CN101505033A - 半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体激光器，包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、光栅(12)和F－P腔，其中，所述F－P腔为单块折叠F－P腔(5)。通过本发明使得光栅外腔半导体激光器不用反馈锁定电子系统，实现输出激光的谱线宽度小于100kHz，解决常规光栅外腔半导体激光器谱线较宽的问题，以及分立元件稳定性不好，体积过大和系统复杂等问题。

Description

半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术，特别是指一种采用单块折叠F-P腔的增强光栅外腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器，包括分布反馈(DFB)和外腔半导体激光器，是科研和工业中的重要激光光源。然而通常半导体激光器输出的谱线都比较宽，外腔半导体激光器输出谱线的线宽一般达到几百千赫甚至几兆赫，DFB半导体激光器常常具有更宽的线宽，这种宽线宽存在与许多场合的应用要求相距甚远。

一般常用的外腔半导体激光器可分为Littrow结构和Littman结构，分别参见图1和2所示。图1为Littrow结构外腔半导体激光器结构示意图，其中，θi为光束在光栅上的入射角，θd为光束在光栅上的衍射角。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，在光栅12上的一阶衍射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径被返回到半导体激光管1，光栅12的直接镜反射光作为激光器的输出光束，入射角θi与衍射角θd相同。

图2为Littman结构外腔半导体激光器示意图，其中，θi为光束在光栅上的入射角，θd为光束在光栅上的衍射角。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，在光栅12上的一阶衍射光经反射镜201反射后，作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅12再次衍射后被返回到半导体激光管1中，光栅12的直接镜反射光作为激光器的输出光束。

人们通常采用两种方法获得窄线宽激光输出。一种是将具有较宽线宽的激光束分出一部分，入射到单独的可控的法布里-珀罗(F-P)腔上，接收经F-P腔的反射或透射的激光信号，通过反馈电子学系统，使得激光器频率被锁定在该F-P腔的某个谐振峰上，从而可实现激光线宽的压窄。另一种方式是加入一个共焦F-P腔，利用F-P谐振峰的窄谱光反馈压窄线宽。例如：B.Dahmani，＂L.Hollberg和R.Drullinger提出的谐振反馈半导体激光器，如图5所示，在半导体激光器外腔中设置一个由腔镜506和腔镜507组成的共焦F-P腔。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，入射到分束镜504，反射光经可变衰减器501、光阑502、匹配透镜503到达反射镜500，经反射镜500反射后，入射到由腔镜506和腔镜507组成的共焦F-P腔上，反射光中的其中一路光束沿着与原入射光束共线反向的路径，经反射镜500再次衍射后被返回到半导体激光管1中。腔镜507的透射光进入光电探测器509。其中在腔镜507上设置有F-P腔调整压电陶瓷，在反射镜500上设置有激光相位调整压电陶瓷，分别用于进行输出光频率和相位的物理调节。

在另一个共焦F-P腔方案中，K.

，I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller和A.Wicht提出采用透射式光栅和分立元件折叠F-P腔构成半导体激光器可实现更窄线宽，如图4所示，在外腔半导体激光器的腔内加入一个由耦合镜401、反射镜402和反射镜403三个分立镜片构成的F-P腔。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，入射到透射光栅12，衍射光经1/2波片404到达由耦合镜401、反射镜402和反射镜403组成的F-P腔，该腔的逆入射反射光束沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅12再次衍射后被返回到半导体激光管1中；耦合镜401的镜反射光进入平衡偏振探测器405，经光栅12透射光进入光电二极管406，如此通过反馈电子学系统，使得该F-P腔的某个谐振峰被锁定在半导体外腔激光器的频率上。

图5所示的B.Dahmani，＂L.Hollberg，and R.Drullinger和图4所示的K.

，I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller和A.Wicht等人提出采用分立元件F-P腔构成半导体激光器实现更窄线宽。但是分立元件F-P腔一般需要配以复杂、昂贵的反馈锁定电子系统，并且容易受到外界音频、机械振动和温度变化的干扰和影响，腔的体积比较大系统的稳定性比较差。另外K.

