（光学专业论文）基于折射光杠杆的波长调谐技术及其在光谱仪和ld中的应用.pdf

福建师范人学理学坝i 。学位论立 摘要 随着d w d m 技术的发展，用于d w d m 试验工程现场的便携式光谱仪的市场需 求日趋增加。与光通信并行发展的另一个同益增长的市场需求是半导体激光器，在 诸多应用中特别要求激光器是稳频或可调谐的。本论文提出一种将棱镜的折射“光 杠杆”原理应用于光谱仪和半导体激光器的波长精密调谐技术。这种新颖的波长调 谐技术具有结构简单，成本低和易实现等优点，无论对d w d m 波长测试系统精度 的提高，还是对半导体激光器稳频技术，都是重要改进。论文首先介绍了棱镜的折 射“光杠杆”原理，并得出偏向角是关于入射角的弱函数，作出楔角分别为1 。、2 。、3 。光楔的角位移灵敏度曲线，得出不同楔角光楔的放大倍数范围。接着，提出 利用“光杠杆”方法来提高光潜仪的波长精密调谐精度。将未加光楔时光栅的调整 角度与加上光楔之后光楔的调整角度进行比较，通过实验验证利用“光杠杆”原理 实现光谱仪的波长精密调谐的可行性。最后，提出利用“光杠杆”原理实现外腔半 导体激光器的波长调谐以及半导体激光器的外腔稳频。 关键词光谱仪；半导体激光器；波长调谐：稳频；光杠杆 堡些堑苎查兰些兰丝土兰垡笙苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd w d m ，o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r s ，w h i c ha r ep o r t a b l e a n dc a nb ea p p l i e dt od w d mp r o j e c ts i t e ，a r ei ng r e a td e m a n d a tt h es a m et i m e ，t h e d e m a n do fd i o d el a s e r si sa l s oi n c r e a s i n gd a yb yd a y t of i ta l lt h ea p p l i c a t i o n ，t h el a s e r s m u s th a v es t e a d yf r e q u e n c yo rb et u n a b l e f o c u s i n go nt h eo p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e ra n d t h ee x t e r n a l - c a v i t yd i o d el a s e r ，t h i sp a p e rd e s c r i b e san o v e lm e t h o df o rw a v e l e n g t h f i n e s e l e c t i o n t h i sm e t h o de m p l o y sar e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e rs y s t e m ，t h es t r u c t u r eo f w h i c hi ss i m p l e i ta l s oh a sl o wc o s t ，a n di se a s yt ob ec a r r i e do u t t h i si sas i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t n o to n l yo nt h ew a v e l e n g t hd i s c r i m i n a t i o nc a p a b i l i t yo fo s af o rd e m a n d i n g d w d mt e s ta p p l i c a t i o n s ，b u ta l s oo nt e c h n o l o g yo ff r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o no fl a s e r s i n t h i sp a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c e st h er e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e rp r i n c i p l e w et h e nc o n c l u d e t h a tt h eb e a md e v i a t i o na n g l ei sf lw e a kf u n c t i o no ft h eb e a mi n c i d e n ta n g l e ，a n da t t a i nt h e c u r v e so fa n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t yo ft h eo p t i c a ll e v e rs y s t e mf o rw e d