CN102025102B - 一种窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄线宽激光器，包括：二极管芯片(DC)、单块环形F-P腔、和光栅/光折变晶体；所述激光器中各部件的布设使得DC后端发出的激光光束作为输出光输出；DC前端发出的激光光束，从所述F-P腔的输入面入射进入所述单块环形F-P腔，经过至少两个反射面反射后，回到输入面的入射点；从所述单块环形F-P腔其中一个反射面透射的光束入射到所述光栅/光折变晶体后，被按原路径反馈回DC，以此进行选模。本发明能够实现激光器窄线宽大功率输出，输出频率的单模大范围调节，且稳定性好，不易受外界干扰，体积小、系统简单和使用方便。

Description

一种窄线宽激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是指一种新型高功率窄线宽激光器。

背景技术

F-P腔是光学和激光研究中的重要工具。环形F-P腔的透射光具有与F-P腔相同的光谱结构，可以提供窄线宽光反馈。

目前环形F-P腔由分立元件构成。例如Yabai He and Brian J.Orr提出的结构，参见图1所示，环形滤波器(Ring filter)的三个反射镜构成等效F-P腔，半导体激光管(LD，Laser diode)发射出的激光光束通过准直透镜、分光棱镜、部分反射镜M1等光学器件入射到Ringfilter构成的F-P腔中振荡后，透射出的光经部分反射镜M2后最终入射到光折变晶体(Photo-refractive crystal)上，其相位共轭光原路返回，经F-P腔后的折射光反馈到TA，以此进行选模。

然而，而分立元件F-P腔的容易受到外界音频、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。

二极管芯片(DC，Diode chip)技术是目前实现大功率激光输出的主要途径。如图2、3所示，Sandra Stry等人采用Littrow，littman结构构成大功率外腔激光器。

图2所示为Sandra Stry等人采用Littrow结构大功率外腔激光器示意图。光栅一级衍射返回构成反馈；激光管的另一端面作为输出。激光波长可通过调节光栅的位置实现。

图3所示为Sandra Stry等人采用Littman结构构成大功率外腔激光器示意图。光栅一级衍射被反射镜反射回光栅，其一级衍射返回构成反馈；激光管的另一端面作为输出。激光波长可通过调节反射镜的位置实现。

但是，Sandra Stry等人采用Littrow，littman结构构成大功率外腔激光器线宽比较宽；Yabai He and Brian J.Orr提出采用分立元件折叠F-P腔，而分立元件F-P腔的容易受到外界音频、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，本发明的目的在于提出一种结构简单、稳定的窄线宽激光器，实现窄线宽大功率输出和频率的大范围调解。

基于上述目的本发明提供的一种窄线宽激光器，包括：二极管芯片DC、单块环形F-P腔、以及光栅或光折变晶体；

所述激光器中各部件的布设使得DC后端发出的激光光束作为输出光输出；DC前端发出的激光光束，从所述F-P腔的输入面入射进入所述单块环形F-P腔，经过至少两个反射面反射后，回到输入面的入射点；从所述单块环形F-P腔其中一个反射面透射的光束入射到所述光栅/光折变晶体后，被按原路径反馈回DC，以此进行选模。

可选的，该激光器中所述单块环形F-P腔包含有三个光学面：光线从输入面入射进入单块环形F-P腔，经过在第一反射面反射后，到达第二反射面，经第二反射面反射后回到输入面的入射点；并且从反射面的透射光作为该单块环形F-P腔的出射光，所述从第一反射面的透射光作为该单块环形F-P腔的出射光。

可选的，该激光器中所述单块环形F-P腔为等腰梯形六面体单块结构，所述入射面和第一反射面为梯形的两腰所在面，所述第二反射面为梯形的下底所在面；

或者所述单块环形F-P腔为等边三角型五面体结构，等边三角型三个边所在平面作为所述光学面。

可选的，该激光器中所述单块环形F-P腔为等腰梯形六面体单块结构时，所述入射面和第二反射面夹角为66.42。

可选的，该激光器中所述单块环形F-P腔入射面利用光学镀膜技术镀有合适反射率Ra的反射膜，所述第一反射表明为高反射面，该表面高反射率Rb＝Ra；所述第二反射表明为全反射面。

可选的，该激光器中所述单块环形F-P腔的光学面均为微凸面型或均为平面；

或者所述单块环形F-P腔的光学面为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

可选的，该激光器中所述光栅为全息光栅、或者刻线光栅。

可选的，该激光器中所述光栅为刻线密度为2400g/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的全息衍射光栅；