，I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller和A.Wicht，的方案中F-P腔的某个谐振峰要锁定在半导体外腔激光器的频率上，不利于腔的稳定性的提高。该方案采用透过光栅，不利于一阶衍射反馈的合适强度的选择和控制。

而其它通常的外腔半导体激光器，由于只是采用光栅反馈，激光器等效振荡谐振腔的品质因数Q值一般不高，从而不利于对激光频率噪声的抑制，使得输出激光线宽较宽，稳定性也比较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种半导体激光器，解决常规光栅外腔半导体激光器谱线较宽的问题，以及分立元件稳定性不好，体积过大和系统复杂等问题。

基于上述目的本发明提供的一种半导体激光器，包括：半导体激光管、准直透镜、光栅和F-P腔，其中，所述F-P腔为单块折叠F-P腔。

该半导体激光器所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光管发出的激光在光栅上的衍射光束被入射在单块折叠F-P腔上，单块折叠F-P腔的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅再次衍射后，被返回到半导体激光管中。

该半导体激光器所述衍射光为一阶衍射光。

该半导体激光器所述单块折叠F-P腔为侧面成直角梯形的六面体，该单块折叠F-P腔的布设使得衍射光束从梯形的直角腰面入射，经底边面和另一个腰面的反射后的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径返回。

该半导体激光器对所述半导体激光器还包括以下一种或两种以上调节系统的组合：

谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔的光程来调节单块折叠F-P腔决定的谐振频率；

第一激光振荡频率调节系统，通过改变入射至单块折叠F-P腔的衍射光的衍射角来调节光栅选频决定的激光振荡频率；

第二激光振荡频率调节系统，通过改变光栅到单块折叠F-P腔或光栅到半导体激光管的距离来调节光栅选频决定的激光振荡频率；

第一半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；

第二半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。

该半导体激光器所述谐振频率调节系统通过改变对单块施加的应力或温度调节或二者组合的方式来改变单块折叠F-P腔的光程；

所述第一激光振荡频率调节系统，通过转动单块折叠F-P腔或转动光栅或二者组合的方式来改变入射至单块折叠F-P腔的衍射光的衍射角；

所述第二激光振荡频率调节系统，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔、光栅、半导体激光管中的一种或两种以上任意组合的方式来改变光栅到单块折叠F-P腔或光栅到半导体激光管的距离。

该半导体激光器所述第一激光振荡频率调节系统包括：调节架动板、调节架定板、微调螺钉和/或调节架压电陶瓷；

所述单块折叠F-P腔设置在调节架动板上，所述微调螺钉设置在调节架定板上，所述调节架压电陶瓷粘接在调节架动板上；

所述第一激光振荡频率调节系统的设置使得通过微调螺钉或改变压电陶瓷电压转动调节架动板；并在转动调节架动板的过程中，保持进入单块折叠F-P腔的光束和由该单块折叠F-P腔返回光束，相对于单块折叠F-P腔的入射角和反射角不变。

该半导体激光器所述谐振频率调节系统包括：单块折叠F-P腔热沉；

单块折叠F-P腔通过单块折叠F-P腔热沉，单块折叠F-P腔热沉用于控制单块折叠F-P腔的温度，并通过温度的变化控制单块折叠F-P腔的谐振频率。

该半导体激光器所述谐振频率调节系统包括：粘在单块折叠F-P腔上的压电陶瓷，用于通过改变压电陶瓷电压对单块折叠F-P腔施加应力控制单块折叠F-P腔的谐振频率。

该半导体激光器所述第一激光振荡频率调节系统包括：定板、可活动的光栅固定架、微调螺钉和/或粘接在光栅固定架上的压电陶瓷，光栅设置在可活动的光栅固定架上，所述微调螺钉设置在定板上，通过微调螺钉或改变压电陶瓷电压来转动光栅固定架。