g ep r i s m s w i t hw e d g ea n g l e so f1 ，2a n d3d e g r e e sr e s p e c t i v e l y w ea l s o f i n dt h ea m p l i f i c a t i o n f a c t o r sf o rw e d g ep r i s m sw i t hd i f f e r e n tw e d g ea n g l e s i na d d i t i o n ，t h eo p t i c a ll e v e rs y s t e m i su s e dt oi m p r o v et h ew a v e l e n g t hs e l e c t i n ga c c u r a c ya n dr e s o l u t i o no fo p t i c a ls p e c t r u m a n a l y z e r t h eg r a t i n gr o t a t i o na n g l ei sc o m p a r e dw i t ht h ew e d g ep r i s mr o t a t i o na n g l e t h r o u g he x p e r i m e n tw ef i n dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fr e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e rp r i n c i p l ef o r o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e ri sf e a s i b l e f i n a l l y ，w ep r o p o s eam e t h o do fu s i n gr e f r a c t i v e o p t i c a ll e v e rf o rw a v e l e n g t hf i n e - s e l e c t i o ni ne x t e r n a l c a v i t yd i o d el a s e r m o r e o v e r , t h i s p r i n c i p l ec a nb eu s e df o rd i o d el a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n k e y w o r d so p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ；t u n a b l ed i o d el a s e r ；w a v e l e n g t ht u n i n g ； f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n ；r e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e r 福建师范大学理学颁：l ：学位论文 中文文摘 随着技术的进步和经济的发展，人们对信息的需求量越来越大，密集波分复用 d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd iv i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是目前通信系统扩容的最佳方案 之，其最大的优点就是不需要对原有的光纤线路进行改造。随着d w d m 技术的发展， 用于d w d m 试验工程现场的便携式光谱仪( o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ，o s a ) 的市 场需求日趋增加。d w d m 现场应用对光谱仪的波长分辨率和抗震能力都提出了更高的 要求。与光通信并行发展的另一个同益增陡的市场需求是半导体激光器，在诸多应 用中特别要求激光器是稳频或可调谐的。在这两大类仪器中，高分辨率的波长调谐 是关键技术。现有的高分辨率光谱仪的色散元件和外腔半导体激光器( e x t e r n a l c a v i t yd i o d el a s e r ，e c d l ) 的调谐一般采用基于l i t t r o w 或者l i t t m a n 结构的多通 道系统。在这类设计中，基本能满足工业要求的动态范围。但由于采用反射镜 ( l i t t m a n 结构) 或光栅( l i t t r o w 结构) 的旋转机构，为了得到系统所要求的波长 分辨率，对机械的调整和旋转精度要求很高，国外现有的商用化产品普遍采用复杂 的电控机械旋转装置来解决这一问题，这不仅装置复杂且成本高。本论文提出一种 将棱镜的折射“光杠杆”原理应用于这两类仪器的调谐机构中，以转动棱镜代替转 动光栅，从而在相同波长选择精度下，大大降低了对旋转精度的机械要求。