所述光折变晶体为Rh:BaTiO3非镀膜元件，掺Rh的浓度为6ppm，尺寸为6.6mm×5.1mm×8.2mm，晶体光轴c沿着晶体的长边方向。

可选的，该激光器还包括：准直透镜，分别设置在所述DC的前后端，所述DC发出的光束首先经过准直透镜准直后再入射到其他光学器件或输出。

可选的，该激光器还包括有以下调节设备中的一种或一种以上组合：

单块环形F-P腔的调节设备，通过改变单块环形F-P腔的内部光程来调节单块环形F-P腔决定的谐振频率；或者通过旋转单块环形F-P腔，来改变入射光线、出射光线的角度；

外腔的调节设备，通过改变激光器外腔长度、光学性能来调节激光频率；

DC的调节设备，通过改变DC的输入电流来改变DC输出光频率范围；或者通过改变DC的温度来改变DC输出光频率范围。

可选的，该激光器中所述外腔的调节设备，包括：通过改变入射至光栅/光折变晶体的光束角度来调节光折变晶体选频的调节装置；或者通过改变光栅/光折变晶体到单块环形F-P腔或光栅/光折变晶体到DC的距离来调节光栅/光折变晶体选频决定的激光振荡频率的调节装置；

所述单块环形F-P腔的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：

所述单块环形F-P腔上粘接的压电陶瓷，进行F-P腔谐振频率的快速小范围细调；

设置于所述单块环形F-P腔的温控器件，进行F-P腔谐振频率的慢速大范围粗调；

设置于所述单块环形F-P腔微调螺钉或压电陶瓷，用于改变单块环形F-P腔的对光栅/光折变晶体的反馈角度；

所述外腔的调节设备为用于调整光栅/光折变晶体角度的调节装置；

所述DC的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：

DC热沉，通过改变DC的温度，改变DC输出光频率范围。

从上面所述可以看出，本发明提供的窄线宽激光器，通过把环形F-P腔的反射镜直接做在一块光学材料上，解决分立元件环形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。把反馈加在Diode chip上，实现窄线宽大功率输出，同时对光栅(或光折变晶体)进行调节，实现频率的大范围调解。

附图说明

图1为现有Yabai He and Brian J.Orr半导体激光器结构示意图；

图2为现有Sandra Stry等人采用Littrow结构大功率外腔激光器示意图；

图3为现有Sandra Stry等人采用Littman结构构成大功率外腔激光器示意图；

图4为单块环形F-P腔示意图；

图5为另一单块环形F-P腔示意图；

图6为本发明第一个实施例的新型高功率窄线宽激光器示意图；

图7为本发明第二个实施例的新型高功率窄线宽激光器示意图；

图8为本发明实施例带有调节部件的单块环形F-P腔增强Littrow衍射结构激光器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的技术方案如图6，图7所示。本发明的窄线宽激光器主要包括：二极管芯片(DC)5，准直透镜(COL)3、7，光栅(GT)17或光折变晶体701(下文用光栅/光折变晶体表示)，以及单块环形F-P腔(MFC)8。其中，所述光栅17可以采用如：全息光栅、刻线光栅等。

发明的一个实施例中所述单块环形F-P腔的结构，如图4所示，为横截面为等腰梯形的六面体结构。光线输入面上的A点入射进入环形F-P腔，经过在镀有高反射膜的反射表面上B点反射后，到C点，经C点所在的平面全反射后回到A点，形成环形腔，其B点的透射光被全息光栅(或光折变晶体)反馈回Diode chip，由于F-P腔所具有更好的选频作用，使得整个光栅(或光折变晶体)外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为锥形放大器振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。

在该六面体上的2个光学表面中，A点所在表面为输入输出耦合面，该表面为平面，利用光学镀膜技术镀有合适反射率Ra的反射膜，例如反射率Ra＝0.9至0.99。A点所在的表面单独构成等效F-P腔的两端反射面。该表面可为平面，B点所在平面为高反射面，该表面高反射率Rb＝Ra，即与A点所在平面的反射率相同。C点所在平面为折叠面，该面为全反射面可不镀膜，通过内全反射原理实现光束的折叠。A点和C点所在的表面夹角为66.42°。光学加工中90°的角度公差和3个光学表面的塔差得到严格保证。

