CN101719629B - 闪耀光栅外腔半导体激光器及其准直方法 - Google Patents

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Abstract

一种闪耀光栅外腔半导体激光器，包括：一激光器；一自聚焦透镜，该自聚焦透镜位于激光器的光路上；一压电陶瓷，该压电陶瓷位于自聚焦透镜之后的激光器的光路上，在压电陶瓷的表面缠绕有光纤；一准直透镜，该准直透镜位于压电陶瓷之后的激光器的光路上；一闪耀光栅，该闪耀光栅呈一预定角度位于准直透镜之后的激光器的光路上；一控制模块，该控制模块与压电陶瓷上的光纤连接。

Description

闪耀光栅外腔半导体激光器及其准直方法
技术领域
本发明涉及闪耀光栅外腔半导体激光器的调谐领域，尤其涉及调谐速度快、调谐范围大的闪耀光栅外腔半导体激光器及其准直方法。
背景技术
光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，固定波长的激光器分配给每个波长通道，不但需要封装多个激光器，而且将大大增加光通信网络的成本，并限制了光网络的扩展，以及网络灵活性。可调谐激光器的引入，不但可以有效降低光通信网络成本，节省波分复用(WDM)系统转换器，同时减小激光器与模块的数量，从而该井光网络的功能，扩展网络灵活性，控制网络流量，并具有提供动态波长，自动恢复波长等功能。大多数可调谐激光器具有覆盖波长范围宽、较高的边模抑制比、带有波长锁定功能和适于实用化的封装技术，同时可调谐激光器内部均带有控制电路，便于控制使用。因此从技术角度看可调谐激光器的发展日益成熟，已达到可以替代传统激光器。
可调谐闪耀光栅外腔半导体激光器利用闪耀光栅将部分输出光反馈回有源区，通过旋转闪耀光栅来实现对波长的调谐。通过反馈光与有源区内光场之间的有效相互作用，可以降低激光器噪音、压窄激光器线宽、增大波长调谐范围、输出纯净、连续的光束。外腔半导体激光器克服了普通半导体激光器谱线宽、频率稳定性差的缺点，且它效率高，寿命长、频率稳定、波长调谐范围宽。
可调谐外腔半导体激光器可广泛应用于光通信、光外差传感、高分辨率光谱测量、光波器件测量、计量检测、光电检测、大气环境、水质检测等领域。对于实验室，可以利用可调谐激光器模拟整个波段的单波光源进行相关的实验等。
但是，由于要加入外部移动部件，所以其制造比较复杂，体积相对较大，机械稳定性不高，波长的调节精度不高、调节速度也比较慢、调谐范围有限等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种闪耀光栅外腔半导体激光器及其准直方法，本发明可以通过改变PZT的调制电压来改变有效腔长，从而实现了外腔半导体激光器的快速、大范围、高精度的调谐。
本发明提供一种闪耀光栅外腔半导体激光器，包括：
一激光器；
一自聚焦透镜，该自聚焦透镜位于激光器的光路上；
一压电陶瓷，该压电陶瓷位于自聚焦透镜之后的激光器的光路上，在压电陶瓷的表面缠绕有光纤；
一准直透镜，该准直透镜位于压电陶瓷之后的激光器的光路上；
一闪耀光栅，该闪耀光栅呈一预定角度位于准直透镜之后的激光器的光路上；
一控制模块，该控制模块与压电陶瓷上的光纤连接。
其中激光器为单端输出的半导体激光器。
其中光纤的芯径为大于50微米，长度大于30毫米。
其中准直透镜为非球面准直透镜，所述光纤的输出端在非球面准直透镜的物方焦点处。
本发明提供一种闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，该方法是使用前述的闪耀光栅外腔半导体激光器，包括如下步骤：
步骤1：将一激光器发出的光，通过自聚焦透镜耦合进入光纤中；
步骤2：通过光波在光纤内进行传输，经过光纤内壁的无规律的全反射前进，经过光纤的传输后，输出为均匀的圆形光斑；
步骤3：将输出的圆形光斑，经过准直透镜变为强度均匀的平行光；
步骤4：闪耀光栅接收经过准直透镜发出的均匀平行光，将1级衍射光沿入射光路反馈至准直系统，将0级光输出；
步骤5：通过调节压电陶瓷的控制模块来改变压电陶瓷两端的电压，从而使外腔激光器的有效腔长改变，从而实现对外腔激光器的波长调谐。
其中激光器为单端输出的半导体激光器。
其中所述使用自聚焦透镜将半导体激光器发射的光束会聚到光纤。