主要内 容如下： 第一章，首先概述了本课题的研究背景及选题意义：简要介绍了光谱仪及外腔 半导体激光器的研究进展以及一些具有代表性人物的主要观点及研究成果：接着简 要介绍了目前采用的几种外腔调谐方式及半导体激光器的稳频方式：最后阐述了本 论文的主要工作及其意义。 第二章，首先通过介绍折射棱镜的偏向角与入射角的函数关系形式，从而引入 折射棱镜的“光杠杆”原理。通过简单的光线追迹得出偏向角是关于入射角度的弱 函数，作出楔角分别为1 。、2 0 、3 0 光楔的角位移灵敏度曲线，并对它们进行比较； 得出结论：“杠杆率”随楔伯的增加而减小。当入射角太小时，理论上可以达到很高 的放大倍数。但在实际应用中，由于放大倍数太大会超过仪器的灵敏度，仪器根本 探测不到如此细微的变化，所以并没有太大的实用价值：而当入射角度太大时，偏向 角的变化对于入射角的变化已经很敏感，因此根本不能起到放大调整角度的作用。 因此，应根据需要选择入射角度及楔角，达到不同的放大倍数，实现不同的要求。 祸矬师范夫学理学颂士学位论文 根据理论计算，对于楔角为l 。的光楔其入射角选择2 0 0 - 6 8 。为宜，相应的放大倍数 为l o l7 8 倍：楔角为2 。的光楔相应的值是入射角1 8 。一6 0 。和放大倍数1 0 一1 0 9 倍： 楔角为3 。的光楔则应选择1 5 0 - 5 5 0 入射角和1 0 一9 7 放大倍数。通过实验验证了折射 棱镜的“光杠杆”原理，同时，验证了“杠杆率”随楔角的增加而减小。通过对光 栅方程求导，对不同楔角光楔的“衍射角杠杆率”进行比较，并通过实验数据对其 进行了多项式拟合。 第三章，首先指出现有光谱仪的不足在于需要转动光栅或者反射镜，因此对于 高分辨率的光谱仪，对光栅或反射镜的位置精度要求很高。对于商用的d w d m 光谱仪， 为了达到士5 0g h z ( 士0 0 4n m ) 的精度，其调谐机构( 光栅或者反射镜) 就必须有6 5 毫弧度的旋转精度。利用棱镜的折射“光杠杆”原理，可在保证光谱分析精度的条 件下，大大降低对光谱仪旋转机构精度的机械要求。这对d w d m 的光谱测试应用将是 一个很大的改进。实验结果证实了利用“光杠杆”原理实现光谱仪的波长精密调谐 的可行性。所采用的光源是6 3 3 n m 和6 3 5 n m 的复用光波，比较用光栅调谐的l i t t r o w 结构与l i t t r o w 结构加光楔调谐时各自所需转动的角度。结果表明，实现这两个波 长的调谐，前者比后者的机械精度要求要高得多。章节的最后从理论上对光不沿主 截面入射时所引起的误差进行分析。 第四章，首先介绍l i t t r o w 结构和l i t t m a n 结构的光栅外腔半导体激光器工作 原理，并对两者进行了比较：接着介绍了利用“光杠杆”原理实现外腔半导体激光 器的波长调谐的原理和方法，并提出可基于l i t t r o w 外腔结构加上光楔实现半导体 激光器的稳频。通过实验，证实了当半导体激光器由于温度出现波长漂移时，可以 很方便的通过调整光楔将其调回原来的波长，实现了半导体激光器的稳频。 第五章对本论文所作的： 作进行总结，指出了本论文的创新之处以及工作中 存在的一些不足之处。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 密集波分复用( d w d m ) 技术是实现光纤通信系统升级扩容最经济和有效的途径， 目前基于d w d m 和e d f a 的光通信系统传输容量已超过3 t b i t s ，相应的波长通道间 隔已达0 4 0 2 n m 。随着这一技术的发展，用于d w d m 试验工程现场的便携式光谱 仪的市场需求日趋增加“。与光通信并行发展的另一个日益增长的市场需求是半导 体激光器，在诸多应用中特别要求激光器是稳频或可调谐的。在这两大类仪器中， 高分辨率的波长调谐是一关键技术。现有的高分辨率光谱仪的色散元件和外腔式半 导体激光器的调谐一般采用基于利特罗( l i t t r o w ) 或利特曼( l i t t m a n ) 结构的多 通道系统“1 。在这类设计中，进入仪器的光经一次或者两次光栅色散后，可得到满 足工业要求的动态范围( 在距峰值波长0 2 n m 处为4 0 d b ) ”1 。但由于采用反射镜 ( l i t t m a n 结构) 或光栅( l i t t r o w 结构) 的旋转机构，为了得到系统所要求的波长 分辨率，对机械的凋整和旋转精度要求很高，国外现有的商用化产品普遍采用复杂 的f 乜控机械旋转装j 凶! 米解决这一问题，这不仅装置复杂且成本高。本论文提出一种 基于棱镜的“光杆相：”原理的波长调凿方法，可使对于相同的波长分辨率( 或稳频 精度) ，对机械调节精度的要求降低1 0 一1 0 0 倍，因此本论文研究具有很强的应用前 景。 1 2 光谱仪及外腔半导体激光器的研究进展 1 2 1 光谱仪研究进展 1 8 5 9 年，克希霍夫和本生为了研究金属的光谱，自己设计和制造了一种完善的 分光装置，这利一装置完全具备现代光谱仪器的主要特点，是世界上第一台实用的光 谱仪器“。在1 8 5 9 1 8 6 2 年之间，克希霍夫和本生利用自己的光谱仪器，研究了夫 琅和费谱线以及火焰、电火花中的各种金属的谱线，从而建立了光谱分析的初步基 础。后人把1 8 6 0 年称为光谱分析的诞生纪年。 最初的光谱仪的色散元件都选用棱镜，棱镜的线色散率是非线性的。