CN101826701A - 一种无跳模连续调谐半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例中公开了一种无跳模连续调谐半导体激光器，包括：增益介质、第一准直透镜、衍射光栅、第二准直透镜、第三准直透镜、光束反射器和调谐装置；所述第三准直透镜和光束反射器设置于所述调谐装置上；所述调谐装置，用于驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于通过所述第二准直透镜的光心的光轴的方向平动，并同时驱动所述光束反射器沿通过所述第二准直透镜的光心的光轴平动，以实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。通过使用上述的激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，提高频率调谐稳定性，并降低所述激光器的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是指一种无跳模连续调谐半导体激光器。
背景技术
光源的波长调谐技术是激光技术中的重要组成部分，而可调谐光栅外腔半导体激光器(GTECL，Grating-tuned external cavity lasers)由于可以产生频率可调谐、窄线宽和高光学相干性的激光光束，因此已经逐步成为高分辨率光谱测量、光通信、激光计量、光存储、原子钟、光纤陀螺以及生物医学检测等多种应用设备的核心光源部件，并已被广泛地应用于各个领域。
在现有技术中，可调谐光栅外腔半导体激光器一般有两种类型。一种是利特洛(Littrow)型可调谐光栅外腔半导体激光器，另一种是利特曼-迈特考夫(Littman-Metcalf)型可调谐光栅外腔半导体激光器。其中，由于Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器可通过其紧凑的谐振腔结构产生宽频带、无跳模调谐的激光束，因此Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器已成为现有技术中可调谐半导体激光器的主要产品和设计之一。
图1为现有技术中Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图1所示，该Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器中包括增益介质(gain medium)101、准直透镜102、衍射光栅(diffraction grating)103和光波反射器108。其中，上述的增益介质101可用于产生稳定的光增益，并对进入该增益介质101的激光进行放大。因此，上述增益介质101一般可以是半导体激光器(Laser diode)、二极管激光器、或者是二极管发射器芯片(例如，常用的Fabry-Pero型二极管发射器芯片，或其它具有类似功能的器件)。
如图1所示，上述增益介质101具有一个后表面106和一个前表面107，该增益介质101中所产生的光束经过准直透镜102后可得到一平行光束，该平行光束入射到衍射光栅103上后被该衍射光栅103衍射；其中，由于衍射而产生的零级衍射光可直接作为输出激光104；而一级衍射光则衍射至光波反射器108，然后沿原入射光路返回增益介质101中，在增益介质101中经过振荡、放大后，成为输出激光105，从而实现窄线宽的单纵模(SLM，single longitudinalmode)激光输出。
在上述的可调谐光栅外腔半导体激光器中，所述光波反射器108可绕旋转轴L旋转。其中，所述旋转轴L位于增益介质101的后表面106的延长线、衍射光栅103的衍射表面的延长线与光波反射器108的反射表面延长线的交点上，且该旋转轴L垂直于纸面方向；G点为光轴100与衍射光栅103衍射表面的交点；Q点为通过G点的衍射光线与光波反射器108的交点。
在上述可调谐光栅外腔半导体激光器中，衍射光栅103固定不动，而光波反射器108则可绕固定的旋转轴L旋转。当光波反射器108绕旋转轴L旋转时，衍射角θ发生改变，外腔腔长(即M、G两点之间的距离与G、Q点两点之间的光路的总和)也发生改变；当旋转轴L处于合适的位置时，可使得此时的激光器的外腔腔长变化与激光器波长的变化同步，因而可使得模数N保持为一个常量，所以可在激光频率发生变化的同时维持模数N不变，从而实现对激光频率的无跳模连续调谐。
