CN101557075B - 半导体激光器的法布里-珀罗腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于半导体激光器的法布里-珀罗(F-P)腔，其中所述F-P腔为单块折叠F-P腔；并且该单块折叠F-P腔构成为入射进该F-P腔的至少一部分光束，在该F-P腔内经多次反射后沿着与原入射光束共线反向的路径输出。本发明方案通过把折叠F-P腔的反射镜和折叠镜直接做在一块光学材料上等技术收到，使得F-P腔稳定性大大提高，并具有不易受外界干扰，体积小、系统简单和使用方便。

Description

半导体激光器的法布里-珀罗腔

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术，特别是指一种半导体激光器的法布里-珀罗(F-P)腔。

背景技术

F-P腔是光学和激光研究中的重要工具。折叠F-P腔的逆入射反射光具有与直F-P腔相反的光谱结构，可以提供窄线宽光反馈。目前折叠F-P腔由分立元件构成。例如K.I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，and A.Wicht提出的采用的分立元件折叠F-P腔结构，如图1所示。折叠F-P腔(CAV)由一个耦合镜101，两个反射镜102和103组成，其中耦合镜101还兼做折叠反射镜。入射光从耦合镜101射入折叠F-P腔，在腔内经反射镜102、103和耦合镜101的反射后，产生两束反射光束，即与耦合镜101上的原入射光的镜反射光共线同向的反射光和共线反向的逆入射的反射光。其中沿着与原入射光束共线反向的逆入射反射光束可作为附带有选频作用的输出光被输出。

现有技术分立元件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，本发明提出一种用于半导体激光器的F-P腔，解决分立元件折叠F-P腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题。

基于上述目的本发明提供的应用于半导体激光器的法布里-珀罗F-P腔，所述F-P腔包括第一反射面、第二反射面和折叠面；从折叠面的入射点入射进所述F-P腔的至少一部分光束，正入射在第一反射面上，光束被第一反射面反射后回到折叠面，再经折叠面反射后正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后回到折叠面，并从入射点沿与入射光相反的方向射出。

其中第一反射面和第二反射面与折叠面分别成相同的夹角。

其中第一反射面、第二反射面和折叠面向内部微凸，或者为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

其中第一反射面、第二反射面镀有高反射膜；F-P腔材料为光学玻璃或光学石英玻璃。

其中高反射膜的吸收系数小于50ppm，反射率Rab＞0.999，折叠面的镀膜反射率为0.99。

基于上述目的本发明提供的应用于半导体激光器的法布里-珀罗F-P腔，所述F-P腔包括反射面、第一折叠面和第二折叠面；从第一折叠面的入射点入射进所述F-P腔的至少一部分光束，正入射在反射面上，光束被反射面反射后回到第一折叠面，再经第一折叠面反射后入射在第二折叠面上，光束经第二折叠面反射后正入射在反射面上，光束经反射面反射后返回第二折叠面，并经第二折叠面反射后返回到第一折叠面，并从入射点沿与入射光相反的方向射出。

其中F-P腔的光路所在面为直角梯形，所述第一折叠面为直角腰所在面，所述第二折叠面为下底面，反射面为另一腰所在面。

其中第一折叠面和第二折叠面之间的夹角为90°。

其中反射面、第一折叠面和第二折叠面向内部微凸，或者为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

其中反射面镀有高反射膜；F-P腔材料为光学玻璃或光学石英玻璃。

其中高反射膜的吸收系数小于50ppm，反射率Rab＞0.999，第一折叠面的镀膜反射率为0.99。

从上面所述可以看出，本发明提供的F-P腔，通过把折叠F-P腔的反射镜和折叠镜直接做在一块光学材料上等技术手段，使得F-P腔稳定性大大提高，并具有不易受外界干扰，体积小、系统简单和使用方便等特点。

附图说明

图1为现有K.

I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，and A.Wicht提出的采用的分立元件折叠F-P腔的结构示意图；

图2为本发明第一较佳实施例单块折叠F-P腔的结构示意图；

图3为本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔增强掠衍射结构外腔半导体激光器结构示意图；

图4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5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；

图6为本发明第二较佳实施例单块折叠F-P腔的结构示意图。

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。

本发明通过把折叠F-P腔的反射镜和折叠镜直接做在一块光学或激光材料上构成，并且该单块折叠F-P腔构成为入射进该F-P腔的至少一部分光束，在该F-P腔内经多次反射后沿着与原入射光束共线反向的路径输出。折叠面可以有一个或者多于一个，折叠面可以由镀膜面或全反射面构成。

本发明第一个优选实施例采用二次折叠的单块F-P腔结构，参见图2所示。图2中，A、B、D表示单块折叠F-P腔5在反射面上的光束反射点；C表示光束入射点，同时也是光束的反射点。C点所在的光学表面不仅作为单块折叠F-P腔5的折叠面，同时还兼作单块折叠F-P腔5的输入和输出耦合面；D点所在平面为全反射折叠面。在本实施例中，A点和B点所在的表面构成等效F-P腔5的两端反射镜，而C点和D点所在表面构成折叠F-P腔的折叠面，产生F-P腔的二次折叠，且该折叠面之间的夹角为90°，从而保证入射到折叠面的光束与经过这两个折叠面反射的光束之间的平行。利用低传输损耗的光学石英玻璃或其它光学玻璃作为材料，通过光学加工使其形成包含三个光学面的梯形六面体单块结构形式，如图2所示光路所在面成直角梯形。该梯形体底边长度15mm，梯形高为13mm，厚度为6mm。在该六面体上的三个光学表面中，C点所在表面可为平面或曲面，利用光学镀膜技术镀有合适反射率Rc的反射膜，例如反射率Rc＝0.9至0.99。A点和B点所在的表面可为平面或曲面，利用光学镀膜技术镀有低吸收系数高反射率Rab的反射膜，例如，吸收系数小于50ppm，Rab＞0.999。D点所在平面为折叠面，该表面可为平面或曲面，该面可不镀膜，通过内全反射原理实现光束的折叠。C点和D点所在的表面夹角为90°，C点所在的表面与A、B点所在表面夹角为30°。光学加工中90°的角度公差和3个光学表面的塔差均得到严格保证。