该半导体激光器所述单块折叠F-P腔的三个光学反射面均为微凸面型；

或者所述单块折叠F-P腔的反射面型为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

该半导体激光器所述单块折叠F-P腔光学面上的反射区域表面的粗糙度低于0.5nm。

该半导体激光器所述单块折叠F-P腔90°角的两个光学面之间的角度误差以及三个光学面的塔差被控制在6″以内，光学镀膜的吸收系数小于50ppm。

该半导体激光器所述单块折叠F-P腔作为输入输出耦合面的斜入射面的镀膜反射率为0.99，正入射的高反射面的镀膜反射率大于0.999。

该半导体激光器所述光栅为衍射光栅或透射光栅。

该半导体激光器所述半导体激光器为掠衍射结构、或Littman结构、或透射Littman结构。

从上面所述可以看出，本发明提出的一种半导体激光器采用单块折叠F-P腔增强光栅外腔，不需要腔内和腔外复杂、庞大、昂贵的反馈锁定电子系统，实现光栅外腔半导体激光器谱线宽度小于100kHz的窄线宽激光输出，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制。

与采用常规反射镜301的方案相比，由于本发明单块折叠F-P腔5所提供的附加的选频作用，使得整个光栅外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。与普通分立元件F-P腔的作为增强腔的光栅外腔半导体激光器相比，本发明对音频和机械振动具有更好的免疫能力，从而具有更好的开环功率和频率稳定性，并且易于实现低噪声激光频率的调谐和控制，同时体积小，结构简单。

附图说明

图1为现有技术Littrow结构外腔半导体激光器示意图；

图2为现有技术Littman结构外腔半导体激光器示意图；

图3为掠衍射结构光栅外腔半导体激光器示意图；

图4为现有技术K.

，I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller和A.Wicht等人提出的F-P腔增强透射光栅Littman结构外腔半导体激光器示意图；

图5为现有技术B.Dahmani，＂L.Hollberg和R.Drullinger等人提出的谐振反馈半导体激光器示意图；

图6为本发明实施例单块折叠F-P腔增强掠衍射结构外腔半导体激光器示意图；

图7为本发明实施例单块折叠F-P腔增强Littman结构外腔半导体激光器示意图；

图8为本发明实施例单块折叠F-P腔增强透射Littman结构外腔半导体激光器示意图；

图9为本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔增强掠衍射结构外腔半导体激光器结构示意图；

图10为本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔增强Littman结构外腔半导体激光器结构示意图；

图11为本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔增强透射Littman结构外腔半导体激光器结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图6为本发明实施例单块折叠F-P腔增强掠衍射结构外腔半导体激光器示意图。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，在光栅12上的一阶衍射光衍射角为θd，衍射光入射到单块折叠F-P腔5，在单块折叠F-P腔5内部经多次反射后，该腔5的逆入射反射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径被返回到半导体激光管1，光栅12的直接镜反射光作为激光器的输出光束。

图7为本发明实施例单块折叠F-P腔增强Littman结构外腔半导体激光器示意图。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，在光栅12上的一阶衍射光衍射角为θd，衍射光入射到单块折叠F-P腔5，在单块折叠F-P腔5内部经多次反射后，该腔5的逆入射反射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径被返回到半导体激光管1，光栅12的直接镜反射光作为激光器的输出光束。

图8为本发明实施例单块折叠F-P腔增强透射Littman结构外腔半导体激光器示意图。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，该光栅12为透射光栅，在透射光栅12上的一阶衍射光衍射角为θd，衍射光入射到单块折叠F-P腔5，在单块折叠F-P腔5内部经多次反射后，该腔5的逆入射反射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径被返回到半导体激光管1，光栅12的透射光作为激光器的输出光束。

可以看出，本发明实施例半导体激光器除包括有半导体激光管1、准直透镜3、衍射光栅12等基本器件以外，用单块折叠F-P腔5取代图2所示Littman(比如图7所示实施例)或图3所示掠衍射结构光栅外腔半导体激光器中的常规反馈反射镜301(比如图6所示实施例)，或在图4所示A.Wicht等人的方案中取代由分立元件构成的F-P腔而构成(比如图8所示实施例)。