上述Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器虽然可产生覆盖整个由衍射光栅所产生的光谱范围的最大的无跳模调谐范围，但是，由于上述光波反射器108的位置一般距旋转轴L中心较远，所以只能采用机械旋转方式来驱动光波反射器108，以实现激光波长或频率的改变与调谐。在实际的应用情况下，上述Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器中复杂的机械旋转机构以及超大尺寸的光波反射器，严重制约了该激光器的频率调谐和重复扫描速度；而且，由于工业制造技术以及调试手段的限制，图1所示的可调谐光栅外腔半导体激光器一般都存在光学器件色散和机械位置不对准的问题，从而也大大限制了该激光器的无跳模调谐范围。
综上可知，现有技术中所使用的激光器中存在着上述的诸多问题，从而大大限制了可调谐光栅外腔半导体激光器在各种领域中的应用。因此，人们非常需要一种可实现连续无跳模、且制造成本低、结构紧凑的无跳模连续调谐半导体激光器，以实现对激光频率的无跳模连续调谐。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种无跳模连续调谐半导体激光器，从而可实现对激光频率的无跳模连续调谐，提高频率调谐稳定性，并降低所述激光器的生产成本。
为达到上述目的，本发明实施例中的技术方案是这样实现的：
一种无跳模连续调谐半导体激光器，该激光器包括：增益介质、第一准直透镜、衍射光栅、第二准直透镜、第三准直透镜、光束反射器和调谐装置；
所述增益介质输出的相干光束经过所述第一准直透镜后成被校准成为平行光束，所述平行光束被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光束作为第一输出激光被输出；另一部分衍射光束经过由所述第二准直透镜和所述第三准直透镜组成的倒望远镜系统垂直入射到所述光束反射器后，被所述光束反射器反射并沿原入射光路返回至所述增益介质中；当所述返回至所述增益介质的光束经过所述增益介质的放大并达到或超过预先设定的激光器振荡阈值时，所述返回至所述增益介质的光束的一部分作为第二输出激光经由所述增益介质的后表面被输出；所述返回至所述增益介质的光束的其余部分将被所述增益介质的后表面反射后再次放大并输出到所述衍射光栅和所述光束反射器，并被所述光束反射器反射后再次沿入射光路返回至所述增益介质的后表面；
其中，所述第三准直透镜和光束反射器设置于所述调谐装置上；
所述调谐装置，用于驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动，并同时驱动所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动，以实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。
所述调谐装置包括：第一驱动部件和第二驱动部件；其中，
所述第一驱动部件，用于支撑或设置所述第三准直透镜，并驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动；
所述第二驱动部件，用于支撑或设置所述光束反射器，并驱动所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动。
所述第一驱动部件包括：第一机械弹性结构和第一驱动器；
所述第一机械弹性结构，用于设置或支撑所述第三准直透镜；
所述第一驱动器，用于驱动所述第一机械弹性结构，使得所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动；
所述第二驱动部件包括：第二机械弹性结构和第二驱动器；
所述第二机械弹性结构，用于设置或支撑所述光束反射器；
所述第二驱动器，用于驱动所述第二机械弹性结构，使得所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动。
所述第一机械弹性结构还用于同步所述第一驱动器的驱动力；
所述第二机械弹性结构还用于同步所述第二驱动器的驱动力。
所述第一驱动器和第二驱动器为压电陶瓷驱动器；
所述第一机械弹性结构和第二机械弹性结构为：通过有线切割制成的弹性连接结构。
所述第一驱动部件和第二驱动部件为：压电陶瓷线性驱动装置、步进电机或微电子机械系统。
所述激光器还包括：设置于所述第二准直透镜与第三准直透镜的公共焦平面上的小孔光栏；所述小孔光栏的通光中心与所述第三准直透镜的透镜中心重合；
所述小孔光栏，用于加强对输出激光单纵模的选频。
所述小孔光栏上设置有圆形通孔或通光狭缝。
所述激光器还包括：设置于所述第一准直透镜与衍射光栅之间的光路上的部分反射镜；
所述部分反射镜，用于产生第四输出激光以及滤除了光谱噪声的第三输出激光。
所述部分反射镜为分光镜或空间滤波片。