其中光纤的芯径为大于50微米，长度大于30毫米。
其中准直透镜为非球面透镜，所述光纤输出端在非球面准直透镜的后方焦点处。
其中光纤有规律的缠绕在空心的圆柱形压电陶瓷上。
本发明的有益效果是：
本发明提供的闪耀光栅外腔半导体激光器及其准直方法，其可通过改变PZT的调制电压来改变有效腔长，实现了外腔半导体激光器的快速、大范围、高精度的调谐。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的闪耀光栅外腔半导体激光器的结构示意图。
图2是本发明的闪耀光栅外腔半导体激光器的调谐方法的简化外腔结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种闪耀光栅外腔半导体激光器，包括：
一激光器1，该激光器1为单端输出的半导体激光器；
一自聚焦透镜2，该自聚焦透镜2位于激光器1的光路上；
一压电陶瓷4，该压电陶瓷4位于自聚焦透镜2之后的激光器1的光路上，在压电陶瓷4的表面缠绕有光纤3，该光纤3的芯径为大于50微米，长度大于30毫米；
一准直透镜5，该准直透镜5位于压电陶瓷4之后的激光器1的光路上；
所述光纤3的输出端在非球面准直透镜的物方焦点处；
一闪耀光栅6，该闪耀光栅6呈一预定角度位于准直透镜5之后的激光器1的光路上；
一控制模块7，该控制模块7与压电陶瓷4上的光纤3连接。
请再参阅图1所示，本发明提供一种闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，该方法是使用前述的闪耀光栅外腔半导体激光器，包括如下步骤：
步骤1：将一激光器1发出的光，通过自聚焦透镜2耦合进入光纤3中，该激光器1为半导体激光器，所述光纤3的芯径为大于50微米，长度大于30毫米，所述光纤3有规律的缠绕在空心的圆柱形压电陶瓷4上；
步骤2：通过光波在光纤3内进行传输，经过光纤3内壁的无规律的全反射前进，经过光纤3的传输后，输出为均匀的圆形光斑；
所述使用自聚焦透镜2将半导体激光器发射的光束会聚到光纤；
步骤3：将输出的圆形光斑，经过准直透镜5变为强度均匀的平行光，该准直透镜5为非球面透镜，所述光纤输出端在非球面准直透镜的后方焦点处；
步骤4：闪耀光栅6接收经过准直透镜发出的均匀平行光，将1级衍射光沿入射光路反馈至准直系统2，将0级光输出；
步骤5：通过调节压电陶瓷4的控制模块7来改变压电陶瓷4两端的电压，从而使外腔激光器的有效腔长改变，从而实现对外腔激光器的波长调谐。
其中，激光器1为单端输出的半导体激光器。
如图2所示，图2是本发明方法提供的闪耀光栅外腔半导体激光器的调谐方法的简化外腔结构示意图。在半导体激光器之外附加了外腔反馈之后，将加大各个模式之间的损耗差别。对于光栅外腔，光栅色散反馈仅允许较窄的波长范围δλ内的光束按原光路返回到激光器的有源区，因此在这个范围内，损耗曲线将急剧下降。半导体激光器本征腔的纵模间隔Δλc＝λ2/2ndLd，外腔与本征腔构成的复合腔的模谱，其纵模间隔Δλc＝λ2/2(ndLd+n1L1+nfLf+n2L2)。容易看出，复合腔的纵模间隔比本征腔的纵模间隔要小的多。由于外腔反馈的选择作用，通过增益饱和模式竞争，将只有δλ范围内的模式存在，其他波长的纵模被抑制掉了。
通过PZT的伸缩来改变闪耀光栅外腔半导体激光器的有效腔长。从而使外腔与本征腔构成的复合腔的纵模间隔发生改变。在本征腔的纵模间隔不改变的情况下，复合腔的纵模间隔的改变，可是使腔内有不同波长的光存在。故可以实现对外腔半导体激光器的波长调谐。在一定条件下，复合腔模式可通过模式竞争而形成某一种单一模式的激光输出。
自聚焦透镜2将激光器1发出的光耦合进入光纤3中。
光纤3有规律的缠绕在空心的圆柱形压电陶瓷4上，其输出端在准直透镜5的非球面的物方焦点处。该光纤3为芯径为大于50微米，长度大于30毫米的多模光纤。纤芯的直径由入射光波波长和光纤的数值孔径决定。光纤3的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。数值孔径越大，则光纤接收光的能力也越强。但是数值孔径太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。通常为了最有效地把半导体激光器发射的光入射到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的自聚焦透镜进行集光。光纤3的长度不能太短，否则起不到均匀光斑的作用。本系统中，光纤的主要起传输和均匀化光束的作用，不起选模的作用。所以，不需要选择只能传输一种模式的光的单模光纤。
