CN101630811B - 光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法，在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足关系式：(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；其中，θd为所述光束在光栅上的衍射角，uq为该调谐转动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq为该调谐转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0为反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离。本发明更易于设计实现激光的同步转动频率或波长调谐。

Description

光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法

技术领域

本发明涉及本导体激光器技术，特别是指一种掠入射(Littman)结构和掠衍射结构中光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法。

背景技术

现有常规的同步调谐掠入射结构(Littman结构)外腔半导体激光器结构如图1所示，包括：半导体激光管(LD)1、非球面准直透镜(AL)3、光栅(GT)12、反馈反射镜(M)5。

图1中，N表示光栅法线；θi表示半导体激光管1发出的经准直透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；θd表示所述光束在光栅上的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，它距G点的距离等于l1；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面距G点的距离为l2。l1为G点到平面SL的距离，它等于G点到半导体激光管1后端反射面的光学距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离l1与半导体激光管1到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管1后表面更远离G点)；l2为G点到平面SM的距离，它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。

为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy，x轴为半导体激光管1发出的所述光束中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P(x，y)表示任意的反射镜调谐转动中心；P0(x0，y0)表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心。x的绝对值为反射镜转动中心P到平面SL的距离；u的绝对值为反射镜转动中心P到平面SM的距离；v的绝对值为反射镜转动中心P到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。

本申请人在先提交的申请号为“200810097085.4”的中国专利申请中，还提出了一种光栅掠衍射结构外腔半导体激光器，其结构如图2所示，包括：半导体激光管(LD)1、非球面准直透镜(AL)3、光栅(GT)12、反馈反射镜(M)5。

图2中，N表示光栅法线；θi表示半导体激光管1发出的经准直透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；θd表示所述光束在光栅上的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅1 2的衍射表面的交点。SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，它距G点的距离等于l1；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面距G点的距离为l2。l1为G点到平面SL的距离，它等于G点到半导体激光管1后端反射面的光学距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离l1与半导体激光管1到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管1后表面更远离G点)；l2为G点到平面SM的距离，它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。

为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy，x轴为半导体激光管1发出的所述光束的中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P(x，y)表示任意的反射镜调谐转动中心；P0(x0，y0)表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心。x的绝对值为反射镜转动中心P到平面SL的距离；u的绝对值为反射镜转动中心P到平面SM的距离；v的绝对值为反射镜转动中心P到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。

图1和图2中，l1和l2分别表示G点到半导体激光管1后端反射面和反馈反射镜5的光学距离，即光栅外腔的两个子光学腔长，它们的和l＝l1+l2表示整个光栅外腔激光器的光学腔长。在点P＝P0，v＝0。图1和图2中表示相互位置的参数x、u和v的符号规定为，若所述光束与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，x的基准平面为平面SL，u的基准平面为平面SM，v的基准平面为平面SG。根据上述规则可以看出，在图1中对于P点，u、x为正，v为负，对于P0点，u0为正，x0为负。在图2中，对于P点，x，u为正，v为负，对于P0点，x0为正，u0为负。

在图1和图2所示的上述两种结构中，半导体激光管1发出的激光经非球面镜3准直后，入射在衍射光栅12上。光栅12的一级衍射光正入射在反馈反射镜5上，该光束在反射镜5上被反射后，沿着与入射光共线反向的路径，按原路被光栅12再次衍射后，经非球面镜3返回到半导体激光管1中。

激光波长或频率的调谐，是通过转动反射镜5，从而改变光线在光栅12上的衍射角实现的。然而，在转动反射镜5的过程中，光栅12的选频作用和反射镜5经过光栅12与半导体激光管1等效后表面SL构成的F-P外腔的选频作用同时被改变。一般而言，上述改变不是同步的，从而将引起激光模式的跳模变化，中断了激光频率的连续调谐，使得可得到的激光频率不跳模连续调谐范围非常小，例如1至2个GHz。为了实现激光波长或频率的同步调谐，即实现不跳模的频率连续调谐，一般需要反馈反射镜5的调谐同时满足两个条件：

x0+u0＝0(1)

v0＝0(2)

即满足同步调谐的x0、u0、v0由上述两个方程限制，满足这种条件的反射镜5转动中心称为激光频率的常规同步调谐转动中心，以过常规同步调谐转动中心P0且垂直于光路面的直线为轴转动。