所述激光器还包括：光纤准直装置；
所述光纤准直装置，用于将所述激光器的至少一束输出激光耦合到所需的所需的光纤中。
所述光纤准直装置包括：光束采集装置、光隔离器和校准透镜；其中，
所述光束采集装置，用于采集所述输出激光，并将采集到的输出激光输送到光隔离器；
所述光隔离器，用于防止外部反馈光的干扰，并实现所述输出激光的单向输出；
所述校准透镜，用于对所述光隔离器中输出的输出激光进行准直，使得所述输出激光成为平行的激光束；或者用于对所述光隔离器中输出的输出激光进行聚焦，使得所述输出的输出激光被耦合到所需的光纤中。
所述增益介质为：半导体激光二极管、半导体激光二极管阵列或半导体激光二极管发射器芯片。
所述光束反射器为：平面反射镜或精密直角光学棱镜。
所述第二准直透镜和第三准直透镜为：光学球面透镜、光学柱面透镜或光学全息透镜。
所述增益介质的后表面为部分反射镜或全反镜。
综上可知，本发明的实施例中提供了一种无跳模连续调谐半导体激光器。该无跳模连续调谐半导体激光器中包括增益介质、第一准直透镜、衍射光栅、第二准直透镜、第三准直透镜、光束反射器和调谐装置，所述第三准直透镜和光束反射器设置于所述调谐装置上，所述第二准直透镜和所述第三准直透镜组成倒望远镜系统，而所述调谐装置可驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动，并同时驱动所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动，从而可实现对激光频率的无跳模连续调谐，提高频率调谐稳定性，并降低所述激光器的生产成本。
附图说明
图1为现有技术中Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。
图2为本发明实施例一中无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。
图3为本发明实施例一中无跳模连续调谐半导体激光器的原理示意图。
图4为本发明实施例一中的调谐装置的结构示意图。
图5为本发明实施例二中无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。
图6为本发明实施例三中无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图2为本发明实施例一中的无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。如图2所示，本发明中的同步驱动的无跳模连续调谐半导体激光器包括：增益介质201、第一准直透镜202、衍射光栅203、第二准直透镜208、第三准直透镜209、光束反射器210和调谐装置212。
其中，所述增益介质201用于产生稳定的光增益并发出相干光束，同时还可对进入该增益介质101的激光进行放大。因此，上述增益介质201一般可以是半导体激光二极管、半导体激光二极管阵列或者是半导体激光二极管发射器芯片。在本发明的具体实施例中，该增益介质201可以包括一个全反射或部分反射的后表面206、一个涂覆有防反射(AR，anti-reflection)涂层的前输出表面207以及一个半导体激光二极管发射器芯片(例如，常用的Fabry-Pero型半导体激光器芯片，或其它的具有类似功能的器件)；另外，在本发明的具体实施例中，所述衍射光栅203可设置并固定于半导体激光器的底座上；所述光束反射器210可以为：平面反射镜、精密直角光学棱镜或其它反射光学装置；而所述第二准直透镜208和第三准直透镜209可组成倒望远镜系统，且所述第二准直透镜208和第三准直透镜209可以是：光学球面透镜、光学柱面透镜、光学全息透镜或其它光收集装置，其中，所述的各种透镜可以是：凹透镜、凸透镜或其它可以满足光收集的光学透镜。例如，图2中所示的第二准直透镜208和第三准直透镜209均为光学柱面凸透镜。
如图2所示，由所述增益介质201从其前输出表面207输出的相干光束经过所述第一准直透镜202后，被校准成为平行光束，所述平行光束入射到所述衍射光栅203后，被所述衍射光栅203衍射；其中，部分衍射光束(例如，零级衍射光束)将作为第一输出激光204被输出；另一部分衍射光束(例如，一级衍射光束)经过由所述第二准直透镜208和所述第三准直透镜209组成的倒望远镜系统，垂直入射到所述光束反射器210，然后被所述光束反射器210反射并沿原入射光路返回至所述增益介质201中。
