CN101582561A - 光栅掠衍射外腔半导体激光器 - Google Patents

光栅掠衍射外腔半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光栅掠衍射外腔半导体激光器，其特征在于，包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、光栅(12)和反射镜(5)；所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光二极管(1)发出的激光入射到光栅上的入射角θi小于光栅(12)的一级衍射光的衍射角θd。通过本发明使得衍射光的光斑小于入射光光斑，可实现子午方向上的光斑压缩。

Description

光栅掠衍射外腔半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术，特别是指一种光栅掠衍射外腔半导体激光器。
背景技术
光栅反馈外腔半导体激光器是以外加衍射光栅的波长或频率选择作用，实现对普通激光二极管的线宽压窄和谱线选择。由图1和图2所示，半导体激光管(LD)1发出的激光束对衍射光栅(Gt)12的入射角为θi，衍射光栅12对该入射光束衍射后，产生的一阶衍射光的衍射角为θd。根据对θi和θd之间的相互关系进行分类，可将现有光栅外腔半导体激光器分为两类：
第一类：θi＞θd，入射光接近掠入射。入射角大于衍射角，Littman结构，如图2所示。
第二类：θi＝θd，入射角等于衍射角。Littrow结构，如图1所示。
参见图2所示，在Littman结构中，半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜(AL)3准直后，以掠入射的角度入射在衍射光栅12上。衍射光栅12的一级衍射光正入射在一块平面反馈反射镜(M)5上，被反馈反射镜5反射后，沿原路返回到衍射光栅12上，经衍射光栅12再次衍射后回到半导体激光管1中，这里半导体激光管1发出的激光入射到衍射光栅12上的入射角θi大于光栅的衍射角θd。
在图1所示的Littrow结构中，半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后，入射在衍射光栅12上。衍射光栅12的一级衍射光沿与入射光反向共线的路径，按原路返回到半导体激光管1中，这里半导体激光管1发出的激光入射到衍射光栅12上的入射角θi等于光栅的衍射角θd。
在上面所述的两种光栅外腔半导体激光器的结构中，Littrow结构简单，但是同时可变的参数也少，不能对衍射光作进一步处理和操作。Littman结构中掠入射的存在，使得参与衍射的光栅刻线数目较多，从而具有更好的波长选择或选频作用，特别是该结构中增加了附加的反馈反射镜，有可能对衍射光作进一步处理和操作。然而，不利的是衍射光栅的一级衍射光斑在子午方向上尺寸较大，在该方向上对反馈反射镜面型的要求较高，不利于以其它光学元件取代反馈反射镜。另外，为了实现光栅激光谐振腔的同步调谐，需将反馈反射镜调谐的转动中心线P位于光栅表面所在的平面内，且该转动中心P距反馈反射镜反射面的垂直距离应近似等于该转动中心P距半导体激光管后表面所在等效平面的垂直距离，并且符号相反。其符号的正负规定为：该距离与光线位于平面的同侧为正，反之为负。而Littman结构中，反馈反射镜M和同步调谐转动中心P分别位于半导体激光管发射激光束的两侧，这对于实现同步调谐的机械结构设计是不利的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种光栅掠衍射外腔半导体激光器，能够减小一级衍射光光斑在子午方向上的尺寸，更易于激光的同步转动波长调谐机械结构的设计实现。
基于上述目的本发明提供的光栅掠衍射外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、准直透镜、光栅和反射镜；
所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光二极管发出的激光入射到光栅上的入射角θi小于光栅一级衍射光的衍射角θd。
所述半导体激光器内各部件的布设还使得所述光栅的一级衍射光正入射到反射镜上；由反射镜将一级衍射光沿原路返回并沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅被返回到半导体激光管中。
所述半导体激光器内各部件的布设使得反射镜和反射镜的同步调谐转动中心P位于半导体激光管发射激光束的同侧。
所述半导体激光器还包括以下至少一种：
半导体激光管热沉，用于半导体激光管的温度控制；
电流控制装置，用于控制半导体激光管的输入电流。
所述半导体激光器还包括：反射镜转动调节装置，用于调节所述反射镜以反射镜的同步调谐转动中心P为轴进行转动。
所述半导体激光器的所述反射镜转动调节装置包括：
反射镜调整架动板，用于安置反馈反射镜，在反射镜调整架动板上设置有频率调谐压电陶瓷；
反射镜调整架定板，设置有波长/频率调谐调整螺钉和反射镜调整螺钉，并固定在半导体激光器的底板上；通过调整架定板上的微调螺钉或调整架动板上的压电陶瓷来改变固定反射镜的反射镜调整架动板的角度，实现对激光频率或波长的粗略调谐或精细调谐；反射镜调整螺钉控制反射镜调整架动板，用以调整反射镜的反射面与衍射光垂直，并用于转动中心P的定位。
所述半导体激光器的所述光栅为衍射光栅或透射光栅。
所述半导体激光器的所述衍射光栅为闪耀衍射光栅或全息光栅。
从上面所述可以看出，本发明提出了光栅外腔半导体激光器的第三种结构，即光栅掠衍射外腔半导体激光器，该结构入射角θi＜衍射角θd，衍射光接近掠衍射。该半导体激光器的半导体激光管发出的激光入射到光栅上的入射角θi小于光栅的衍射角θd，因此能够减小一级衍射光斑尺寸，从而易于用其它光学元件取代反馈反射镜。使得光栅的衍射光斑在子午方向上被压缩，其尺寸小于入射光斑尺寸，且反馈反射镜M和同步调谐转动中心P位于半导体激光管发射激光束的同侧，从而更易于设计实现激光的同步转动波长调谐。
附图说明
图1为现有Littrow结构外腔半导体激光器示意图；
图2为现有Littman结构外腔半导体激光器示意图；
图3为本发明实施例掠衍射结构外腔半导体激光器示意图；
图4为本发明实施例带有调节部件的掠衍射结构外腔半导体激光器示意图。
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。
本发明的技术方案如图3和图4所示，该光栅掠衍射外腔半导体激光器包括：半导体激光管1、准直透镜3、光栅12和反射镜5。与Littman结构不同的是，半导体激光管1发出的激光入射到光栅12上的入射角θi小于光栅的衍射角θd。通过上述结构可以使得光栅12的衍射光斑在子午方向上被压缩，其尺寸小于入射光斑尺寸，且反射镜5和同步调谐转动中心P更容易被选择在位于半导体激光管发射激光束的同侧。光栅12选频可通过绕同步转动中心P转动反射镜5实现，例如：设置反射镜转动调节装置，调节所述反射镜5以反射镜5的同步调谐转动中心P为轴进行转动。
下面结合图3所示，举例对本发明光栅掠衍射外腔半导体激光器工作原理进行说明。如图3所示，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21.2°，衍射角为63.5°。衍射光栅12的零级衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。衍射光栅12的一级衍射光正入射到反馈反射镜5上。衍射光栅12、半导体激光管1和反射镜5组成光栅外腔。由反射镜5将一级衍射光沿原路返回。该反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，经衍射光栅12再次衍射后，被返回到半导体激光管1中。由于光栅外腔的选频作用，使得激光振荡的频率噪声被压缩，从而实现激光线宽的压窄。
参见图4所示，为本发明设置了调节部件的掠衍射结构外腔半导体激光器示意图，包括：半导体激光管1、半导体激光管热沉2、准直透镜3、准直透镜调整架4、反馈反射镜5、反射镜调整架动板6、反射镜调整架定板7、波长或频率调谐调整螺钉8、反射镜调整螺钉9、频率调谐压电陶瓷10、光栅固定架11、衍射光栅12以及底板13。其中，
半导体激光管热沉2，用于半导体激光管1的温度控制，可采用温度传感器和半导体制冷器实现该温度控制，进而可以控制半导体激光管1的输出波长等参数。
准直透镜调整架4，用于安置准直透镜3，还可以通过微调螺钉等对准直透镜调整架4的角度、位置进行微调。
反射镜调整架动板6，用于安置反馈反射镜5，在反射镜调整架动板6上设置有频率调谐压电陶瓷10。
反射镜调整架定板7上设置有波长/频率调谐调整螺钉8以及反射镜调整螺钉9，并固定在底板13上。波长/频率调谐调整螺钉8与反射镜调整架动板6的频率调谐压电陶瓷10接触，波长/频率调谐调整螺钉8用于粗调，频率调谐压电陶瓷10用于较细致的调节。通过调整架定板上的微调螺钉8或调整架动板上的压电陶瓷10来改变固定反射镜5的反射镜调整架动板6的角度，实现对激光频率或波长的粗略调谐或精细调谐。反射镜调整螺钉9控制反射镜调整架动板6，用以调整反射镜5的反射面与衍射光垂直，并用于转动中心P的定位，使得反射镜5能够保持以转动中心P为轴转动。
光栅固定架11，用于安置衍射光栅12，还可以通过微调螺钉、压电陶瓷等对光栅固定架11的角度、位置进行微调。
除所述半导体激光管热沉2外，还可以对半导体激光管1的输入电流设置电流控制装置，控制半导体激光管1的输出波长等参数。
上面只是为配合说明而给出的具体实施例，本领域技术人员应该知道在本发明的思想下的其他简单替换或常用技术手段也应在本发明保护范围之内。例如：半导体激光管也可选用其它波长，其它输出功率；光栅也可采用透射光栅、或全息光栅等，其它刻线密度和大小厚度构成，选用其它的入射角和衍射角。准直透镜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 (8)