若光栅外腔激光器的光学腔长l、子腔长l1、光栅常数d、入射角θi和激光波长λ已确定，则在x，y平面上，满足条件(1)和(2)的x0和y0的轨迹仅为x、y平面上的一点，该点的坐标P0(x0，y0)为：

x0＝l1-ldsin(θi)/λ(3)

y0＝ld cos(θi)/λ(4)

其中，x0为调谐转动中心P0在x轴的坐标值，其绝对值等于所述调谐转动中心P0到平面SL的距离，x0符号的规定为，若所述半导体激光管1发出到光栅12的入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，x0的基准平面为平面SL(由于本发明中默认x轴的方向与所述半导体激光管1发出的入射到光栅12的光束方向相同，因此通过该符号规定所确定的xq符号与xq坐标值的符号相符)。y0为调谐转动中心P0在y轴的坐标值，其绝对值等于该调谐转动中心P0到所述入射光束中心线，即x轴的距离，yq的符号即为y0坐标值的符号，公式(4)是根据图1和图2中所示的y轴方向推导得出的；如果y轴方向为x轴逆时针90度方向，公式(4)中y0前应为负号。

为了实现波长或频率的同步调谐，外腔半导体激光器的机械设计上，必须保证上述两个约束条件同时被满足，这意味着需要两个具备独立自由度的调整机构。并且转动中心P0的位置不能离开光栅12表面所在的平面SG。这种限制使得在许多情况下，激光器的结构设计、调整和应用是十分不利的，同时造成了机械系统的复杂性并增加了不稳定因素。

实际中在许多情形下，大的连续不跳模调谐范围还受到许多其它因素影响，例如半导体激光管1表面是否镀有增透膜和镀膜质量等。然而，一般近百个GHz甚至几十个GHz的激光频率的连续调谐范围已经能够满足相当多应用的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法，易于设计实现激光同步转动的频率或波长调谐。。

基于上述目的本发明提供了一种光栅外腔半导体激光器的准同步调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管发出的激光光束经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光正入射在反馈反射镜上，该一级衍射光束在反射镜上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜返回到半导体激光管中，其中，在通过转动所述反射镜进行激光的输出频率调谐时，使反射镜的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足关系式：(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；

其中，θd为所述光束在光栅上的衍射角，uq的绝对值为该调谐转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离，vq的绝对值为该调谐转动中心到光栅衍射表面所在平面的距离，u0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜的反射表面所在的平面的距离；

uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜的反射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅衍射表面所在平面。

可选的，该方法中若光栅外腔激光器的光学腔长l、所述输入光束的中心线在光栅的衍射表面的交点到半导体激光管后端反射面的光学距离、光栅常数、入射光束在光栅上的入射角和半导体激光管输出激光波长都为确定尺寸，则在通过转动所述反射镜进行激光的输出频率调谐时，使反射镜的调谐转动中心的位置(xq，yq)满足关系式：yq-y0＝(xq-x0)tan(θi-θd)；

其中，x轴为半导体激光管发出的所述光束的中心线，其方向为所述光束方向；y轴为半导体激光管等效后表面与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点；x0、y0为常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标；θi为所述入射光束在光栅上的入射角。

可选的，该方法通过在一个或一个以上自由度上调节所述反射镜的调谐转动中心的位置，使半导体激光器的反射镜调谐转动中心的位置满足所述关系式。

可选的，该方法在所述半导体激光器中设置一个自由度的反射镜调谐转动中心调节机构，该调节机构能够使反射镜调谐转动中心到达满足所述关系式的至少一个点上；并设置反射镜转动调节机构使反射镜以所述调谐转动中心为轴转动；

通过所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜调谐转动中心在所述自由度上向一个方向位移；

调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随光栅调谐转动中心位置的改变而增大，若是，则使反射镜调谐转动中心继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射镜调谐转动中心，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。

可选的，该方法所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。

基于上述目的本发明还提供了一种光栅外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、非球面准直透镜、光栅、反射镜，半导体激光管发出的激光光束经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光正入射在反射镜上，该一级衍射光束在反射镜上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜返回到半导体激光管中，其中，还包括：

反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反射镜调谐转动中心，使反射镜的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足关系式：(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；

其中，θd为所述光束在光栅上的衍射角，uq为该调谐转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离，vq为该调谐转动中心到光栅衍射表面所在平面的距离，u0为反射镜常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜的反射表面所在的平面的距离；

uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜的反射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅衍射表面所在平面；