当所述返回至所述增益介质201的光束经过所述增益介质201的放大并达到或超过预先设定的激光器振荡阈值时，所述返回至所述增益介质201的光束的一部分将作为第二输出激光205经由所述增益介质的后表面206被输出；所述返回至所述增益介质201的光束的其余部分将被所述增益介质201的后表面206反射后再次放大并输出到所述衍射光栅203和所述光束反射器210，并被所述光束反射器210反射后再次沿入射光路返回至所述增益介质201的后表面206。其中，所述增益介质的后表面可为部分反射镜或全反镜。
由此可知，上述无跳模连续调谐半导体激光器的外部谐振腔(简称为外腔)被增益介质201的后表面206、衍射光栅203和光束反射器210所限定，因此，该半导体激光器的外腔长度即为M、G两点之间的光学距离与G、L点之间的光学距离的总和。其中，G点为光轴200与衍射光栅203的衍射表面的交点；L点为通过G点并垂直入射到所述光波反射器210的衍射光线与光波反射器210的交点。
为了实现对激光频率的无跳模连续调谐，在本发明的技术方案中，图2所示的半导体激光器中还包括一个调谐装置212。所述第三准直透镜209和光束反射器210均设置于所述调谐装置212之上，因此，调谐装置212可驱动所述第三准直透镜209在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴211的方向平动，并同时驱动所述光束反射器210沿所述倒望远镜系统的基准光轴211平动，以实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。其中，根据倒望远镜系统的工作原理可知，在初始状态下，所述倒望远镜系统的基准光轴211通过所述第二准直透镜208和第三准直透镜209的光心，并垂直于所述光束反射器210的反射表面。
图3为本发明实施例一中的无跳模连续调谐半导体激光器的原理图。如图3所示，当上述第三准直透镜209和光束反射器210处于初始状态，未发生位置移动时，具有相应衍射角的衍射光线可经过由所述第二准直透镜208和所述第三准直透镜209组成的倒望远镜系统，垂直入射到所述光束反射器210。此时，上述衍射角为θ的衍射光线的光轴为通过G点、第二准直透镜208的光心和第三准直透镜209的光心的基准光轴211。
设上述衍射光线的衍射角为θ，从所述第一准直透镜202射出的平行光与衍射光栅的法线的夹角为θ0，衍射光栅203的刻划密度为dg，则根据谐振条件可知，此时通过该衍射光栅203所选择的激光的中心波长为：
λ(θ)＝2dg·(sinθ0+sinθ) (1)
而当衍射角为θ时，该激光器的外腔长度为M、G两点之间的光学距离与G、L点之间的光学距离的总和L光(θ)，则根据光栅方程可知：
其中，N(θ)表示当衍射角为θ时，在上述无跳模连续调谐半导体激光器的谐振腔中的第N个纵模的模数，且N(θ)为整数。
当上述第三准直透镜209被调谐装置212驱动而沿垂直于所述基准光轴211的方向平移预先确定的一段距离时，上述衍射为θ的衍射光线在经过由所述第二准直透镜208和所述第三准直透镜209组成的倒望远镜系统后，将不再是垂直入射到所述光束反射器210上，因此，该衍射光线将不能沿入射光路返回衍射光栅203并返回增益介质201中。但是，如图3所示，根据倒望远镜系统的工作原理可知，此时必然有相应的衍射光线仍然可通过上述的倒望远镜系统垂直入射到所述光束反射器210上。
此时，可设上述相应的衍射光线的衍射角为θ′，则根据谐振条件可知，此时通过该衍射光栅203所选择的激光的中心波长为：
λ(θ′)＝2dg·(sinθ0+sinθ′) (3)
由此可知，在本发明的实施例中，可通过调谐装置212驱动所述第三准直透镜209沿垂直于所述基准光轴211的方向平动，来改变所选择的激光的中心波长。
另外，在本发明的实施例中，所述调谐装置212还可同时独立驱动所述光束反射器210沿所述倒望远镜系统的基准光轴211平动，从而改变半导体激光器的外腔长度。例如，当上述光束反射器210被调谐装置212驱动而沿所述倒望远镜系统的基准光轴211平移预先确定的一段距离时，设N点为上述垂直入射到所述光波反射器210的衍射光线与光波反射器210的交点，则半导体激光器此时的外腔长度为M、G两点之间的光学距离与G、N点之间的光学距离的总和L光(θ′)。此时，则根据光栅方程可知：
其中，N(θ′)表示当衍射角为θ′时，在上述无跳模连续调谐半导体激光器的谐振腔中的第N个纵模的模数，且N(θ′)为整数。
根据上述公式(2)和(4)可得：
而为了实现对所有的激光频率都实现无跳模连续调谐，则在整个激光频率的调谐过程中，都需要使得由谐振腔所选择的纵模的模数N(θ′)为一个常量，即满足无跳模连续调谐条件：
N(θ′)/N(θ)＝1，或|N(θ′)-N(θ)|≤1 (6)