它随着波 长的变化增减太快，这对光谱定性分析中测定光谱线的波长带来了很大的困难。于 是人们就转向采用衍射光栅作为光谱仪器的色散元件。1 8 8 2 年，罗兰发明了凹面光 栅，并应用在光谱仪上，它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。 随着d w d m 技术的高速发展，用于现场测试的光谱仪将得到广泛应用。这种光谱 仪不仅要是便携式的、抗震性能好，而且要有很高的波长分辨率，能满足d w d m 应用 的要求。 福建师范大学理学硕士学位论文 传统的利用衍射光栅来分光的单通道光谱仪，如l i t t r o w 结构光谱仪，入射光 直接照射到光栅上，被光栅分解成不同的波长，然后由探测器收集光谱。该类型的 光谱仪探测器可以是固定的，也可以是可动的。当探测器固定时，衍射光栅就必须 是可动的；而当探测器可动时，光栅就必须是固定的，这样刁能扫过所有的光谱范 围。单通道的0 s a 不仅对震动敏感，而且动态范围小( 在距峰值波长0 4 n m 处为3 d b ) ， 不适合现场应用。 双通道或者是四通道的光谱仪工作原理和单通道的光谱仪差不多，只是另外增 加了一个光学元件，使得光在进入探测器之前两次或者四次经过衍射光栅。也就是 说，光经过光栅两次或四次分光才到达探测器，因此可以达到更高的分辨率，满足 在0 2 n m 处优于5 0 d b 动态范围的工业要求。但是，对震动仍然比较敏感，经过搬运 之后需要重新进行校准，不适合现场的应用。 还有一种设计方法就是利用单通道光谱仪的旋转光栅，再加上一个反射镜使入 射光由一次经过光栅变成两次经过光栅。在该结构中，光直接入射到光栅上，通过 光栅转动扫过所有的光谱范围。分解之后的光经过狭缝之后到达反射镜，再经反射 镜反射返回光栅。反射光经光栅再次细分之后到达探测器。该结构可以达到比较好 的光学特性，动态范围可以达到在距峰值波长0 4 n m 处为4 0 d b 。但是，由于光栅是 转动的，对位置精度要求很高，也很难和反射镜、探测器一起进行光路的对准。 一种比较新颖的设计方法是利用单通道光谱仪的固定部分和多通道光谱仪相结 合而成的混合结构，如l i t t m a n 结构光谱仪。该结构利用的是一个固定光栅和一个 旋转反射镜，入射光经过光栅两次分光刁到达探测器。通过旋转反射镜代替旋转光 栅来扫过所有的光谱范围。该结构可以达到在0 2 n m 处高于4 0 d b 的动态范围，因而 被广泛应用于工业中。 必须指出的是，以上的设计由于都采用了光栅或者反射镜的机械旋转系统，因 此精确度和分辨率都受到限制。换句话说，为了达到d w d m 所要求的精度，就必须采 用更复杂的电控机械旋转系统。 1 2 2 外腔半导体激光器研究进展 激光器是二十i h ：纪重大的科技发明之一。四十多年来，激光科学技术表现出强 大的生命力，激光的应用己经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。各类 激光器不仅大量生产，广泛应用，而且在技术上不断地更新换代，发生了质的突变。 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器诞生起，具有不同学科和技术背景的科学家陆续 发明了各种不同类型的激光器和激光控制技术。在2 0 世纪8 0 年代，不少学者预言， 激光器的发展趋势将象电子器件一样走向小型化、固态化。当代激光器的发展证实 了这一预言的正确性。现在，半导体激光器及二极管泵浦的固体激光器、光纤激光 ：i ；i 章绪论 器己成为激光器发展的主流。 半导体激光器是应用中最重要的一类，其发展史几乎和激光器本身的发展史一 样长。半导体激光器是利用半导体中的电子跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡 器和光放大器的总称，这个想法早在1 9 5 7 年就被提出来了。1 9 6 2 年在早年的半导 体激光器g a s 激光器中观察到了低温脉冲激射，这标志着世界上第一只半导体 激光器的问世”4 1 。1 9 6 4 年j w c r o w e 进行了外腔实验“，p g e 1 i s e e v 于1 9 6 9 年 首次报导了短外腔实验。早期的半导体激光器由于受激发射的闽值电流特别高，难 于在室温下连续工作。7 0 年代初期，采用异质结结构的可在室温下连续工作的半导 体激光器的出现，开创了半导体激光器的新时期。与其他激光器相比，半导体激光 器具有小型化、电注入、高效率、低功耗、寿命长和可直接调制等优点，尤其是电 注入泵浦方式使得它可以与电子器件直接接轨。从而使发展光子、光电子和微电子 器件的集成成为可能。但由于半导体激光器带一带激发的特性，使普通的半导体激 光器存在一些固有的缺陷，如谱线宽、频率稳定性差等。这些缺陷使得普通半导体 激光器难以在某些领域中直接应用。如何克服这些缺陷，改善半导体激光器的输出 特性，获得线宽窄、可调谐、输出稳定的光源，一直是人们努力的方向。 1 9 7 8 年，l il t m a n 和m e t c a l f 实现了6 0 0 n m 波段的染料激光器的外腔波长调谐 1 ，发展了l i t t m a n 结构的外腔半导体激光器。