1.一种光栅掠衍射外腔半导体激光器，其特征在于，包括：半导体激光管(1)、准直透镜(3)、光栅(12)和反射镜(5)；
所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光二极管(1)发出的激光入射到光栅上的入射角θi小于光栅(12)一级衍射光的衍射角θd。
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还使得所述光栅(12)的一级衍射光正入射到反射镜(5)上；由反射镜(5)将一级衍射光沿原路返回并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。
3.根据权利要求2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反射镜(5)和反射镜(5)的同步调谐转动中心P位于半导体激光管(1)发射激光束的同侧。
4.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至少一种：
半导体激光管热沉(2)，用于半导体激光管(1)的温度控制；
电流控制装置，用于控制半导体激光管(1)的输入电流。
5.根据权利要求1或4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：反射镜转动调节装置，用于调节所述反射镜(5)以反射镜(5)的同步调谐转动中心P为轴进行转动。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述反射镜转动调节装置包括：
反射镜调整架动板(6)，用于安置反馈反射镜(5)，在反射镜调整架动板(6)上设置有频率调谐压电陶瓷(10)；
反射镜调整架定板(7)，设置有波长/频率调谐调整螺钉(8)和反射镜调整螺钉(9)，并固定在半导体激光器的底板(13)上；通过调整架定板上的微调螺钉(8)或调整架动板上的压电陶瓷(10)来改变固定反射镜(5)的反射镜调整架动板(6)的角度，实现对激光频率或波长的粗略调谐或精细调谐；反射镜调整螺钉(9)控制反射镜调整架动板(6)，用以调整反射镜(5)的反射面与衍射光垂直，并用于转动中心P的定位。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅为衍射光栅或透射光栅。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述衍射光栅为闪耀衍射光栅或全息光栅。
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