在实际应用环境中的激光器中，由于增益介质201的增益带宽是有限的，因此，在本发明的实施例中，只需满足上述的无跳模连续调谐条件，即可保证本发明中的半导体激光器可在上述有限增益带宽内的给定频率范围内进行无跳模连续调谐。而由上述公式(5)和(6)可知，只需在调谐激光波长(例如，通过平移所述第三准直透镜209的位置来适当调整衍射角θ′值)的同时，适当调整公式(5)中的半导体激光器的外腔长度L光(θ′)(例如，通过平移所述光束反射器210的位置来适当调整外腔长度的值)，则可满足上述公式(6)中的无跳模连续调谐条件，从而可容易地实现对所有的激光频率都实现无跳模连续调谐。
由于第三准直透镜209和光束反射器210的移动将导致所选择的激光波长和半导体激光器的外腔长度的改变，因此，在本发明的技术方案中，可通过调谐装置212对所述第三准直透镜209和光束反射器210进行同步驱动(例如，将第三准直透镜209和光束反射器210分别移动到预先确定的各个位置，或实时调整第三准直透镜209和光束反射器210的位置)，从而使得上述的无跳模连续调谐条件可在更大频率调谐范围上得到满足。
在本发明的实施例中，上述调谐装置212可以是任意一种可以实现上述同步驱动方式的驱动设备。较佳的，上述调谐装置212可以由两部分构成，从而实现对上述第三准直透镜209和光束反射器210的同步驱动。
图4为本发明实施例一中的调谐装置的结构示意图。如图4所示，在本发明的具体实施例中，为了实现上述的对第三准直透镜209和光束反射器210的同步驱动，上述的调谐装置212可包括：第一驱动部件213和第二驱动部件214。其中，所述第三准直透镜209设置于所述第一驱动部件213之上，所述光束反射器210设置于所述第二驱动部件214之上。所述第一驱动部件213，用于支撑或设置所述第三准直透镜209，并驱动所述第三准直透镜209在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴211的方向平动；而所述第二驱动部件214，用于支撑或设置所述光束反射器210，并驱动所述光束反射器210沿所述倒望远镜系统的基准光轴211平动。
在本发明的具体实施例中，上述第一驱动部件213和第二驱动部件214可以是压电陶瓷线性驱动装置、步进电机、微电子机械系统(MEMS)、或其它可以实现上述同步驱动方式的设备。
例如，当所述第一驱动部件213和第二驱动部件214为压电陶瓷线性驱动装置时，所述第一驱动部件213可以包括：第一机械弹性结构401和第一驱动器402；所述第二驱动部件214可以包括：第二机械弹性结构403和第二驱动器404。
其中，所述第一机械弹性结构401用于设置或支撑所述第三准直透镜209，而所述第一驱动器402则用于驱动所述第一机械弹性结构401，从而使得所述第三准直透镜209可在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴211的方向平动。此外，所述第一机械弹性结构401还可用于同步所述第一驱动器402的驱动力，即当第一驱动器402的驱动力传递给第一机械弹性结构401时，第一机械弹性结构401将产生相应的弹性形变，从而使得所述第一机械弹性结构401可以与所述第一驱动器402实现同步地位移。由于上述的位移一般为来回往复运动，因此上述第一机械弹性结构401所产生的弹性形变将保证所述第一机械弹性结构401可跟随所述第一驱动器402的驱动力(或位移)而同步运动，从而可保护所述第三准直透镜209，并使得所述第三准直透镜209的移动更为平稳。
所述第二机械弹性结构403用于设置或支撑所述光束反射器210，而所述第二驱动器404则用于驱动所述第二机械弹性结构403，从而使得所述光束反射器210可沿所述倒望远镜系统的基准光轴211平动。此外，所述第二机械弹性结构403还可用于同步所述第二驱动器404的驱动力，从而保护所述光束反射器210，并使得所述光束反射器210的移动更为平稳。
此外，上述的第一驱动器402和第二驱动器404可以是压电陶瓷驱动器；上述的第一机械弹性结构401和第二机械弹性结构403可以是通过有线切割或其它方法加工后制成的弹性连接结构。
由此可知，在本发明的实施例中，当上述第三准直透镜209在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于基准光轴211的方向平动一定的距离后，将改变无跳模连续调谐半导体激光器的输出激光的中心波长；而当上述光束反射器210沿所述基准光轴211平动一定的距离后，则将改变无跳模连续调谐半导体激光器的外腔长度。因此，在本发明的技术方案中，可预先或实时对所述第三准直透镜209和光束反射器210的位置进行同步地驱动、调节或设置，从而可以根据激光频率调谐的要求，进行灵活的设计，以使得在整个激光频率的调谐过程中，由所述无跳模连续调谐半导体激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一常量，即满足公式(6)中所示的无跳模连续调谐条件，从而可实现对输出激光频率的无跳模连续调谐，提高频率调谐稳定性，且能够产生覆盖整个由衍射光栅所产生的光谱范围的最大的无跳模连续调谐范围，从而简化激光器的谐振器结构，降低所述激光器的生产成本。