以及反射镜转动调节机构，使反射镜以所述调谐转动中心为轴转动。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，若光栅外腔激光器的光学腔长l、所述输入光束的中心线在光栅的衍射表面的交点到半导体激光管后端反射面的光学距离、光栅常数、入射光束在光栅上的入射角、半导体激光管输出激光波长都为确定尺寸，则所述光栅调谐转动中心调节机构，使反射镜的调谐转动中心的位置(xq，yq)满足关系式：yq-y0＝(xq-x0)tan(θi-θd)；

其中，x轴为半导体激光管发出的所述光束的中心线，其方向为所述光束方向；y轴为半导体激光管等效后表面与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点；  x0、y0为常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标；θi为所述入射光束在光栅上的入射角。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心调节机构在一个或一个以上自由度上调节所述反射镜调谐转动中心的位置。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜调谐转动中心在一个自由度上向一个方向位移；调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随光栅调谐转动中心位置的改变而增大，若是，则调节所述反射镜调谐转动中心调节机构使反射镜调谐转动中心继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，调节所述反射镜调谐转动中心调节机构，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射镜调谐转动中心，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心调节机构为反射镜调谐转动中心微调螺钉，反射镜转动调节机构为激光频率调谐微调螺钉，并且该半导体激光器还包括：反射镜调节架动板和固定在所述光栅外腔半导体激光器底板上的反射镜调节架定板；

反射镜被固定在所述反射镜调节架动板上，激光频率调谐微调螺钉和反射镜调谐转动中心微调螺钉设置在所述光栅调节架定板上，反射镜调谐转动中心位于反射镜调谐转动中心微调螺钉的中心轴线上；通过调节反射镜调谐转动中心微调螺钉带动反射镜调节架动板移动，使反射镜调谐转动中心到达满足所述关系式的位置；通过调节激光频率调谐微调螺钉带动反射镜调节架动板，使其上的反射镜绕所述反射镜调谐转动中心转动。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜转动调节机构还包括：压电陶瓷，设置在所述反射镜调节架动板和激光频率调谐微调螺钉之间，用于对反射镜调节架动板的转动做精细调节。

可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。

从上面所述可以看出，本发明提供的光栅外腔半导体激光器和准同步调谐转动中心选择方法，减少了约束条件数目，将两个约束条件减少为一个，从而调整机构仅需一个自由度。去除了转动中心的位置不能离开光栅表面所在的平面SG的限制。使得同步调谐具有更多的选择和更大的发挥余地和空间。易于设计实现激光的同步转动频率或波长调谐，使得结构更加稳定，更加简单和容易调整。

附图说明

图1为现有同步调谐Littman结构外腔半导体激光器的结构示意图；

图2为光栅掠衍射结构外腔半导体激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例准同步调谐Littman结构外腔半导体激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器的结构示意图；

图5为本发明实施例带有调节部件的准同步调谐Littman结构外腔半导体激光器的结构示意图；

图6为本发明实施例带有调节部件的准同步调谐光栅掠衍射外腔半导体激光器的结构示意图。

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。

本发明提出采用准同步调谐方法实现激光频率的连续调谐，它包含了常规的同步调谐条件在内。本发明一个实施例的准同步调谐掠入射(Littman)结构光栅反馈外腔半导体激光器结构如图3所示，包括：半导体激光管(LD)1、非球面准直透镜(AL)3、光栅(GT)12和反馈反射镜(M)5。

图3中，N表示光栅法线；θi表示半导体激光管1发出的经准直透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；θd表示所述光束在光栅上的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，它距G点的距离等于l1；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面距G点的距离为l2。l1为G点到平面SL的距离，它等于G点到半导体激光管1后端反射面光学距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离l1与半导体激光管1到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管1后表面更远离G点)；l2为G点到平面SM的距离，它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。

为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy，x轴为半导体激光管1发出的所述光束的中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P0(x0，y0)表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心，Pq(xq，yq)表示反射镜准同步调谐转动中心。xq的绝对值为反射镜5的准同步频率调谐转动中心Pq到平面SL的距离，uq的绝对值为反射镜准同步频率调谐转动中心Pq到平面SM的距离，vq的绝对值为反射镜准同步频率调谐转动中心Pq到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。

本发明一个实施例的掠衍射结构光栅反馈外腔半导体激光器结构如图4所示，包括：半导体激光管(LD)1、非球面准直透镜(AL)3、光栅(GT)12和反馈反射镜(M)5。