1 9 8 0 年，r l a n g 和k k o b a y a s h 首次将曾用于染料激光器的外腔反馈技术应用到半导体激光器上，实现了线宽压窄 和波长调谐“。从此，外腔反馈半导体激光器以其优良的光谱特性吸引了大量的研 究人员，理论、实验及应用方面的报道不断涌现。 9 0 年代，可调谐外腔半导体激光器的研究热点逐步转移到大范围连续调谐、频 率稳定、电渊谐和扩展应用等方面。国外报道：1 9 9 1 年，在1 5 4 “聊波段实现了的 8 2 n m 的连续调谐，线宽小于1 0 0k h z 1 ；同年，k c h a r v e ya n dc j m y a t t 实现了 7 8 0 n m 波段的2 0 n m 的调谐范围，线宽从4 0 m h z 压窄到l o k h z 。1 9 9 2 年，p a u l z o r a b e d i a n 使用了一个梯度折射率透镜并在内腔加上棱镜扩束，实现了1 2 5 5 n m 1 3 3 5 n m 的波长调谐，线宽小于1 0 0 k h z “。1 9 9 6 年，在8 2 5 n m 波段实现了4 0 n m 的连 续调谐“。1 9 9 7 年，在8 5 0 n m 波段实现了2 0 0 g h z 的连续调谐，扫描速率可以达到 1 l 1 0 0 0 g h z s ”。2 0 0 0 年美国蒙大拿州立大学用中心波长为7 9 2 n ml i t t m a n 型外腔 半导体激光器实现11 7 4 n m 一1 2 1 4 n m 的调谐范围“”。 随着d w d m 技术的发展，小型化成为外腔半导体激光器的发展趋势。m e m s 成为 减小外腔半导体激光器体积的热门技术，许多科学工作者竞相从事利用m e m s 技术来 减小外腔半导体激光器体积的研究“”圳。2 0 0 3 年已研制出输出功率高达l o m w ，调谐 范围4 0 0 h m 一1 6 2 0 n m ，小到可放到手掌里的外腔半导体激光器“。 福建师范大学理学颂二i 二学位论文 国内研究的起步较晚，但目前许多高等院校，如清华大学、北京大学、四川大 学、吉林大学、南开大学等都在从事此方面的研究。清华大学1 9 9 8 年，报道了9 5 0 n m 波段的2 0 n m 的非连续调谐，谱线宽度小于3 0 0 k h z 。”：1 9 9 9 年，报道了1 5 肌波段 的程控连续调谐，调谐范围7 5 n m ”：2 0 0 1 年报道了用前端镀增透膜的6 3 7 n m 量子阱 结构半导体激光器件及工作于l i t t r o w 自准直状态的光栅作为反馈元件，构成外腔 激光器，获得了覆盖6 3 3 n m 的4 n m 的调谐范围o ”。北京大学2 0 0 3 年报道了6 6 0 n m 波 段的波长调谐把激光线宽从原来的3 0 m h z 压窄到l o o k h z 左右，连续调节范围大约为 i o g h z 1 。2 0 0 4 年南开大学应用双光栅获得了最窄线宽小于0 o l n m 的单纵模激光输 出，实现了波长调谐约7 1 n m ”。 近年来出现的连续调谐外腔激光器大体上有以下几种结构：( 1 ) 用步进马达驱 动，靠高倍率细分步距及精确的机械传动结构使光栅同时转动和平移，实现光栅反 馈波长与腔模波长同步移动。：( 2 ) 使用三维的压电陶瓷，三路电压控制光栅状态 啪1 ；( 3 ) 以上两种结构的组合，马达只控制光栅转动，由p z t 控制腔长变化，或在 外腔中插入一平板透明介质，靠控制平板转动改变腔长：( 4 ) 用一个压电陶瓷转动 光栅啪1 。上述方法均采用二维传动的复杂机械结构或在腔内附加转动的f p 标准具等 措施实现连续调谐，不仅装置复杂且成本高。 高稳定可调谐半导体激光器，已经在原子波谱学、高分辨光谱学、量子计量学、 光纤通信及激光原子冷却等一系列基础研究和高科技产品开发中得到日益广泛的应 用。在上述应用中，常遇到的一个问题是半导体激光二极管( l d ) 的输出频率对其注 入电流和工作温度极其敏感。“。因此，l d 的稳频研究是一个很有意义和应用价值 的课题，国内外都开展了这方面的工作。目前常用的稳频方法主要有法布里一珀罗 ( f - p ) 标准具方法、原予或分子线稳频、外腔稳频。”等。 1 3 本论文的主要工作 综上所述，在光谱仪和半导体激光器这两大类仪器中，高分辨率的波长调谐是 一关键技术。现有的高分辨率光谱仪的色散元件和外腔式半导体激光器的调谐一般 采用基于l i t t r o w 或者l i t t m a n 结构的多通道系统。在这类设计中，基本能满足工 业要求的动态范围。但由于采用反射镜( l i t t m a n 结构) 或光栅( l i t t r o w 结构) 的 旋转机构，为了得到系统所要求的波长分辨率，对机械的调整和旋转精度要求很高， 国外现有的商用化产品普遍采用复杂的电控机械旋转装置( m e m s 等) 来解决这一问 题，这不仅装置复杂且成本高。 本论文为了克服以上不足，提出了一种新型的波长精密调谐技术，采用一种新 第1 章绪论 颖的光学方法降低了对机械旋转精度的要求，改进了仪器的波长选择精度和分辨率。 此方法既可用于高分辨光谱仪的波长选择，又可用于半导体激光器的外腔稳频。主 要作了以下工作： i 、介绍了折射棱镜的“光杠杆”原理，并得出偏向角是关于入射角的弱函数， 作出楔角分别为i 。