优选的，利用低传输损耗的光学石英玻璃作为材料，通过光学加工使其形成包含3个光学面的梯形六面体单块结构形式。该梯形体底边长度15mm，梯形侧边长12mm，厚度为6mm。

单块环形F-P腔除了可做成三个光学面的梯形六面体结构外还可以做成三角型五面体结构，如图5所示。入射到单块环形F-P腔的入射角为49.3°，设计单块环形F-P腔长12×12×12mm³，每个内角都为60°。此外还可以做成其他形状，也不一定必须是等边或等角的对称结构，也可以由三个以上的光学面组成，例如除入射面外还包含有三个、四个或更多的反射面，只要是能在内部形成环形谐振就可以。

所述单块环形F-P腔的光学面除均为平面外，根据需要还可以制作成光学面均为微凸面型；或者单块环形F-P腔的光学面为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

采用全息光栅的窄线宽激光器实施例结构参见图6所示，在本实施例中采用图4所示的单块环形F-P腔。DC 5后端发出的激光光束，经过镀有高透射膜的后表面发出后，经准直透镜3准直后输出；DC 5前端发出的激光光束，经镀有高透射膜的前表面发出后，经准直透镜7准直，然后经单块环形F-P腔7透射后，入射到全息光栅17上，其一级衍射原路返回，经单块环形F-P腔7后的折射光反馈到DC 5，以此进行选模。在全息光栅17背面上可以设置压电陶瓷(PZT)601用于调节全息光栅的角度。

针对图6例如：功率1W波长为689nm的Diode chip(DC)5发出的激光光束，经过镀有高透射膜的后表面后，再经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜3准直，DC 5的光经光隔离器OI 1后输出。DC 5的镀有高透射膜的另一端面的光以入射角37.34°在兼做输入输出耦合面上的单块F-P腔8的A点入射(由一个由单块优质光学石英玻璃材料加工构成的F-P-腔8)，入射光在A点发生反射和折射。其中折射进入环形F-P腔的光束部分，入射在镀有高反射膜的反射表面上的B，在该点被反射后，返回到折叠面C点，以大于全反射的角度入射在C点，在C点发生全反射，折回到A点，形成谐振，其B点的透射光以一定的角度入射在刻线密度为2400g/mm、具有合适的衍射效率(如：一级衍射效率4％-58％之间)、刻线面积大小为12.5mm×12.5mm、厚度为6mm的全息衍射光栅上，其一级衍射原路返回，反馈回DCDC 5。该光束强度在谐振频率处达到最大值，实现窄线宽激光器。Diode chip(DC)5入射到A点的反射光与经单块环形谐振在A的透射光的总合在谐振时最弱。将光栅17，Diode chip 5的前表面和环形F-P腔8组成光栅外腔。环形F-P腔8的透射光具有与F-P腔相同的光谱结构，该透射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅17被返回到Diode chip(DC)5中。由于F-P腔的选频作用，使得光栅外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄，得到短期线宽小于20kHz。

采用光折变晶体的窄线宽激光器实施例结构参见图7所示，在本实施例中采用图4所示的单块环形F-P腔。DC 5后端发出的激光光束，经过镀有高透射膜的后表面发出后，经准直透镜3准直后输出；DC 5前端发出的激光光束，经镀有高透射膜的前表面发出后，经准直透镜7准直，然后经单块环形F-P腔7透射后，入射到光折变晶体701上，其相位共轭光原路返回，经单块环形F-P腔7后的折射光反馈到DC 5，以此进行选模。在光折变晶体701背面上可以设置压电陶瓷(PZT)702用于调节全息光栅的角度。在光折变晶体701背面上可以设置压电陶瓷(PZT)702用于调节光折变晶体701的角度。

针对图7例如：功率1W波长为689nm的Diode chip(DC)发出的激光光束，经过镀有高透射膜的后表面后，再经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜准直，DC的光经光隔离器OI后输出。DC的镀有高透射膜的另一端面的光以入射角37.34°在兼做输入输出耦合面上的单块F-P腔的A点入射，入射光在A点发生反射和折射。其中折射进入环形F-P腔的光束部分，入射在镀有高反射膜的反射表面上的B，在该点被反射后，返回到折叠面C点，以大于全反射的角度入射在C点，在C点发生全反射，折回到A点，形成谐振，其B点的透射光入射到光折变晶体。