其中，图3为本申请人提出的一种新型的掠衍射结构光栅外腔半导体激光器。θi为光束在光栅上的入射角，θd为光束在光栅上的衍射角。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，以入射角θi入射到光栅12，光栅12的零阶衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅12的一阶衍射光正入射到反馈反射镜301上，由反射镜301将一级衍射光沿原路返回，沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅12被返回到半导体激光管1中。

本发明半导体激光器可以通过多种手段对输出光进行调节，包括：1)设置谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔5的光程来调节单块折叠F-P腔5决定的谐振频率；2)设置激光振荡频率调节系统，通过改变入射至单块折叠F-P腔5的衍射光的衍射角、改变光栅12到单块折叠F-P腔5的距离、改变光栅12到半导体激光管1的距离等方式来调节光栅12选频决定的激光振荡频率，例如：设置第一激光振荡频率调节系统，通过调节来改变入射至单块折叠F-P腔5的衍射光的衍射角；还可以设置第二激光振荡频率调节系统，通过调节来改变光栅12到单块折叠F-P腔5或光栅12到半导体激光管1的距离；3)设置半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管1的输入电流、温度等方式来改变半导体激光管1输出光频率范围等，例如：设置第一半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过调节来改变半导体激光管1的输入电流；还可以设置第二半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过调节来改变半导体激光管1的温度。其中，改变单块折叠F-P腔5的光程可以通过改变对单块施加应力、温度调节等方式(包括多种方式组合)来实现；改变入射至单块折叠F-P腔5的衍射光的衍射角可以通过转动单块折叠F-P腔5或转动光栅12的方式(包括多种方式组合)来实现；改变光栅12到单块折叠F-P腔5或光栅12到半导体激光管1的距离可以通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5、或光栅12、或半导体激光管1的方式或同时移动其中的两种以上部件等方式来实现。以上各种调节方式都可以任意组合，配合使用。通过上述调节手段可以改变半导体激光器输出激光的波长或频率，另外，通过调节使以上3种调节方式的激光频谱的峰值重合，来达到最佳的激光输出效果。

参见图6、图7和图8所示，半导体激光管1发出的激光在光栅12上的一阶衍射光束被入射在单块折叠F-P腔5上，单块折叠F-P腔5的逆入射反射光具有与普通非折叠F-P腔相反的光谱结构，从而可以使用其作为反馈光。该逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅再次衍射后，被返回到半导体激光管中。与采用常规反射镜301的方案相比，由于本发明单块折叠F-P腔5所提供的附加的选频作用，使得整个光栅外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。与普通分立元件F-P腔的作为增强腔的光栅外腔半导体激光器相比，本发明对音频和机械振动具有更好的免疫能力，从而具有更好的开环功率和频率稳定性，并且易于实现低噪声激光频率的调谐和控制，同时体积小，结构简单。

该单块折叠F-P腔5决定的谐振频率可通过粘接压电陶瓷方法和控温技术分别实现快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控制，而光栅12选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块折叠F-P腔5实现。例如通过微调螺钉或另外的压电陶瓷改变单块折叠F-P腔5的角度。经过这些途径，可将光栅12选频决定的激光频率与单块折叠F-P腔5决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块折叠F-P腔5的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块折叠F-P腔5温度和粘接在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷片调整控制激光频率。并可通过改变支配单块折叠F-P腔5转动的压电陶瓷电压或微调调节螺钉实现光栅外腔对单块折叠F-P腔5频率的跟踪或同步。

图9、图10和图11分别给出了带有调节部件的掠衍射结构、Littman结构和透射Littman结构的单块折叠F-P腔增强透射外腔半导体激光器实施例。

其中包括：半导体激光管1，半导体激光管热沉2，非球面准直透镜3，非球面准直透镜调整架4，单块折叠F-P腔5，用于单块的慢速大范围频率调谐的单块折叠F-P腔热沉6，调节架动板7，调节架定板8，用于单块折叠F-P腔的整体调整的微调螺钉9，用于单块折叠F-P腔5的整体调谐的调节架压电陶瓷10，粘在单块折叠F-P腔5上可用于折叠F-P腔的快速频率调谐的压电陶瓷11，光栅12，光栅固定架13，底板14。另外，图中还示出了光栅的零级衍射光，可作为输出光束，从单块折叠F-P腔返回的反馈光在光栅上的镜反射光，该光束可作为监测光。其中，