图4中，N表示光栅法线；θi表示半导体激光管1发出的经准直透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；θd表示所述光束在光栅上的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，它距G点的距离等于l1；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面距G点的距离为l2。l1为G点到平面SL的距离，它等于G点到半导体激光管1后端反射面光学距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离l1与半导体激光管1到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管1后表面更远离G点)；l2为G点到平面SM的距离，它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。

为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy，x轴为半导体激光管1发出的所述光束的中心线，其方向为所述光束(传输)方向；y轴为平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P0(x0，y0)表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心，Pq(xq，yq)表示反射镜准同步调谐转动中心。xq的绝对值为反射镜5的准同步频率调谐转动中心Pq到平面SL的距离，uq的绝对值为反射镜准同步频率调谐转动中心Pq到平面SM的距离，vq的绝对值为反射镜准同步频率调谐转动中心Pq到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。

图3和图4中，半导体激光管1发出的激光经非球面镜3准直后，入射在衍射光栅12上，光栅12的一级衍射光正入射在反馈反射镜5上，该光束在反射镜5上被反射后，沿着与入射光共线反向的路径，按原路被光栅12再次衍射后，经非球面镜3返回到半导体激光管1中。l1和l2分别表示G点到半导体激光管1后端反射面和反馈反射镜5的光学距离，即光栅外腔的两个子光学腔长，它们的和l＝l1+l2表示整个光栅外腔激光器的光学腔长。

根据长期系统研究和大量实验发现，在图3和图4所示光栅反馈外腔半导体激光器结构中，存在反馈反射镜5的准同步调谐转动中心Pq(uq，vq)，满足下列条件方程：

(uq-u0)cos(θd)+vq＝0(5)

其中u0由方程(1)和(3)给出。表示相互位置的参数uq和vq的符号规定为，若从所述半导体激光管1发出到光栅12的入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，uq的基准平面为平面SM，vq的基准平面为平面SG。可以看出，当θd趋向于θi并最终等于θi时，则上式可还原成为Littrow结构的准同步调谐条件方程。

通过大量的实验得出，当反馈反射镜5的调谐转动中心Pq的位置满足公式(5)时，可以获得明显优于其它点的明显更大的不跳模连续频率同步调谐范围，因此称符合上述关系式的Pq为准同步调谐转动中心，Pq(uq，vq)越接近P0(满足公式(1)、(2)，或(3)、(4))，连续频率同步调谐范围越大(当达到P0时理论上连续可调谐范围为无穷大)。在实际中，几十个GHz或几百个GHz的连续频率同步调谐范围已经能够满足相当多应用的需求。而理想情况下，对于常规尺度的半导体激光器，也就是说uq-u0和vq不是特别大时，(一般半导体激光器都符合这一假设)，调谐转动中心位于Pq(uq，vq)时，半导体激光器的输出光连续频率同步调谐范围可达到几十至上百GHz，甚至上千GHz，因此都能够满足大多数应用要求。举个例子来说，Pq到P0的距离在一百毫米以内，某些情况下几百毫米甚至更大，都是可以得到比较好的调谐效果。

这样本发明就可以通过在一个自由度上调节所述反馈反射镜5的调谐转动中心Pq的位置，使反馈反射镜5调谐转动中心Pq的位置满足所述关系式，就可以满足绝大多数的应用要求。

若光栅外腔激光器的光学腔长l、子光学腔长l1、光栅常数d、入射角θi和半导体激光管1输出激光波长λ被确定，则在x，y平面上，满足条件(5)的反射镜转动中心坐标Pq(xq，yq)的轨迹，为xOy平面上的一条直线，该直线方程为：

yq-y0＝(xq-x0)tan(θi-θd)(6)