本实施例中，光折变晶体选用Rh:BaTiO₃非镀膜元件，该晶体为非镀膜元件，掺Rh的浓度为6ppm。尺寸为6.6mm×5.1mm×8.2mm，晶体光轴c沿着晶体的长边方向。光场在晶体内产生电荷重新分布，引起折射率调制，即自相位体全息光栅。光经由自相位体全息光栅后产生相位共轭，光原路返回以此实现对DC的反馈，该光束强度在谐振频率处达到最大值，由于F-P腔的选频作用，使得光栅外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。

在本发明中，单块环形F-P腔决定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，实现对激光频率的调谐与控制，而光栅选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块环形F-P腔实现。例如通过微调螺钉或另外的压电陶瓷改变单块腔的角度。经过这些途径，可将全息光栅(或光折变晶体)选频决定的激光频率与单块F-P腔决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块F-P腔的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块温度和粘接在单块上的压电陶瓷片调整控制激光频率。并可通过改变支配单块环形F-P腔转动的压电陶瓷电压或微调调节螺钉实现光栅(或光折变晶体)外腔对单块环形F-P腔频率的跟踪或同步。

本发明提供的激光器中，还可以设置各种调节设备，主要包括如下几种：

单块环形F-P腔的调节设备，可以是通过改变单块环形F-P腔的内部光程来调节单块环形F-P腔决定的谐振频率的调节设备，例如：在所述单块环形F-P腔上粘接的压电陶瓷，进行F-P腔谐振频率的快速小范围细调，在所述单块环形F-P腔上设置热沉等温控器件，进行F-P腔谐振频率的慢速大范围粗调。或者通过旋转单块环形F-P腔，来改变入射光线、出射光线的角度的调节设备，例如：在单块环形F-P腔与底板连接部分设置微调螺钉或压电陶瓷，来改变单块环形F-P腔的对光栅/光折变晶体的反馈角度。

外腔的调节设备，通过改变激光器外腔长度、光学性能等来调节激光频率。例如：用于调整光栅/光折变晶体角度的调节装置，通过改变入射至光栅/光折变晶体的光束角度来调节光栅/光折变晶体选频，从而决定激光振荡频率；或者通过改变光栅/光折变晶体到单块环形F-P腔或光栅/光折变晶体到DC的距离来调节光栅/光折变晶体选频决定的激光振荡频率。

DC的调节设备，通过改变DC的输入电流来改变DC输出光频率范围；或者通过改变DC的温度来改变DC输出光频率范围，例如热沉等。

参见图8所示，图8给出了带有调节机构的全息光栅结构的单块环形F-P腔增强激光器实施例。该激光器主要包括：光学隔离器(OI)1，非球面准直透镜调整架2，非球面准直透镜(Col)3，Diode chip的热沉4，DC 5，非球面准直透镜调整架6，非球面准直透镜(Col)7，单块环形F-P腔(MFC)8，单块环形F-P腔热沉9，可用于单块的慢速大范围频率调谐，调节架动板11，调节架定板12，微调螺钉13，用于单块环形F-P腔的整体调整，调节架压电陶瓷14，用于单块环形F-P腔的整体调谐；粘在单块环形F-P腔上的压电陶瓷16，可用于环形F-P腔的快速频率调谐；光栅GT 17，光栅固定架18。图中，10指示的是外腔激光器输出，15指示的是光栅衍射返回的光在单块B面的反射光，该光束可作为监测光。

图8的实施例中，采用如图4所示的环形单块F-P腔结构。

Diode chip 5采用温度传感器和半导体制冷器4以及水冷装置实现温度控制。单块环形F-P腔8采用温度传感器和半导体制冷器9实现温度控制。该单块环形F-P腔8的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷16的方法和对单块环形F-P腔热沉9精密控温技术分别作快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控制，而光栅17选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块环形F-P腔8实现。例如通过微调螺钉13或粘接在动板上的压电陶瓷14改变单块腔8的对光栅17的反馈角度。在改变角度的过程中，固定在粘有压电陶瓷14调节架动板11上的单块环形F-P腔8和单块环形F-P腔热沉9随着动板11一起旋转，进入单块环形F-P腔8的光束方向也随着调节架动板11的转动改变相同的角度，实现对光栅的一级衍射光的波长反馈。经过这些途径，可将光栅17选频决定的激光频率与单块F-P腔8决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块F-P腔8的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块热沉9的温度和粘接在单块上的压电陶瓷片16调整控制激光频率。可通过改变支配单块F-P腔转动的压电陶瓷14的电压或微调调节螺钉13，带动单块环形F-P腔8随着动板11一起旋转，实现光栅外腔对单块F-P腔频率的跟踪或同步。非球面准直透镜调整架2、6用于固定非球面镜及激光束准直的调整，单块环形F-P腔8通过热沉9固定在调节架动板11上，调节架动板11可通过定板12上的微调螺钉调整。调节架定板12、DC热沉4、光隔离器OI 1、非球面准直透镜调整架2、6、光栅固定架17均被固定在底板18上。

