向，并测量接收器1400处检测到的强度，也可以以类似于图11a 的象限检测器的方式使用图12的位置监测系统。在这种情况下，反射镜运动被选定得足够小以保持监测光束斑1012与接收器1400重叠，从而允许接收器1400 测量监测光束斑1012内不同位点处的强度。使用扫描反射镜1402来测量监测光束的好处有只需要单个检测通道，然而，这是以移动部件和通常多次扫描为代价的。
[0050]
图15a以示意性俯视图图示了可调谐激光器系统的一部分，该系统同样使用小区域接收器1500，但是移动接收器本身，而不是如图14中的监测光束。在此，接收器1500也可以是例如个体光电检测器，或者在另一端耦合到光电检测器的光纤1502(如图所示)的输入面。图15b是可以在该实施例中使用的示例基于纤维的接收器的前视图，图示了监测光束斑1012、纤维1502和纤维芯1504 的相对尺寸。在一个示例中，纤维是具有9μm纤维芯的125μm标准光纤。纤维 1502的输入面可以在竖直(1506)和水平(1508)两个方向上移动例如高达 100μm。可以例如使用成对的电容器板1510之间生成的静电场或通过磁性或压电装置来完成纤维移动。
[0051]
图16是根据各种实施例的在可调谐激光器100中将腔内光束与增益介质对准的方法1600的流程图。方法1600涉及通过将透射通过腔内光栅的零级返回光束经第二腔外透射光栅(1602)进行衍射而在激光器腔外部创建监测光束。监测光束用作腔内光束的图像，并且其聚焦的光束斑或与监测光束相关联的一些其他位置可以用于确定腔内光束是否对准。为此，例如，在校准步骤(1604) 中，确定监测光束斑的对准位置，即腔内光束与增益介质对
准时的光束斑的位置(在激光平面内，凭借激射腔模式与激光器的滤光器峰的对准，或在垂直于激光平面的方向上)。
[0052]
校准(在1604)可以通过在一系列角度和线性位置内扫描可调谐激光器的可控谐振器反射镜104同时监测激光器的输出功率和监测斑位置来执行。根据该数据，可以生成斑位置与激光器输出功率的映射(map)。监测斑的对准位置一般是激光器输出功率最大化的位置。除了测量和记录监测光束斑本身的位置，还可以监测以其他方式与监测光束斑相关联的位置，诸如当反射镜将监测光束重新定向到固定接收器上时的扫描反射镜的角位置(换句话说，取向)，如图14 所图示。扫描反射镜的对准位置是当腔内光束与增益介质对准时反射镜将监测光束引导到接收器上所处的角位置。例如，可以在启动激光器后执行校准，并且此后根据需要执行校准，例如以补偿激光器随时间和/或温度的漂移。
[0053]
在校准之后，可以测量光束斑或与监测光束相关联的其他位置从对准位置的位移(1606)并将其用作反馈以控制可控谐振器反射镜104、透射光栅110或两者的物理配置(1608)。该配置的控制参数包括：例如可控反射镜沿返回光束的方向的位置和透射光栅110在激光平面中的位置，这两者都影响腔模式；以及可控反射镜104的倾斜角，其确定聚焦的腔内光束与增益介质102的平面外对准。
[0054]
对控制参数的调整原则上可以在激光器被调谐时实时进行，例如，使用由比例-积分-微分(pid)控制器输出的控制信号。然而，在许多系统和应用中，激光扫描速率太高而无法进行实时调整。例如，如果在位置监测子系统中使用 cmos或类似的成像阵列，则从阵列的读出速率可能明显低于扫描速率。然而，扫描激光器通常在准稳态下操作，其中到可控反射镜104和/或提供增益介质的增益二极管的驱动信号是重复的并且通常出现在100hz以上发生。在这样的系统中，可以根据作为驱动信号或波长的函数的监测光束位置在多次扫描过程中表征扫描，并且然后以低于扫描速率的速率进行调整。例如，对于确定光束监测斑的位置的成像阵列，可以使用快速全局快门以在每次扫描期间仅对总扫描的短暂切片(slice)曝光阵列，并且然后该切片相对缓慢地前进通过扫描。例如，如果一次扫描需要3ms，并且曝光的切片覆盖5μs，那么在600个样本之后，就会对总扫描进行表征。此外，如果可以以每秒30帧的速度读取成像阵列，则将需要20秒来完全表征扫描。在实践中，该斑可能非常局部化，使得它足以读出一组非常小的像素。成像阵列的这种感兴趣区(roi)读出对于cmos设备非常常见，并且可以允许高于例如600hz的有效帧速率，对应于大约1hz的更新速率。
[0055]
图17是根据各种实施例的无模式跳变激光器调谐的方法1700的流程图，作为图16的一般对准方法的示例应用。无模式跳变调谐方法1700包括在激光器腔外部创建监测光束(1702)，以及随着激光波长被扫描(1704)，测量在激光平面中与监测光束相关联的位置相对于其对准位置的位移(1706)。执行激光扫描(1704)涉及同时调谐激光器的腔模式和滤光器光谱，使用可控反射镜104 或光栅110的线性位置来调谐模式并且使用可控反射镜104的旋转角来调谐滤光器。如果模式和滤光器光谱在整个扫描过程中没有保持对准，则将测量非零位移(在1706中)。可以在多次扫描上跨波长调谐范围测量位移测量值，并且然后将其组装成在其整体表征激光扫描的曲线(1708)。控制器904使用该表征来调整驱动形式以调谐可控反射镜104和/或透射光栅110，以更好地将腔模式与滤光器光谱对准(1710)。可以在整个随后的扫描中重复表征和调整过程。
[0056]
尽管本发明的各个方面已经针对优选实施例进行了描述，但应当理解，本发明有权在所附权利要求的全部范围内得到充分保护。