、2 。、3 。光楔的角位移灵敏度曲线。在实际应用中，受仪器 灵敏度限制，放大倍数太高会超过仪器的灵敏度，因此入射角不能太小：入射角太 大时，放大倍数又太小，不能真正起到杠杆的作用。根据实际应用要求，确定不同 楔角光楔的入射角范围以及相应的放大倍数。通过实验验证了棱镜的“光杠杆”原 理，并得出了不同楔角光楔的“衍射角杠杆率”。 2 、将折射棱镜的光杠杆原理应用于l i t t r o w 结构光谱仪，可在保证光谱分析精 度的条件下，大大降低对光谱仪旋转机构精度的机械要求。通过实验验证利用“光 杠杆”原理实现光谱仪的波长精密调谐的可行性，并从理论上对光不沿主截面入射 时所引起的误差进行分析。 3 、介绍常见的l i t t r o w 结构和l i t t m a n 结构的光栅外腔半导体激光器，并对两 者进行比较：提出利用“光杠杆”原理实现外腔半导体激光器的波长调谐或稳频的 理论方法。同时，通过实验很方便的实现了6 3 6 n m 半导体激光器的稳频。 本论文的创新之处在于，提出了折射棱镜的光杠杆原理，并将其应用于l i t t r o w 结构，从而实现波长精密调谐，与现有的调节方式对比有四大优点：( 1 ) 对于相同 的波长分辨率( 或稳频精度) ，对机械调节精度的要求可降低1 0 1 0 0 倍。( 2 ) 降低 准直透镜横向位置的精度要求：( 3 ) 可降低反射光栅初始固定的角度精度和对稳定 性的要求。因此完全可用手动机械调节机构取代现有进口仪器所采用的复杂电控精 密调节装置。此方法尤其适用于工程现场的便携式光谱仪。这种利用折射光杠杆的 波长精密选择方法具有结构简单，成本低和易实现等优点，无论对d w d m 波长测 试系统精度的提高，还是对半导体激光器稳频技术，都是重要改进。 笫2 章“光杠杆”原理 第2 章“光杠杆”原理 2 1 折射棱镜简介 由两个不相平行而是相交的折射平面所组成的透明介质零件称为折射棱镜，如 图2 - 1 所示。两个折射面的交线称为折射棱；两个相邻折射面的夹角g l 称为折射顶 角：垂直于折射棱的平面称为主截面。 a 折射棱镜的主要作用之一，是使通过它的光线的行进方向相对于原来的方向发 生偏折，偏折的角度称为偏向角，用符号占表示。我们先讨论光线在主截面内的偏 折情况。设棱镜折射率为”，入射光线在a b 和a c 两个工作面上的入射角和折射角 分别为，。，和，。由折射定律，则有。 。i 丁a + 5 ：_ nsin(茸a-)cos(掣)n 浯一1 ， s 1 = = ! 一 kz j 2 c o s f ! 土垡1 这就是偏向角公式的一种隐函数形式。由上式可见，偏向角占是 、口及，的 函数。当一束单色光通过给定的折射棱镜时，即月、口己确定的情况下，光线的偏 折射棱镜的另一个基本特性是色散性。由于偏向角占是 的函数，而折射率h 又 是波长旯的函数。这样，具有同一入射角，的一束复色光( 如白光) 通过折射棱镜 时，不同波长光将具有不同偏向角，因而在空间上被分解为由各种色光组成的连续 谱，这种现象为棱镜的色散。 如果折射棱镜的顶角口足够小，以至使所产生的色散角觉察不出来时，这种折 射棱镜称为光楔或者楔形镜，光楔的折射角称为楔角。由于楔角口很小，所以光楔 福建师范大学理学硕士学位论文 可近似地认为是平行平板。光楔两种入射方式如图2 2 所示。 ( a )( b ) 图2 - 2 光楔结构图 f i 9 2 2i l l u s t r a t i o no fo p t i c a lw e d g ep r i s m 2 2t c 光杠杆，原理 图2 3 为所采用的光楔，楔角为a ，入射角为0 的光经过光楔后，与原光线产生 z 的偏离。偏向角z 随着入射角口的变化而变化。当入射角改变口时，通过简单的 光线追迹方法，可以看出光线偏向角z 是入射角口的弱函数 z ：0 + a r c s i n ”s i n 口一a r c s i n o s i n 口) ) 一口 ( 2 4 ) ” 。n ，。；驴 - t 1 奴 图2 - 3 “光杠杆”原理图 f i 9 2 3p r i n c i p l eo ft h ep r o p o s e d r e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e r c o n s i s t i n go fa no p t i c a lw e d g ep r i s m 作出楔角分别为1 0 、2 0 、3 0 光楔的偏向角z 关于入射角目的函数曲线，如图2 4 所示。从图中我们可以看出，在入射角较小的情况下，入射角改变很大，偏向角几 乎没有改变。也就是说，偏向角的变化量衄对入射角的改变很不灵敏；从1 5 0 之后， 偏向角对于入射角的变化才有比较明显的变化：而当入射角大于7 0 0 之后，偏向角 对于入射角的变化变得很敏感。我们可以用a z a o 来描述“光折射杆”系统的角位 移灵敏度，利用m a t l a b 软件算出其函数表达式，并画出函数的曲线图。图2 5 为楔 角分别为1 0 、2 0 、3 0 光楔的角位移灵敏度曲线。 第2 章“光相：杆”原理 幽2 - 5 楔如分别为1 0 、2 。