单块折叠F-P腔热沉6、粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷11构成所述谐振频率调节系统；

调节架动板7、调节架定板8、微调螺钉9、调节架压电陶瓷10构成所述光振荡频率调节系统；

半导体激光管热沉2构成所述半导体激光管1输出光频率范围调节系统。

所述调节架压电陶瓷10随电压变化可以沿厚度方向变化，带动调节架动板7转动，进而带动单块折叠F-P腔5转动，从而改变返回到光栅12的一级衍射光的方向，改变光程，并最终达到调节输出激光频率的目的。本实施例中设置了一个调节架压电陶瓷10，本领域技术人员应该认识到，如果需要也可以在调节架动板7的不同位置设置两个或两个以上，以控制调节架动板7的运动。

粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷11，本实施例中成片状并与单块折叠F-P腔5粘在一起，可以根据需要设置成如圆形、方形或其他多边形等任意形状。当加在该压电陶瓷11电压变化时，该压电陶瓷11的面积也会随之变化，并带动单块折叠F-P腔5形状变化，从而改变谐振腔谐振频率，达到调节输出激光频率的目的，相对于调节架压电陶瓷10的调节，压电陶瓷11对频率的调节更加细微、精确。

半导体激光管热沉2，用于控制半导体激光管1的温度。

单块折叠F-P腔热沉6，控制单块折叠F-P腔5的温度，进而通过温度的变化控制单块折叠F-P腔5的谐振频率，最终达到调节输出激光频率的目的，该控制速度相对于压电陶瓷11比较慢，但范围比较大。

当然，以上所述谐振频率调节系统中可以只设置单块折叠F-P腔热沉6、粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷11中的一个或通过其他方式调节单块折叠F-P腔(5)的光程。

光振荡频率调节系统也可以设置为：将单块折叠F-P腔5设计为固定不动，而光栅固定架13为可以转动调节，比如：设置定板、微调螺钉、粘接在光栅固定架上的压电陶瓷，微调螺钉设置在定板上，这样通过微调螺钉或改变压电陶瓷电压来转动光栅固定架13，可以改变光栅12方向，同时改变光栅12上的入射和衍射光的方向，进而达到跟踪和同步调节输出激光频率的目的。光振荡频率调节系统也可以只设置微调螺钉、压电陶瓷中的一种结构，或通过其他方式改变入射至单块折叠F-P腔5的衍射光的衍射角。并且还可以设置第二激光振荡频率调节系统，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5或光栅12或二者组合的方式来改变光栅12到单块折叠F-P腔5的距离。

也可以再设置一个导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过对半导体激光管1的输入电流的控制，来改变半导体激光管1输出光频率范围。

为使图9、图10和图11所示实施例单块折叠F-P腔增强透射外腔半导体激光器工作原理更加清楚，现举个例子来说明。功率30mW波长为689nm的半导体激光管1发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜3准直后，入射在刻线密度为1800g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为12.5mm×12.5mm、厚度为6mm的闪耀衍射光栅12上，例如入射角为20.2°，衍射角为63.5°。光栅12的零阶衍射光或直接镜反(透)射光作为激光器的输出光束。用一个由单块优质光学石英玻璃材料加工构成的单块折叠F-P腔5取代掠衍射结构光栅外腔半导体激光器中的常规反馈反射镜M，或取代在A.Wicht等人的方案中由分立元件构成的F-P腔，使得光栅的一阶衍射光模式匹配地入射在单块折叠F-P腔5上，将光栅12，半导体激光管1和单块折叠F-P腔5组成增强光栅外腔。单块折叠F-P腔5的逆入射反射光具有与非折叠F-P腔相反的光谱结构，该逆入射反射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅12被返回到半导体激光管1中。由于单块折叠F-P腔5的选频作用，使得光栅外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄，得到短期线宽小于100kHz。