压电陶瓷4选择空心或实心圆柱形的。圆柱形压电陶瓷的外径为3-10mm，高度为5-20mm。可根据需要选择合适尺寸的压电陶瓷规格。
准直透镜5为非球面透镜。由正透镜与双胶合弯月透镜等组成的组合透镜，对于光束的损耗过大，耦合效率低。采用单个非球面透镜可以减少损耗，提高耦合效率。在非球面透镜的镜面镀上与半导体激光器波长相应的膜系，这样就能增加我们需要波长光的透过率。这样就可以大大提高耦合效率。准直透镜5的焦距可根据从光纤输出光束的发散角和需要准直后的光斑直径来确定。一般准直透镜的焦距选择从4.5到7mm。
闪耀光栅6可以为平面刻划光栅或平面全息光栅。该闪耀光栅6呈一预定角度位于准直透镜5之后的激光器1的光路上。闪耀波长与半导体激光器的输出波长相对应。光栅线数可以为600、1200或者更大。光栅刻线数越大，光栅的色分辨本领越强，输出激光的单色性越好，同时输出激光的能量却相对下降。可以根据实际情况，选择合适的光栅。
控制模块7的两端分别与压电陶瓷4上的光纤3的两端相连接，通过改变PZT的调制电压来改变外腔半导体激光器的有效腔长
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效益进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种闪耀光栅外腔半导体激光器，包括：
一激光器；
一自聚焦透镜，该自聚焦透镜位于激光器的光路上；
一压电陶瓷，该压电陶瓷位于自聚焦透镜之后的激光器的光路上，在压电陶瓷的表面缠绕有光纤，光波在该光纤内进行传输，输出为均匀的圆形光斑；
一准直透镜，该准直透镜位于压电陶瓷之后的激光器的光路上，该准直透镜将圆形光斑变为强度均匀平行光；
一闪耀光栅，该闪耀光栅呈一预定角度位于准直透镜之后的激光器的光路上；
一控制模块，该控制模块与压电陶瓷连接。
2.根据权利要求1所述的闪耀光栅外腔半导体激光器，其中激光器为单端输出的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的闪耀光栅外腔半导体激光器，其中光纤的芯径为大于50微米，长度大于30毫米。
4.根据权利要求1所述的闪耀光栅外腔半导体激光器，其中准直透镜为非球面准直透镜，所述光纤的输出端在非球面准直透镜的物方焦点处。
5.一种闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，该方法是使用权利要求1所述的闪耀光栅外腔半导体激光器，包括如下步骤：
步骤1：将一激光器发出的光，通过自聚焦透镜耦合进入光纤中；
步骤2：通过光波在光纤内进行传输，经过光纤内壁的无规律的全反射前进，经过光纤的传输后，输出为均匀的圆形光斑；
步骤3：将输出的圆形光斑，经过准直透镜变为强度均匀的平行光；
步骤4：闪耀光栅接收经过准直透镜发出的均匀平行光，将1级衍射光沿入射光路反馈至准直系统，将0级光输出；
步骤5：通过调节压电陶瓷的控制模块来改变压电陶瓷两端的电压，从而使外腔激光器的有效腔长改变，从而实现对外腔激光器的波长调谐。
6.根据权利要求5所述的闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，其中激光器为单端输出的半导体激光器。
7.根据权利要求5所述的闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，其中光纤的芯径为大于50微米，长度大于30毫米。
8.根据权利要求5所述的闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，其中准直透镜为非球面透镜，所述光纤输出端在非球面准直透镜的后方焦点处。
9.根据权利要求5所述的闪耀光栅外腔半导体激光器的准直方法，其中光纤缠绕在空心的圆柱形压电陶瓷上。
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