、3 0 光楔的角位移灵敏度曲线 f i g2 - 5 c h a r a c t e r i s t i c so f t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t yo f w e d g ep r i s m 从图中我们可以看到，对于楔角相同的光楔，入射角度不同角位移灵敏度的值 不同；对于相同的入射角，楔角不同角位移灵敏度的值也不同。对于楔角分别为l o 、 2 。、3 。的光楔角位移灵敏度曲线的斜率逐渐增大，也就是说楔角为3 。的光楔对于入 射角的改变是最为灵敏的，而楔角为i 。的光楔最不灵敏。因为角位移灵敏度和放大 倍数成反比，所以在改变相同的入射角的情况下，楔角为1 0 的光楔可以放大比楔角 为3 0 的光楔更大的倍数。因此，要根据灵敏度和放大倍数要求选择不同的楔角和入 射角。 从图中我们还可以看到，必须合理的选择光楔的入射角才。能真正达到角度的放 大作用。对于不同角度的光楔，当入射角较小时，角位移灵敏度趋近于0 ，放大倍 数理论上可以达到无穷大。虽然放大的倍数很大，但是出射光基本上没有改变，会 超过探测仪器的灵敏度。因此，实际上是不可用的。而当放大倍数太小时，加上光 楔并没有真正起到杠杆的作用，变得没有意义，我们取最小放大倍数为1 0 倍。则对 于楔角为1 0 的光楔其入射角选择2 0 0 _ 6 8 0 为宜，相应的放大倍数为1 0 1 7 8 倍：楔 角为2 0 的光楔选择1 8 0 - 6 0 0 为宜，放大倍数为1 0 1 0 9 倍；楔角为3 0 的光楔选择1 5 5 5 0 为宣，放大倍数为1 0 9 7 倍。利用这个性质，可以用来降低光谱仪旋转机构 的机械要求，提高光谱仪的波长分辨率；也可以用于实现半导体激光器的外腔稳频。 福建师范大学理学硕士学位论文 2 3 “光杠杆”原理的实验验证 2 3 1 光楔角度放大作用的实验验证 光楔具有放大调整角度的作用，为了验证该结论我们选取6 3 3 n m 的h e - n e 激光 器进行对比实验。 r u l e r 气 趟鲫帅。 n gp r i e m ( a )( b ) 图2 - 6 验证“光杠杆”原理实验图 f i 9 2 6e x p e r i m e n tp i c t u r eo f “r e f r a c t i v eo p t i c a ll e v e r p r i n c i p l e 图2 6 为验证光楔角度放大作用的实验图，其中( a ) 为未加上光楔时的实验图， ( b ) 为加上光楔之后的实验图，我们所采用的是l i t t r o w 结构。光栅为1 2 0 0 - a ， 一级闪耀波长为6 3 5 n m ，尺寸为2 5 2 5 x5 m m ：光楔楔角为3 。，镀6 3 5 n m 增透膜，尺 寸为2 0 2 0 r a m ；h e n e 激光器波长为6 3 2 n m ，功率为3 r o w 。未加上光楔时，由- l e - n e 激光器发出的光先垂直入射光栅，一级衍射光照射在尺子上，记下初始时刻一级衍 射光的位置；通过转动光栅很小的角度a a ，使得一级衍射光走过一段距离x 。重 复该步骤，测得几组数据。加上光楔，调整使得初始时刻光垂直入射光栅，并记下 一级衍射光的初始位置：光栅固定不动，调整光楔使得级衍射光走过与未加光楔 时相同的距离，记下光楔改变的角度口。表2 - 1 为未加光楔时的实验数据，表2 2 为加上光楔之后的实验数据。 表2 - 1 未加光楔时的实验数据 衍射光走过距离 入射角。一级衍射光位置x ( c m )光栅改变角度口 置= x j + l x i ( c m ) 0 06 0 0 1 0 6 1 61 0 0 1 6 2 0 7 6 3 01 0 0 1 4 3 0 6 4 41 0 o ，1 4 4 0 6 5 8 1 0 0 1 4 5 0 6 7 31 0 0 1 5 第2 章“光 i ：杆”原理 表2 - 2 加上光楔之后的实验数据 衍射光走过距离一级衍射光位置 x 一x i ( c m )x i ( c m ) 入射角。 光楔改变角度p 5 7 00 。 01 6 5 8 62 3 。2 5 2 3 。2 5 0 1 4 60 03 1 。6 。7 。4 1 。 01 461 43 6 。1 1 7 5 。5 01 462 8 4 0 。4 0 。4 。2 9 0 1 56 4 34 3 。5 6 3 。1 6 从表2 - 1 和表2 2 对比可以看出，光楔只要转动比光栅更大的角度就可以使得 一级衍射光走过相同的距离。 对于一级衍射光，根据光栅方程 d ( s i n a + s i n p ) = 五 ( 2 - 5 ) 其中，口为入射角，p 为衍射角。对公式( 2 5 ) 求微分得 c o s 口a a + c o s p p = 0 ( 2 - 6 ) 因为光垂直入射光栅，a = 0 。，c o s o e = 1 ：转动光栅时，因为光栅转动的角度很小， 所以入射角口可以近似看成还是0 。，衍射角p 也可以近似看成是常数，令c o s ( p = c i ， 公式( 2 6 ) 可以化简为 口= 旦竺翌口= 土口( 2 7 ) c o s 妒 c b 从公式( 2 7 ) 我们可以看出，衍射角的改变量和入射角的改变量是成线性关系 的。在实验中，6 a = l ( l 为光栅到尺子之间距离) 。