半导体激光管1采用温度传感器和半导体制冷器2实现温度控制。单块折叠F-P腔5采用温度传感器和半导体制冷器6实现温度控制。该单块折叠F-P腔5的谐振频率可通过控制粘接在该腔上的压电陶瓷11上的电压的方法和对单块折叠F-P腔热沉6精密控温技术分别作快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控制，而光栅12选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块折叠F-P腔5实现。例如通过微调螺钉9或粘接在动板上的调节架压电陶瓷10改变单块折叠F-P腔5的对光栅12的反馈角度。在改变角度的过程中，固定在调节架动板7上的粘有压电陶瓷11的单块折叠F-P腔5和单块折叠F-P腔热沉6随着动板7一起旋转，使得进入单块折叠F-P腔5和由该腔返回光束的入射角和反射角保持不变，而入射和返回到光栅12的光束方向随着调节架动板7的转动改变相同的角度，从而实现对光栅的一级衍射光的波长或频率的选择。经过这些途径，可将光栅12选频决定的激光频率与单块F-P腔5决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块F-P腔5的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块热沉6的温度和粘接在单块上的压电陶瓷片11调整控制激光频率。可通过改变支配单块折叠F-P腔转动的压电陶瓷10的电压或微调调节螺钉9，带动单块折叠F-P腔5随着动板7一起旋转，实现光栅外腔对单块折叠F-P腔频率的跟踪或同步。非球面准直透镜调整架4用于固定非球面镜及激光束准直的调整，单块折叠F-P腔5通过热沉6固定在调节架动板7上，调节架动板7可通过定板8上的微调螺钉调整，调节架定板8、半导体激光管热沉2、非球面准直透镜调整架4和光栅固定架13均被固定在底板14上。

在本发明较佳实施例中，单块折叠F-P腔5可以采用超高纯度和均匀性，低气泡和低吸收的优质光学石英玻璃作为材料，该材料应具有极小的传输损耗，且三个光学反射面加工均为微凸面型，以保证谐振腔的稳定性。其光学面上的反射区域按照超光滑光学加工工艺仔细加工，表面的粗糙度优选低于0.5nm，一些情况下也可以采用高于0.5nm。上述图6至图11所示的单块折叠F-P腔5为侧面成直角梯形的六面体，制作过程中优选梯形下底面和与入射面(即梯形直角腰面)所成90°角的角度误差以及三个光学面(光线所经过的三个面)的塔差均被控制在6″以内，光学镀膜的吸收系数小于50ppm。作为输入输出耦合面的斜入射面的镀膜反射率优选为0.99左右，正入射的高反射面的镀膜反射率优选大于等于0.999。当然以上各数值仅为本发明较佳的实施方案，采用较小的精度和反射率也是可以的。

在图6至11所示实施例中，单块折叠F-P腔5除梯形的两个腰面以外的其他面可以不镀膜。单块折叠F-P腔5也可以采用其他形状，只要光路满足谐振腔要求即可。

单块折叠F-P腔5的材料也可采用其它材料，反射面的面型也可采用平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合，比如：必要时设置其中一个或多个反射面为微凸面，即平面与微凸面的组合，这样可以对发散光束进行矫正；或者设置其中一个或多个反射面为微凹面，即平面与微凹面的组合，这样可以对汇聚光束进行矫正；同样必要时还可以设置平面、微凸面、微凹面三者的组合。角度误差也可采用其它数值，光学镀膜的反射率也可采用其它数值。

上述各方案中的半导体激光管1也可根据需要选用输出波长、输出功率。光栅12可采用透射光栅，或以需要的其它刻线密度和大小厚度构成，或选用其它的入射角和衍射角。准直透镜3也可以采用其它焦距和数值孔径。

本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (16)