另外，在图4所示的无跳模连续调谐半导体激光器中，可以作为输出激光的有：1)由衍射光栅203的衍射表面反射后直接输出的激光所形成的第一输出激光204；2)由衍射光栅203的衍射表面衍射至光束反射器210，被光束反射器210反射，沿入射光路返回增益介质201，经过振荡放大后，从增益介质201的后表面206输出的第二输出激光205。
但是，在上述第一输出激光204和第二输出激光205中，均存在相对较高的光谱“噪声”，该光谱“噪声”为来源于增益介质201中的光源自发辐射(SSE，source spontaneous emission)和放大自发辐射(ASE，amplifiedspontaneous emission)。上述光谱“噪声”的存在，对于所输出的激光的相干性和强度造成了不利的影响。因此，在本发明的技术方案中，还可在图4所示的无跳模连续调谐半导体激光器中加入一个部分反射镜，用于“清除”上述输出激光中的光谱“噪声”(即输出激光中的ASE和SSE成分)。
图5为本发明实施例二中无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。如图5所示，本发明中的无跳模连续调谐半导体激光器除了包括增益介质201、第一准直透镜202、衍射光栅203、第二准直透镜208、第三准直透镜209、光束反射器210和调谐装置212之外，还包括一个设置于第一准直透镜202与衍射光栅203之间的光路上的部分反射镜501，该部分反射镜501可根据实际需求被设置或旋转到所需的任意角度，用于滤除输出激光中的光谱噪声。较佳的，该部分反射镜501可以是分光镜或其它形式的空间滤波片。由于所述光谱“噪声”的波长不同于所输出的激光波长，在空间分布上，上述光谱“噪声”可通过衍射光栅203的衍射而被驱离或被偏离所述输出激光的光路。因此，可通过插入上述的部分反射镜(例如，分光镜或空间滤波片)来彻底“清除”所述输出激光中的上述光谱“噪声”。
在本发明的实施例中，上述部分反射镜501可将通过该部分反射镜501的激光分成两束激光后分别输出，其中的一束激光为第三输出激光502，由于上述部分反射镜501的“清除”作用，从而使得该第三输出激光502中不再包含上述的光谱“噪声”(即该第三输出激光502中不包含ASE和SSE成分)；另一束激光为第四输出激光503，该第四输出激光503为传统的可调谐激光束，其中仍然包含上述的光谱“噪声”(即该第四输出激光503中仍包含ASE和SSE成分)，且与上述第三输出激光502的方向相反。因此，上述部分反射镜501可用于产生第四输出激光503以及滤除了光谱噪声的第三输出激光502。
通过如图5所示的无跳模连续调谐半导体激光器，我们在获得传统的可调谐激光束(例如，输出激光204、205、503等)的同时，还可以获得去除了光谱“噪声”(即不包含ASE和SSE成分)的、具有高相干性、高光谱纯度的激光束(例如，第三输出激光502)，从而提高了上述无跳模连续调谐半导体激光器的性能，有效地拓展了上述无跳模连续调谐半导体激光器的应用范围。
此外，在本发明的实施例中，为了使上述无跳模连续调谐半导体激光器可以更好地实现与光纤的耦合，上述无跳模连续调谐半导体激光器中还可以包括一个如图5所示的光纤准直装置510，该光纤准直装置510可用于将上述激光器的至少一束输出激光耦合到所需的光纤520中。以下，我们将以所述输出激光为第二输出激光205为例，对本发明的技术方案进行介绍。
该光纤准直装置510包括：光束采集装置511、光隔离器512和校准透镜513。其中，光束采集装置511用于采集从上述增益介质201的后表面206输出的第二输出激光205，并将采集到的第二输出激光205输送到光隔离器512；所述光隔离器512用于防止外部反馈光的干扰，并实现所述第二输出激光205的单向输出；所述校准透镜513，用于对所述光隔离器512中输出的第二输出激光205进行准直，使得所述第二输出激光205成为平行的激光束；或者用于对所述光隔离器512中输出的第二输出激光205进行聚焦，使得所述第二输出激光205被耦合到相应的光纤520中。
此外，在上述可调谐光栅外腔半导体激光器的输出激光204、503或502的方向上，也可分别使用上述的光纤准直装置510，从而将上述的输出激光耦合到所需的光纤中。
