CN101521352A - 半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体激光器，至少包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、分束镜(12)和单块折叠F－P腔(5)；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，经准直透镜(3)准直后由在分束镜(12)分出的一束入射在单块折叠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，经分束镜(12)被返回到半导体激光管(1)中。本发明不用腔内分立元件的F－P腔和腔外复杂昂贵的反馈锁定电子系统，实现了半导体激光器的窄线宽输出，谱线宽度能够达到小于100kHz，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制，激光对常规干扰光反馈的免疫能力更强，激光的噪声更低。

Description

半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术，特别是指一种单块折叠法布里-珀罗(F-P)腔谐振反馈半导体激光器。

背景技术

半导体激光器，包括采用常规半导体激光管(LD)和分布反馈(DFB)技术的半导体激光器是科研和工业中的重要激光光源。然而这些半导体激光器输出谱线非常宽，一般达到几兆赫甚至几十兆赫。这种宽线宽存在与许多场合的应用要求相距甚远。

目前，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。另一种方式是在激光器外部加入一个共焦F-P腔作为产生光反馈的器件，利用F-P谐振峰的窄谱光反馈压窄线宽。例如B.Dahmani，L.Hollberg，and R.Drullinger提出的谐振反馈半导体极光器，参见图1所示。在半导体激光器外腔中设置一个由耦合镜506和耦合镜507组成的共焦F-P腔，通过该F-P腔的反馈作用，使得激光器的输出激光频率振荡在该F-P腔的某个谐振峰上。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，分束镜504分出的一束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再次反射后沿原路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。

虽然B.Dahmani，L.Hollberg，and R.Drullinger提出采用分立元件F-P腔构成半导体激光器能实现更窄线宽，但是分立元件F-P腔容易受到外界音频、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。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种半导体激光器，使得半导体激光器不用反馈锁定电子系统，解决常规半导体激光器和分布反馈半导体激光器谱线宽的问题，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半导体激光器包括：半导体激光管、准直透镜、分束镜和单块折叠F-P腔；

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，经准直透镜准直后由在分束镜分出的一束入射在单块折叠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，经分束镜被返回到半导体激光管中。

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；

激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜到单块折叠F-P腔或分束镜到半导体激光管的距离来调节分束镜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。

该半导体激光器的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；

所述激光振荡频率调节系统，在保证分束镜分出的入射光到达单块折叠F-P腔的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔、分束镜、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分束镜到单块折叠F-P腔或分束镜到半导体激光管的距离。

该半导体激光器的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。

该半导体激光器的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。

该半导体激光器还包括：光路校准系统，通过调节分束镜或单块折叠F-P腔角度，保证半导体激光管的光束与单块折叠F-P腔之间的对准。

该半导体激光器的所述光路校准系统包括：调节架动板、微调螺钉和调节架定板；

所述分束镜设置在调节架动板上，所述微调螺钉设置在调节架定板上，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉带动调节架动板转动；

或者所述单块折叠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，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉带动调节架动板转动。

该半导体激光器的所述单块折叠F-P腔为侧面成直角梯形的六面体，该单块折叠F-P腔的布设使得分束镜分出的入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。

该半导体激光器的所述单块折叠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。

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

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；

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。

从上面所述可以看出，提出的半导体激光器在谐振反馈半导体激光器的基础上采用单块折叠F-P腔，不用腔内分立元件的F-P腔和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现了半导体激光器的窄线宽输出，谱线宽度能够达到小于100kHz，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制，激光对常规干扰光反馈的免疫能力更强，激光的噪声更低。

本发明中，半导体激光管和单块折叠F-P腔分别可以采用温度传感器和半导体制冷器实现各自独立的温度控制。该单块折叠F-P腔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，而半导体激光管决定的激光振荡频率可通过调整激光管电流或改变激光管温度实现。经过这些途径，可将半导体激光管与单块折叠F-P腔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腔的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块温度和粘接在单块上的压电陶瓷片调整控制激光频率的同时，改变半导体激光管的电流或改变激光管温度，实现对单块折叠F-P腔频率的跟踪或同步。

附图说明

图1为现有技术B.Dahmani，＂L.Hollberg，and R.Drullinger等人提出的谐振反馈半导体激光器示意图；

图2为本发明实施例单块折叠F-P腔反馈半导体激光器示意图；

图3为本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔反馈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。

本发明实施例半导体激光器结构参见图2所示，包括：半导体激光管1、准直透镜(AL)3、分束镜(BS)12、单块折叠F-P腔(MFC)5。可以看出，本实施例是在B.Dahmani，L.Hollberg，and R.Drullinger的方案中，用单块折叠F-P腔5取代由分立元件构成的F-P腔而构成。其中，半导体激光管1可以采用半导体二极管(LD)、分布反馈(DFB)半导体激光器等半导体激光光源。半导体激光管1发出的激光，经准直透镜3准直后，通过分束镜12分出合适功率的一束入射在单块折叠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F-P腔相反的光谱结构，从而可以使用作为反馈光。该逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经分束镜12被返回到半导体激光管1中。由于F-P腔所具有更好的选频作用，使得整个激光谐振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。