1.一种半导体激光器，包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、光栅(12)和F-P腔，其特征在于，所述F-P腔为单块折叠F-P腔(5)。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光管(1)发出的激光在光栅(12)上的衍射光束被入射在单块折叠F-P腔(5)上，单块折叠F-P腔(5)的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅(12)再次衍射后，被返回到半导体激光管(1)中。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述衍射光为一阶衍射光。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述单块折叠F-P腔(5)为侧面成直角梯形的六面体，该单块折叠F-P腔(5)的布设使得衍射光束从梯形的直角腰面入射，经底边面和另一个腰面的反射后的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径返回。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，对所述半导体激光器还包括以下一种或两种以上调节系统的组合：

谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔(5)的光程来调节单块折叠F-P腔(5)决定的谐振频率；

第一激光振荡频率调节系统，通过改变入射至单块折叠F-P腔(5)的衍射光的衍射角来调节光栅(12)选频决定的激光振荡频率；

第二激光振荡频率调节系统，通过改变光栅(12)到单块折叠F-P腔(5)或光栅(12)到半导体激光管(1)的距离来调节光栅(12)选频决定的激光振荡频率；

第一半导体激光管(1)输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管(1)的输入电流来改变半导体激光管(1)输出光频率范围；

第二半导体激光管(1)输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管(1)的温度来改变半导体激光管(1)输出光频率范围。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振频率调节系统通过改变对单块施加的应力或温度调节或二者组合的方式来改变单块折叠F-P腔(5)的光程；

所述第一激光振荡频率调节系统，通过转动单块折叠F-P腔(5)或转动光栅(12)或二者组合的方式来改变入射至单块折叠F-P腔(5)的衍射光的衍射角；

所述第二激光振荡频率调节系统，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔(5)、光栅(12)、半导体激光管(1)中的一种或两种以上任意组合的方式来改变光栅(12)到单块折叠F-P腔(5)或光栅(12)到半导体激光管(1)的距离。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一激光振荡频率调节系统包括：调节架动板(7)、调节架定板(8)、微调螺钉(9)和/或调节架压电陶瓷(10)；

所述单块折叠F-P腔(5)设置在调节架动板(7)上，所述微调螺钉(9)设置在调节架定板(8)上，所述调节架压电陶瓷(10)粘接在调节架动板(7)上；

所述第一激光振荡频率调节系统的设置使得通过微调螺钉(9)或改变压电陶瓷(10)电压转动调节架动板(7)；并在转动调节架动板(7)的过程中，保持进入单块折叠F-P腔(5)的光束和由该单块折叠F-P腔(5)返回光束，相对于单块折叠F-P腔(5)的入射角和反射角不变。

8.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振频率调节系统包括：单块折叠F-P腔热沉(6)；

单块折叠F-P腔(5)通过单块折叠F-P腔热沉(6)，单块折叠F-P腔热沉(6)用于控制单块折叠F-P腔(5)的温度，并通过温度的变化控制单块折叠F-P腔(5)的谐振频率。

9.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振频率调节系统包括：粘在单块折叠F-P腔(5)上的压电陶瓷(11)，用于通过改变压电陶瓷(11)电压对单块折叠F-P腔(5)施加应力控制单块折叠F-P腔(5)的谐振频率。

10.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一激光振荡频率调节系统包括：定板、可活动的光栅固定架(13)、微调螺钉和/或粘接在光栅固定架上的压电陶瓷，光栅(12)设置在可活动的光栅固定架(13)上，所述微调螺钉设置在定板上，通过微调螺钉或改变压电陶瓷电压来转动光栅固定架(13)。

11.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述单块折叠F-P腔(5)的三个光学反射面均为微凸面型；

或者所述单块折叠F-P腔(5)的反射面型为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

12.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述单块折叠F-P腔(5)光学面上的反射区域表面的粗糙度低于0.5nm。

13.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述单块折叠F-P腔(5)90°角的两个光学面之间的角度误差以及三个光学面的塔差被控制在6″以内，光学镀膜的吸收系数小于50ppm。

14.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述单块折叠F-P腔(5)作为输入输出耦合面的斜入射面的镀膜反射率为0.99，正入射的高反射面的镀膜反射率大于0.999。

15.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅(12)为衍射光栅或透射光栅。

16.根据权利要求1项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器为掠衍射结构、或Littman结构、或透射Littman结构。

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