在本发明的技术方案中，还提供了另外一种无跳模连续调谐半导体激光器。图6为本发明实施例三中无跳模连续调谐半导体激光器的结构示意图。如图6所示，本发明实施例中的无跳模连续调谐半导体激光器除了包括增益介质201、第一准直透镜202、衍射光栅203、第二准直透镜208、第三准直透镜209、光束反射器210和调谐装置212之外，还包括一个小孔光栏601。所述小孔光栏601设置于所述第二准直透镜208与第三准直透镜209的公共焦平面上，且所述小孔光栏601的通光中心与第三准直透镜209的透镜中心重合，用于加强对输出激光单纵模的选频。因此，在本发明的实施例中，所述小孔光栏601上设置有圆形通孔，或设置有通光狭缝，或者设置有其它的限光装置。其中，当小孔光栏上设置有通光狭缝时，所述通光狭缝的延伸方向垂直于所述第三准直透镜209的平移方向。另外，在本发明的实施例中，所述小孔光栏601也可以与所述第三准直透镜209一起都设置于所述第一驱动部件213上。
由于所述小孔光栏601上设置有固定形状的通孔或狭缝等限光装置，因此将只允许从预定角度或位置入射的衍射光线入射到所述第三准直透镜209以及光束反射器210上，并被光束反射器210反射且沿入射光路返回增益介质201中，从而可以使得无跳模连续调谐半导体激光器所输出的激光具有预先确定的频率和具有预定模数的纵模，以实现单纵模激光输出。
另外，在本发明的实施例中，图6所示的无跳模连续调谐半导体激光器中还可进一步包括前述的部分反射镜501和/或光纤准直装置510。具体的实现方式可参照图5所示的无跳模连续调谐半导体激光器，在此不再赘述。
综上可知，在本发明的技术方案中，提供了多种形式的无跳模连续调谐半导体激光器。通过使用本发明实施例中所提供的上述结构紧凑的无跳模连续调谐半导体激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，提高频率调谐稳定性，并可降低生产成本，提高激光器的扫描速率以及调谐速度，从而使得上述连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器具有较大的无跳模连续调谐能力，因此可以广泛应用于高分辨率激光光谱测量以及诸如原子钟、激光冷却/激光阱和生化分析器等光谱传感器中。
此外，由于本发明的技术方案中所提供的无跳模连续调谐半导体激光器属于Littman-Metcalf型的可调谐光栅外腔半导体激光器，因此激光器的谐振腔结构非常紧凑并且形式简单，从而可实现非常简化且低成本的制造过程，并具有成本低、可批量生产、高稳定性以及结构紧凑等优点。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种无跳模连续调谐半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：增益介质、第一准直透镜、衍射光栅、第二准直透镜、第三准直透镜、光束反射器和调谐装置；
所述增益介质输出的相干光束经过所述第一准直透镜后成被校准成为平行光束，所述平行光束被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光束作为第一输出激光被输出；另一部分衍射光束经过由所述第二准直透镜和所述第三准直透镜组成的倒望远镜系统垂直入射到所述光束反射器后，被所述光束反射器反射并沿原入射光路返回至所述增益介质中；当所述返回至所述增益介质的光束经过所述增益介质的放大并达到或超过预先设定的激光器振荡阈值时，所述返回至所述增益介质的光束的一部分作为第二输出激光经由所述增益介质的后表面被输出；所述返回至所述增益介质的光束的其余部分将被所述增益介质的后表面反射后再次放大并输出到所述衍射光栅和所述光束反射器，并被所述光束反射器反射后再次沿入射光路返回至所述增益介质的后表面；
其中，所述第三准直透镜和光束反射器设置于所述调谐装置上；
所述调谐装置，用于驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动，并同时驱动所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动，以实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述调谐装置包括：第一驱动部件和第二驱动部件；其中，
所述第一驱动部件，用于支撑或设置所述第三准直透镜，并驱动所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动；
所述第二驱动部件，用于支撑或设置所述光束反射器，并驱动所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，