因此，可得到 1 硝= 三f 二a a l = c 1 a a ( 2 - 8 ) 、c l 在a a 很小的情况下，可近似认为x 是个常数。在误差允许范围内，表2 1 中z 可近似认为是不变的，与理论结果基本相符合。 2 3 2 不同楔角的光楔“杠杆率”比较 2 3 2 1 理论分析 对光栅方程式( 2 5 ) 求导整理之后，可得 a c o s o a 口( 2 9 ) c o s p 加上光楔之后，光栅的入射角口为光楔出射光的偏向角z ，衍射角近似为常数，因 此c o s6 , o = c ( c 为常数) 。由此公式( 2 9 ) 变成 福建师范大学理学硕士学位论文 妒半z ( 2 - 1 0 ) 出上一节的分析可知光楔的偏向角z 和等都是关于入射角0 的函数，则 a 面a 4 a = - 专- * c 0 5 z ( 跏篙( 回 ( 2 _ 鲤a 0 为光楔的“衍射角杠杆率”。由于c 为常数，因此等= - - 刍o c o s x ( 口) 等( 口) 曲线曰日。 形状与篙= c 。s z ( 口) 篙( 曰) 的形状是一样的，如图2 7 所示 图2 7 “衍射角杠杆率”曲线图 f i g2 7c u r v eo f r a t eo f d i f f r a c t i o na n g l e 从图2 7 可以看出等的斜率随着楔角的增大而增大，也就是说要使衍射角改变相同 的角度，光楔转动的角度随着楔角的增大而减小。“衍射角杠杆率”等随着楔角的 增大而减小。 2 3 2 2 实验验证 为了对不同楔角光楔的“杠杆率”进行比较，我们通过转动不同楔角光楔使其 一级衍射光改变相同的距离，记录其转过的角度，比较不同楔角光楔转动的角度。 此时，光栅是固定不动的，通过转动光楔代替转动光栅。初始时刻为光垂直入射光 楔。实验数据如表2 - 3 所示，其中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为楔角为1 0 、2 。、3 。光楔的 数据。 第2 幸“光杠杆”原理 表2 - 3 不同楔角光楔“杠杆率”比较实验数据 t a b l e2 - 3d a t af o r l e v e rr a t e o f d i f f e r e n tw e d g ep r i s m s 一级衍射光改变距高 测量次数入射珀目入射光改变f f j 度目 a x ( c m ) l0 0 2 o1 01 9 07 1 9 07 301 02 5 02 l 。6 0 1 4 40 i o2 8 05 8 5 0 3 7 50 1 03 3 02 l 4 0 2 3 6 0 1 03 6 05 9 3 。3 8 70 1 03 9 。3 9 2 04 0 80 1 04 l o5 7 2 0 1 8 90 1 04 4 0d 2 07 1 0o 1 0 4 5 05 9 l o5 5 1 10 1 04 7 04 6 l o4 7 1 2o1 04 9 02 7 1 04 1 1 3o1 05 0 05 8 。1 03 l 一级行i 身j 光改变距离 测量次数 入射舶p入射光改变角度口 a x ( c m ) 10 0 201 02 3 。1 9 2 3 。1 9 301 03 1 03 7 04 4 401 03 6 0 4 5 5 0 4 2 50 1 04 l 。1 7 4 03 2 601 04 4 0 3 l 3 0 1 4 701 04 7 03 6 3 05 801 05 0 02 7 2 05 1 9 01 0 5 3 0 62 03 9 1 00i o5 5 0 1 7 2 0 1 1 1 10l o5 7 0 141 05 7 1 20l o5 掣5 9 l o4 5 1 30 1 06 0 。3 4 l o3 5 一级衍射光改变趴离 测量次数 入射们口入射光改变角度曰 a x ( c m ) l0 0 2ol o2 7 0 1 8 2 7 0 1 8 30l o3 6 05 3 9 03 5 4 01 04 2 05 8 6 05 5o1 04 8 02 8 5 03 0 6o1 05 2 0 1 2 3 04 4 70 1 05 5 02 7 3 0 1 5 80 1 05 8 02 4 2 05 7 90l o6 i o9 2 0 4 5 1 001 06 3 02 9 2 02 0 1 101 06 5 03 7 2 0 8 。 1 20 1 06 7 03 4 l o5 1 1 301 06 9 0 1 6 1 04 2 1 3 捐娃师范大学理学硕i 二学位论文 从表2 3 可以看出，当一级衍射光所改变距离仍然是0 ! o c m 时，加上光楔之后， 光楔所转动的角度比转动光栅的角度大得多，说明光楔确实起到了放大调整角度的 作用。从表2 3 我们还可以比较看出，楔角不同的光楔其放大倍数是不一样的。楔 角为1 。光楔其角度放大作用最为明显，其次是楔角为2 。光楔，最后才是楔角为3 。 光楔。也就是说“杠杆率”从大到小依次为楔角为1 。光楔，2 0 光楔，3 0 光楔，这与 理论分析结果是相符合的。 通过实验我们还得到，入射角太小时一级衍射光几乎不发生移动。这与理论的 推导是相符合的。对于楔角为3 。光楔，当入射角大于1 5 。时，衍射光位置才有比较 明显的