其中，xq为所述调谐转动中心Pq在x轴的坐标值，其绝对值等于所述调谐转动中心Pq到平面SL的距离，xq符号的规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，xq的基准平面为平面SL(由于本发明中默认x轴的方向与所述半导体激光管1发出的入射到光栅12的光束方向相同，因此通过该符号规定所确定的xq符号与xq坐标值的符号相符)。yq为调谐转动中心Pq在y轴的坐标值，其绝对值等于该调谐转动中心Pq到所述入射光束中心线，即x轴的距离，yq的符号即为yq坐标值的符号，公式(6)是根据图3和图4中所示的y轴方向推导得出的，如果y轴方向为x轴逆时针90度方向，公式(6)中yp前应为负号。x0和y0为常规的反射镜同步调谐的转动中心在xOy坐标系的坐标，由方程(3)和(4)给出，符号也由方程(3)和(4)给出。从激光器实际物理空间上，本发明可以看成是，在(x，y)坐标平面xOy上，满足实现准同步调谐的坐标Pq(xq，yq)的取值范围，由常规同步调谐条件(3)和(4)所限定的一点P0(x0，y0)，拓展为xOy平面上的过该P0点、且与反射镜5上的入射或反射光线平行的一条直线上的(最好不远离)P0的区间，该区间可以位于P0点的任意一侧。在该直线上，可以获得明显优于其它点的大的同步调谐范围，且越接近常规同步调谐点P0(x0，y0)，同步调谐范围越大。可以看出，当θd趋向于θi并最终等于θi时，则上式可还原成为Littrow结构的准同步调谐条件方程yq＝y0＝(l/2)/tan(θi)。

为实现上述调节，本发明的一个实施例中，在所述半导体激光器中设置反馈反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反馈反射镜调谐转动中心Pq，使反馈反射镜准调谐转动中心Pq的位置满足关系式(5)或在腔长一定情况下满足关系式(6)；并设置反馈反射镜转动调节机构使反馈反射镜5以所述准调谐转动中心Pq为轴转动。

通过所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构，使反馈反射镜调谐转动中心Pq在一个自由度上向一个方向位移(即改变位置)；位移到某个位置时，调节反馈反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随反馈反射镜调谐转动中心Pq位置的改变而增大，若是，则调节所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构，使反馈反射镜调谐转动中心Pq继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，调节所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构，使得所述反馈反射镜调谐转动中心Pq沿与当前位移方向相反的方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。

当然，所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构也可以有一个以上的自由度，比如：当有两个自由度时，可以通过在一个自由度上调节，将反馈反射镜调谐转动中心Pq调节到满足公式(5)或(6)的一点；通过在另一个自由度上调节，使反馈反射镜调谐转动中心Pq接近或远离所述的P0点。

参见图5和图6所示，为本发明带有上述调节机构的一个具体实施例。

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、准直镜架4、反馈反射镜5、反馈反射镜调节架动板6、反馈反射镜调节架定板7、激光频率调谐微调螺钉8、反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉9、反馈反射镜调节架压电陶瓷10、光栅固定架11、衍射光栅12和底板13。

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，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的一级衍射光正入射到平面反射镜5上，在反射镜5上反射后光线被反向，沿着与原入射光束共线反向的路径，沿原路经光栅12再次衍射后，返回到半导体激光管1中。

其中，半导体激光管1通过热沉2采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。准直透镜3通过镜架4被调整和固定。反射镜5被固定在调节架动板6上，其方向可通过调节架定板7上的调节螺钉8和9进行调整，还可通过动板上的压电陶瓷10进行细调；衍射光栅12通过光栅固定架11固定在底板13上。反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉9为所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构；激光频率调谐微调螺钉8和压电陶瓷10为反馈反射镜转动调节机构。本实施例中反馈反射镜调谐转动中心Pq位于反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉9的中心轴线上。通过调节反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉9带动反馈反射镜调节架动板6移动，使反馈反射镜调谐转动中心Pq满足上述关系式(5)或(6)的要求，通过调节激光频率调谐微调螺钉8带动反馈反射镜调节架动板6使其上的反馈反射镜5转动，实现反馈反射镜5绕所述调谐转动中心Pq转动。外腔和光栅12的选频作用可通过转动反射镜5绕准同步转动中心Pq的转动实现。例如通过微调螺钉8改变反射镜5的角度进行粗调，或经过在压电陶瓷1 0施加控制电压进行细调。

图5给出了准同步调谐掠入射(Littman)结构外腔半导体激光器实施例，其中光学子腔长l1＝35mm，l2＝13.02mm，则光学腔长l＝48.02mm，光线在光栅12上的入射角为θi＝60°，衍射角为θd＝22.98°，则角度差θi-θd＝37.02°，可得常规频率同步调谐转动中心坐标为x0＝1.902mm，y0＝19.109mm，这里取准同步转动中心坐标为xq＝11.256mm，yq＝26.164mm，相应的其它参量为uq＝9.814mm，vq＝-10.786mm，则对应的激光频率同步调谐范围为3400GHz。随着xq-x0或uq-u0的增加，  同步调谐范围会下降。例如：若xq＝50mm，对应的激光频率同步调谐范围为1500GHz；而若xq＝100mm，对应的激光频率同步调谐范围为1100GHz；而即使xq＝500mm，对应的激光频率同步调谐范围仍可达到400GHz。完全可满足一般应用的需求。这时的xq、yq、uq和vq值已经覆盖了一般Littman结构和掠衍射结构中可以取值的选择范围。实际上，这时的激光频率不跳模的连续调谐范围已经主要由其它元件和参数决定，例如半导体激光管1发射面镀增透膜的剩余反射状态等。