所述第一驱动部件包括：第一机械弹性结构和第一驱动器；
所述第一机械弹性结构，用于设置或支撑所述第三准直透镜；
所述第一驱动器，用于驱动所述第一机械弹性结构，使得所述第三准直透镜在衍射光线所在的光路平面内沿垂直于所述倒望远镜系统的基准光轴的方向平动；
所述第二驱动部件包括：第二机械弹性结构和第二驱动器；
所述第二机械弹性结构，用于设置或支撑所述光束反射器；
所述第二驱动器，用于驱动所述第二机械弹性结构，使得所述光束反射器沿所述倒望远镜系统的基准光轴平动。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，
所述第一机械弹性结构还用于同步所述第一驱动器的驱动力；
所述第二机械弹性结构还用于同步所述第二驱动器的驱动力。
5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，
所述第一驱动器和第二驱动器为压电陶瓷驱动器；
所述第一机械弹性结构和第二机械弹性结构为：通过有线切割制成的弹性连接结构。
6.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述第一驱动部件和第二驱动部件为：压电陶瓷线性驱动装置、步进电机或微电子机械系统。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：设置于所述第二准直透镜与第三准直透镜的公共焦平面上的小孔光栏；所述小孔光栏的通光中心与所述第三准直透镜的透镜中心重合；
所述小孔光栏，用于加强对输出激光单纵模的选频。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于：
所述小孔光栏上设置有圆形通孔或通光狭缝。
9.根据权利要求1或7所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：设置于所述第一准直透镜与衍射光栅之间的光路上的部分反射镜；
所述部分反射镜，用于产生第四输出激光以及滤除了光谱噪声的第三输出激光。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于：
所述部分反射镜为分光镜或空间滤波片。
11.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：光纤准直装置；
所述光纤准直装置，用于将所述激光器的至少一束输出激光耦合到所需的所需的光纤中。
12.根据权利要求11所述的激光器，其特征在于，所述光纤准直装置包括：光束采集装置、光隔离器和校准透镜；其中，
所述光束采集装置，用于采集所述输出激光，并将采集到的输出激光输送到光隔离器；
所述光隔离器，用于防止外部反馈光的干扰，并实现所述输出激光的单向输出；
所述校准透镜，用于对所述光隔离器中输出的输出激光进行准直，使得所述输出激光成为平行的激光束；或者用于对所述光隔离器中输出的输出激光进行聚焦，使得所述输出的输出激光被耦合到所需的光纤中。
13.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，
所述增益介质为：半导体激光二极管、半导体激光二极管阵列或半导体激光二极管发射器芯片。
14.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，
所述光束反射器为：平面反射镜或精密直角光学棱镜。
15.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第二准直透镜和第三准直透镜为：光学球面透镜、光学柱面透镜或光学全息透镜。
16.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
所述增益介质的后表面为部分反射镜或全反镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 1147602 Country of ref document: HK |
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| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20100908 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: WD Ref document number: 1147602 Country of ref document: HK |