下面结合图2所示，举例对单块折叠F-P腔反馈半导体激光器工作原理进行说明。功率30mW波长为689nm的半导体二极管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，入射在分束片12上，例如入射角为21.7°。直接透射光作为激光器的输出光束。分出的反射光束入射在一个由单块优质光学石英玻璃材料加工构成的折叠F-P腔5上，使得光束模式匹配地入射在单块折叠F-P腔5上，从而将半导体激光管1，分束镜12和单块折叠F-P腔5组成窄线宽半导体激光器。单块折叠F-P腔5的逆入射反射光具有与F-P腔相反的光谱结构，从而可以使用作为反馈光。该逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经分束镜12被返回到半导体激光管1中。由于单块折叠F-P腔5所具有更好的选频作用，使得整个激光谐振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，得到短期线宽小于100kHz。

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内部的光程来调节单块折叠F-P腔5决定的谐振频率。例如：可以通过改变对单块折叠F-P腔5施加应力、温度调节等方式(包括多种方式组合)来实现。

2)设置激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜12到单块折叠F-P腔5的距离、改变分束镜12到半导体激光管1的距离等方式来调节分束镜12选频决定的激光振荡频率，例如：设置激光振荡频率调节系统，在保证分束镜12分出的入射光到达单块折叠F-P腔5的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5、或分束镜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来改变分束镜12到单块折叠F-P腔5或分束镜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。

以上各种调节系统的各种调节方式都可以任意组合，来配合使用。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，本发明优选实施例中，为达到最佳的激光输出效果，调节过程中应使以上三种调节手段所获得的激光频谱的峰值重合。

图3本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔反馈半导体激光器结构示意图。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，粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7，用于调整分束镜12的调节架动板8，微调螺钉9，固定在底板11上的调节架定板10，底板11以及分束镜12。其中，

半导体激光管热沉2，用于控制半导体激光管1的温度，从而改变半导体激光管1输出光频率范围。

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7比较慢，但范围比较大。

粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7，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7电压变化时，该压电陶瓷7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，相对于单块折叠F-P腔热沉6的调节，压电陶瓷7对频率的调节更加快速、细微、精确。

调节架动板8，微调螺钉9和调节架定板10用于分束镜12的调整，所述分束镜12设置在调节架动板8上，所述微调螺钉9设置在调节架定板10上，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉9带动调节架动板8转动，从而保证半导体激光管1的光束与单块折叠F-P腔5之间的对准。该调整系统也可用于单块折叠F-P腔5，即将调节架动板8与单块折叠F-P腔5固定在一起，并在相应位置设置微调螺钉9和调节架定板10，而分束镜12保持不动，通过调整单块折叠F-P腔5保证半导体激光管1的光束与单块折叠F-P腔5之间的对准。另外，还可以利用压电陶瓷带动调节架动板8，比如：在微调螺钉9和调节架动板8之间设置压电陶瓷，这样可以获得更为精确的调节。

上述单块折叠F-P腔热沉6、粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7构成所述谐振频率调节系统；调节架动板8、微调螺钉9、调节架定板10构成光路校准系统；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。

另外，还可以在图3所示设备中设置激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜12到单块折叠F-P腔5的距离、改变分束镜12到半导体激光管1的距离等方式来调节分束镜12选频决定的激光振荡频率，例如：通过设置螺钉、压电陶瓷等惯用的机械机构，带动单块折叠F-P腔5、或分束镜12、或半导体激光管1移动，在保证分束镜12分出的入射光到达单块折叠F-P腔5的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5、或分束镜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方式来实现来改变分束镜12到单块折叠F-P腔5或分束镜12到半导体激光管1的距离。

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2、3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。

在上述各实施例中，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。

上述本发明各方案中的半导体激光管也可采用分布反馈半导体激光器，也可选用其它波长，其它输出功率。分束片也可采用波片和偏振元件构成，例如1/2波片和偏振分光元件构成，选用其它的入射角。准直透镜也可以采用其它焦距和数值孔径构成。

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 (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，至少包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、分束镜(12)和单块折叠F-P腔(5)；

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，经准直透镜(3)准直后，由在分束镜(12)分出的一束入射在单块折叠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，经分束镜(12)被返回到半导体激光管(1)中。

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；

激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜(12)到单块折叠F-P腔(5)或分束镜(12)到半导体激光管(1)的距离来调节分束镜(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。

3.根据权利要求2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；

所述激光振荡频率调节系统，在保证分束镜(12)分出的入射光到达单块折叠F-P腔(5)的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔(5)、分束镜(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分束镜(12)到单块折叠F-P腔(5)或分束镜(12)到半导体激光管(1)的距离。

4.根据权利要求3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。

5.根据权利要求3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(7)，用于通过改变压电陶瓷(7)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。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器还包括：光路校准系统，通过调节分束镜(12)或单块折叠F-P腔(5)角度，保证半导体激光管(1)的光束与单块折叠F-P腔(5)之间的对准。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述光路校准系统包括：调节架动板(8)、微调螺钉(9)和调节架定板(10)；

所述分束镜(12)设置在调节架动板(8)上，所述微调螺钉(9)设置在调节架定板(10)上，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉(9)带动调节架动板(8)转动；

或者所述单块折叠F-P腔(5)设置在调节架动板(8)上，所述微调螺钉(9)设置在调节架定板(10)上，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉(9)带动调节架动板(8)转动。

8.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)的布设使得分束镜(12)分出的入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。

9.根据权利要求8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。

10.根据权利要求8或9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；

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；

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。

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