图6给出了准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器实施例，其中光学子腔长l1＝25mm，l2＝20.059mm，则光学腔长l＝45.059mm，光线在光栅12上的入射角为θi＝22.5°，衍射角为θd＝60.893°，则角度差θi-θd＝-38.393°，可得常规频率同步调谐转动中心坐标为x0＝11.276mm，y0＝33.133mm，这里取准同步转动中心坐标为xq＝25.2768mm，yq＝22.039mm，相应的其它参量为uq＝6.588mm，vq＝-8.69mm，则对应的激光频率同步调谐范围为1400GHz。同理，随着xq-x0或uq-u0的增加，同步调谐范围会下降。例如：若xq＝50mm，对应的激光频率同步调谐范围为800GHz；而若xq＝100mm，对应的激光频率同步调谐范围为500GHz；而即使xq＝500mm，对应的激光频率同步调谐范围仍可达到200GHz。同样可满足一般应用的需求。可以看出，由于在图6中x0或-u0明显大于图5的数值，因此对应的同步调谐范围有相应的下降。

上述方案中的半导体激光管1也可选用其它波长，其它输出功率，光栅12也可采用其它类型的光栅，比如：透射光栅或全息光栅等，其它刻线密度和大小厚度构成；准直透镜3也可以采用其它焦距和数值孔径，xq、yq、u q和vq值也可采用其它数值。

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 (12)

1.一种光栅外腔半导体激光器的准同步调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管(1)发出的激光光束经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(12)的一级衍射光正入射在反射镜(5)上，该一级衍射光在反射镜(5)上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径，按原路被光栅(12)再次衍射后，经非球面镜(3)返回到半导体激光管(1)中，其特征在于，在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足第一关系式：(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；

其中，θd为激光光束在光栅(12)上的衍射角，uq的绝对值为该调谐转动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq的绝对值为该调谐转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0的绝对值为反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心P0(x0，y0)到所述反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，其中P0(x0，y0)满足：

x0＝l1-ld sin(θi)/λ

y0＝ld cos(θi)/λ

其中l1为半导体激光管(1)等效后表面SL和激光光束的中心线与光栅(12)的衍射表面的交点之间的距离，l为光栅外腔半导体激光器的光学腔长，d为光栅常数，λ为激光波长，θi为激光光束在光栅(12)上的入射角；其中，x0、y0为反射镜常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标，x轴为半导体激光管(1)发出的激光光束的中心线，其方向为激光光束方向；y轴为半导体激光管(1)等效后表面与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向，坐标原点O为激光光束的中心线与半导体激光管的等效后表面SL的交点；

uq的符号规定为，若入射到反射镜(5)的光束与反射镜(5)的调谐转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜(5)的反射表面所在的平面；

u0的符号规定为，若入射到反射镜(5)的光束与反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，u0的基准平面为反射镜(5)的反射表面所在的平面；

vq的符号规定为，若入射到光栅(12)的光束与反射镜的调谐转动中心在vq的基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，vq的基准平面为光栅(12)衍射表面所在平面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若光栅外腔半导体激光器的光学腔长l、激光光束的中心线与光栅(12)的衍射表面的交点到半导体激光管(1)等效后表面的光学距离、光栅常数、激光光束在光栅(12)上的入射角和半导体激光管(1)输出激光波长都为确定尺寸，则在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(xq，yq)满足第二关系式：yq-y0＝(xq-x0)tan(θi-θd)；

其中，xq、yq表示反射镜的调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在一个以上自由度上调节所述反射镜(5)的调谐转动中心的位置，使半导体激光器的反射镜(5)调谐转动中心的位置满足第二关系式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述半导体激光器中设置一个自由度的反射镜调谐转动中心调节机构，该调节机构能够使反射镜的调谐转动中心到达满足第二关系式的至少一个点上；并设置反射镜转动调节机构使反射镜(5)在光路面上绕反射镜的调谐转动中心转动；