以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。比如：本发明中的DC可选用其他型号；单块环形F-P腔的腔体也可选用其它形状，尺寸大小也可选用其它尺寸，66.42°角也可选用其它角度，单块环形F-P腔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；光栅也可以采用刻线光栅或其他类型；光折变晶体可采用其他晶体，掺杂浓度可选用其它浓度；TA发出的激光波长可选用其它波长数值等。总之，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种窄线宽激光器，其特征在于，包括：二极管芯片DC、单块环形F-P腔、以及光栅或光折变晶体、单块环形F-P腔的调节设备，单块环形F-P腔包括三个光学面，分别为入射面、第一反射面和第二反射面，其中：

所述激光器中各部件的布设使得DC后端发出的激光光束作为输出光输出；DC前端发出的激光光束，从所述F-P腔的入射面入射进入所述单块环形F-P腔，进入单块环形F-P腔的光束到达第一反射面上的反射点，在反射点反射后到达第二反射面，经第二反射面全反射后回到入射面上的入射点；光束在反射点的透射光入射到所述光栅或光折变晶体后，按原路径反馈回DC，以此进行选模；

其中单块环形F-P腔的入射面镀有反射率为Ra的反射膜，第一反射面的反射率Rb＝Ra，第二反射面为全反射面；

单块环形F-P腔的调节设备通过改变单块环形F-P腔的内部光程来调节单块环形F-P腔决定的谐振频率；或者通过旋转单块环形F-P腔，来改变入射光线、出射光线的角度。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述单块环形F-P腔为等腰梯形六面体单块结构，所述入射面和第一反射面为梯形的两腰所在面，所述第二反射面为梯形的下底所在面；

或者所述单块环形F-P腔为等边三角型五面体结构，等边三角型三个边所在平面作为所述光学面。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述单块环形F-P腔为等腰梯形六面体单块结构时，所述入射面和第二反射面夹角为66.42°。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述单块环形F-P腔的光学面均为微凸面型或均为平面；

或者所述单块环形F-P腔的光学面为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅为全息光栅、或者刻线光栅。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅为刻线密度为2400g/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的全息衍射光栅；

所述光折变晶体为Rh：BaTiO3非镀膜元件，掺Rh的浓度为6ppm，尺寸为6.6mm×5.1mm×8.2mm，晶体光轴c沿着晶体的长边方向。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，该激光器还包括：准直透镜，分别设置在所述DC的前后端，所述DC发出的光束首先经过准直透镜准直后再入射到其他光学器件或输出。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括有以下调节设备中的至少一个：

外腔的调节设备，通过改变激光器外腔长度、光学性能来调节激光频率；

DC的调节设备，通过改变DC的输入电流来改变DC输出光频率范围；或者通过改变DC的温度来改变DC输出光频率范围。

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述外腔的调节设备，包括：通过改变入射至光栅/光折变晶体的光束角度来调节光折变晶体选频的调节装置；或者通过改变光栅/光折变晶体到单块环形F-P腔或光栅/光折变晶体到DC的距离来调节光栅/光折变晶体选频决定的激光振荡频率的调节装置；

所述单块环形F-P腔的调节设备包括以下的至少一个：

所述单块环形F-P腔上粘接的第一压电陶瓷，进行F-P腔谐振频率的快速小范围细调；

设置于所述单块环形F-P腔的温控器件，进行F-P腔谐振频率的慢速大范围粗调；

设置于所述单块环形F-P腔的微调螺钉或第二压电陶瓷，用于改变单块环形F-P腔的对光栅/光折变晶体的反馈角度；

所述外腔的调节设备为用于调整光栅/光折变晶体角度的调节装置；

所述DC的调节设备包括DC热沉，通过改变DC的温度，改变DC输出光频率范围。

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