输入激光光束，例如波长在689nm，以入射角46.7°在兼做折叠面和输入输出耦合面上的C点入射，入射光在C点发生反射和折射。其中折射进入折叠F-P腔5的光束部分，正入射在镀有高反射膜的反射表面上的B点，在该点反射后，返回到折叠面C点，在C点发生透射和反射，其中反射部分以大于全反射的角度入射在D点。在D点发生内全反射后，折向镀有高反射膜的反射面上的A点，以正入射方式在A点被反射后，回到全反射面折叠面上D点，然后回到折叠面兼输入输出耦合面上的C点。并在C点发生透射和反射。

在C点的透射光束中，与入射光束共线反向的透射光束构成F-P腔5的逆入射反射光，其光谱表现为与常规非折叠F-P腔5相反的分布结构，即在谐振频率处该反射光最强。而沿着入射光的镜反射方向的外部反射光束方向上的透射光束，与外部直接的镜反射光束相干叠加形成镜反射方向上的反射光束，该光束强度在谐振频率处达到最小值。

单块折叠F-P腔5采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。该单块折叠F-P腔5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F-P腔5谐振频率的调谐与控制。

图3、图4和图5分别给出了将图2所示单块折叠F-P腔5应用于掠衍射结构、Littman结构和透射Littman结构的增强透射外腔半导体激光器的实现结构。

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和光程，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。

发明第二个优选实施例中，单块F-P腔采用一次折叠的结构，参见图6所示。图6中，A、B表示单块折叠F-P腔601两端反射面上的光束反射点；C表示光束入射点。A、B点所在的表面为光束反射面；C点所在的表面既是单块折叠F-P腔601的折叠面，又是光束反射面，同时还兼作单块折叠F-P腔601的输入和输出耦合面。光线在兼做折叠面的输入输出耦合面上的C点入射进入折叠F-P腔601，经过在镀有高反射膜的反射表面上B点正入射被反射后，回到折叠面C点，再经反射折向镀有高反射膜的反射面上的A点，在A点正入射被反射后回到折叠面的C点。光路所在面优选采用图6所示轴对称形状，两反射面与折叠面分别成相同的夹角。

上述方案中的腔体也可选用其它形状，尺寸大小也可选用其它尺寸，各个面所成夹角也可选用其它角度，激光波长可选用其它波长数值，材料也可选用其它光学或激光材料，镀膜参数也可选用其它数值，折叠次数也可选用其它数值。

单块折叠F-P腔可以采用超高纯度和均匀性，低气泡和低吸收的优质光学玻璃或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所示的单块折叠F-P腔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腔除梯形的两个腰面以外的其它面可以不镀膜。单块折叠F-P腔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。

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 (11)

1.一种应用于半导体激光器的法布里-珀罗F-P腔，其特征在于，

所述F-P腔包括第一反射面、第二反射面和折叠面；从折叠面的入射点入射进所述F-P腔的至少一部分光束，正入射在第一反射面上，光束被第一反射面反射后回到折叠面，再经折叠面反射后正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后回到折叠面，并从入射点沿与入射光相反的方向射出。

2.根据权利要求1所述的F-P腔，其特征在于，第一反射面和第二反射面与折叠面分别成相同的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的F-P腔，其特征在于，所述第一反射面、第二反射面和折叠面向内部微凸，或者为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

4.根据权利要求1或2所述的F-P腔，其特征在于，所述第一反射面、第二反射面镀有高反射膜；

所述F-P腔材料为光学玻璃或光学石英玻璃。

5.根据权利要求4所述的F-P腔，其特征在于，所述高反射膜的吸收系数小于50ppm，反射率Rab＞0.999，折叠面的镀膜反射率为0.99。

6.一种应用于半导体激光器的法布里-珀罗F-P腔，其特征在于，所述F-P腔包括反射面、第一折叠面和第二折叠面；从第一折叠面的入射点入射进所述F-P腔的至少一部分光束，正入射在反射面上，光束被反射面反射后回到第一折叠面，再经第一折叠面反射后入射在第二折叠面上，光束经第二折叠面反射后正入射在反射面上，光束经反射面反射后返回第二折叠面，并经第二折叠面反射后返回到第一折叠面，并从入射点沿与入射光相反的方向射出。

7.根据权利要求6所述的F-P腔，其特征在于，所述F-P腔的光路所在面为直角梯形，所述第一折叠面为直角腰所在面，所述第二折叠面为下底面，反射面为另一腰所在面。

8.根据权利要求7所述的F-P腔，其特征在于，所述第一折叠面和第二折叠面之间的夹角为90°。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的F-P腔，其特征在于，所述反射面、第一折叠面和第二折叠面向内部微凸，或者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6-8中任一项所述的F-P腔，其特征在于，所述反射面镀有高反射膜；

所述F-P腔材料为光学玻璃或光学石英玻璃。

11.根据权利要求10所述的F-P腔，其特征在于，所述高反射膜的吸收系数小于50ppm，反射率Rab＞0.999，第一折叠面的镀膜反射率为0.99。

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