通过所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜的调谐转动中心在所述自由度上向一个方向位移；

调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随反射镜的调谐转动中心位置的改变而增大，若是，则使反射镜的调谐转动中心继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射镜的调谐转动中心，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。

6.一种光栅外腔半导体激光器，包括：半导体激光管(1)、非球面镜(3)、光栅(12)、反射镜(5)，半导体激光管(1)发出的激光光束经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(12)的一级衍射光正入射在反射镜(5)上，该一级衍射光在反射镜(5)上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径，按原路被光栅(12)再次衍射后，经非球面镜(3)返回到半导体激光管(1)中，其特征在于，还包括：

反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反射镜调谐转动中心，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足第一关系式：(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；

其中，θd为激光光束在光栅(12)上的衍射角，uq的绝对值为该调谐转动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq的绝对值为该调谐转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0的绝对值为反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心P0(x0，y0)到所述反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，其中P0(x0，y0)满足：

x0＝l1-ld sin(θi)/λ

y0＝ld cos(θi)/λ

其中l1为半导体激光管(1)等效后表面SL和激光光束的中心线与光栅(12)的衍射表面的交点之间的距离，l为光栅外腔半导体激光器的光学腔长，d为光栅常数，λ为激光波长，θi为激光光束在光栅(12)上的入射角；其中，x0、y0为反射镜常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标，x轴为半导体激光管(1)发出的激光光束的中心线，其方向为激光光束方向；y轴为半导体激光管(1)等效后表面与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向，坐标原点O为激光光束的中心线与半导体激光管的等效后表面SL的交点；

uq的符号规定为，若入射到反射镜(5)的光束线与反射镜(5)的调谐转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜(5)的反射表面所在的平面；

u0的符号规定为，若入射到反射镜(5)的光束与反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，u0的基准平面为反射镜(5)的反射表面所在的平面；

vq的符号规定为，若入射到光栅(12)的光束与反射镜的调谐转动中心在vq的基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，vq的基准平面为光栅(12)衍射表面所在平面；

以及反射镜转动调节机构，使反射镜(5)在光路面上绕反射镜的调谐转动中心转动。

7.根据权利要求6所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，若光栅外腔半导体激光器的光学腔长l、激光光束的中心线与光栅(12)的衍射表面的交点到半导体激光管(1)等效后表面的光学距离、光栅常数、激光光束在光栅(12)上的入射角、半导体激光管(1)输出激光波长都为确定尺寸，则反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(xq，yq)满足第二关系式：yq-y0＝(xq-x0)tan(θi-θd)；

其中，xq、yq表示反射镜的调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标。

8.根据权利要求7所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述反射镜调谐转动中心调节机构在一个以上自由度上调节所述反射镜的调谐转动中心的位置。

9.根据权利要求8所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜的调谐转动中心在一个自由度上向一个方向位移；调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随反射镜的调谐转动中心位置的改变而增大，若是，则调节所述反射镜调谐转动中心调节机构使反射镜的调谐转动中心继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，调节所述反射镜调谐转动中心调节机构，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射镜的调谐转动中心，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。

10.根据权利要求9所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述反射镜调谐转动中心调节机构为反射镜调谐转动中心微调螺钉(9)，反射镜转动调节机构为激光频率调谐微调螺钉(8)，并且该半导体激光器还包括：反射镜调节架动板(6)和固定在所述光栅外腔半导体激光器底板(13)上的反射镜调节架定板(7)；

反射镜(5)被固定在所述反射镜调节架动板(6)上，激光频率调谐微调螺钉(8)和反射镜调谐转动中心微调螺钉(9)设置在所述反射镜调节架定板(7)上，反射镜的调谐转动中心位于反射镜调谐转动中心微调螺钉(9)的中心轴线上；通过调节反射镜调谐转动中心微调螺钉(9)带动反射镜调节架动板(6)移动，使反射镜的调谐转动中心到达满足第二关系式的位置；通过调节激光频率调谐微调螺钉(8)带动反射镜调节架动板(6)，使其上的反射镜(5)在光路面上绕反射镜的调谐转动中心转动。

11.根据权利要求10所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述反射镜转动调节机构还包括：压电陶瓷(10)，设置在所述反射镜调节架动板(6)和激光频率调谐微调螺钉(8)之间，用于对反射镜调节架动板(6)的转动做精细调节。

12.根据权利要求6或7所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。

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