CN102025106B - 光栅外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光栅外腔半导体激光器，主要包括：半导体激光管、光栅和半波片。半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。通过本发明使得光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模范围和较窄的线宽输出。

Description

光栅外腔半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是指一种反馈可调的光栅外腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器，包括分布反馈(DFB)和外腔半导体激光器是科研和工业中的重要激光光源，然而通常的外腔半导体激光器输出谱线非常宽，一般达到几百千赫甚至几兆赫，DFB半导体激光器常常具有更宽的线宽，这种宽线宽存在与许多场合的应用要求相距甚远。一般常用的外腔半导体激光器可分为Littrow结构，Littman结构，如图1和2所示。而上述半导体激光器的光反馈强度不可调节，这直接影响到半导体的单模不跳模范围和线宽。

C.J.Hawthorn等人提出的Littrow外腔半导体激光器，如图1所示。Karen Liu，Michael G.Littman等人提出Littman半导体激光器，如图2所示。

在图1所示的Littrow结构中，由半导体激光管(LD，Laser diode)1发出的激光经非球面准直透镜(AL)4准直后，入射在衍射光栅14上。衍射光栅9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14上的入射角θi等于光栅的衍射角θd。

在图2所示的Littman结构中，由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜4准直后，以掠入射的角度入射在衍射光栅14上。衍射光栅9的一级衍射光正入射在一块平面反馈反射镜(M)201上，被反馈反射镜201反射后，沿原路返回到衍射光栅14上，经衍射光栅14再次衍射后回到半导体激光管1中。

C.J.Hawthorn和Karen Liu，Michael G.Littman等人提出采用光栅选模实现外腔半导体激光器，作为反馈光的光栅一级衍射光，其强度无法调节，这不利于外腔半导体的单模不跳模范围的提高，以及实现更窄线宽。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种反馈可调的光栅外腔半导体激光器，使得光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模范围和较窄的线宽输出。

基于上述目的本发明提供的反馈可调的光栅外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、光栅和半波片；

半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。

所述半导体激光器为Littrow结构外腔半导体激光器；或者为Littman结构外腔半导体激光器；或者为半导体激光激光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的光栅掠衍射外腔半导体激光器。

可选的，该半导体激光器所述光栅掠衍射外腔半导体激光器还包括准同步调谐机构，所述准同步调谐机构围绕一个准同步调谐转动中心Pq转动所述光栅，使得在转动期间光栅衍射表面所在的平面反射表面所在的平面与该准同步调谐点(Pq)之间的距离保持不变，从而实现光栅和谐振腔选频作用的准同步调谐，其中以下述方式来确定所述准同步调谐转动中心：

确定一个同步调谐点P0，使得当以该同步调谐点P0为转动中心转动光栅时，在半导体激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，所述准同步调谐点Pq位于一条经过该同步调谐点P0的直线上，该直线相对于入射到光栅上的光线方向的夹角根据激光光束在光栅上的入射角与衍射角之差Δθ来确定，即当转动光栅时，所述夹角为Δθ/2。

可选的，该半导体激光器所述准同步调谐机构通过调节螺钉来调整所述光栅或反射镜的转动角度，和/或通过在压电陶瓷上施加控制电压来对该转动角度进行微调。

可选的，该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。

可选的，该半导体激光器还包括半波片调整镜套，用于旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向。

可选的，该半导体激光器还包括：准直透镜，所述半导体激光管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。

从上面所述可以看出，本发明提供的反馈可调的光栅外腔半导体激光器，使得光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模范围(最大可达30G)和较窄的线宽输出。

附图说明

图1为现有Littrow结构外腔半导体激光器结构示意图；

图2为现有Littman结构外腔半导体激光器结构示意图；

图3本发明实施例Littrow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Littman结构外腔半导体激光器结构示意图；

图5为本发明实施例掠衍射结构光栅外腔半导体激光器结构示意图；

图6为本发明实施例光栅调谐的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7为本发明实施例带有调节部件的光栅调谐的准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器结构示意图。

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。

本发明的光栅外腔半导体激光器，主要包括：半导体激光管、光栅和半波片。半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。

参见图3所示，为Littrow结构外腔半导体激光器的结构示意图。在准直透镜3和光栅14之间设置半波片6。半导体激光管1发射的激光经非球面准直透镜3准直后，再经过半波片6，半波片6用来改变其偏振方向，通过半波片6的光入射到光栅14，光栅14的零级衍射光作为输出光。光栅14的一级衍射光原路返回，作为反馈光，其一级衍射光的强度与入射光的偏振方向有关系。即反馈光强度可通过旋转半波片6来实现。这里半导体激光管1发出的激光入射到衍射光栅14上的入射角θi等于光栅的衍射角θd。

图4为本发明实施例Littman结构外腔半导体激光器结构示意图。在准直透镜3和光栅14之间设置半波片6。由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后，再经过半波片6，半波片6用来改变其偏振方向，通过半波片6的光以掠入射的角度入射在衍射光栅14上。衍射光栅9的一级衍射光正入射在一块平面反馈反射镜(M)201上，被反馈反射镜201反射后，沿原路返回到衍射光栅14上，经衍射光栅14再次衍射后回到半导体激光管1中。

参见图5所示，为本发明提供的光栅掠衍射外腔半导体激光器实施例示意图，包括：半导体激光管1、准直透镜3、光栅14和反射镜5，并在准直透镜3和光栅14之间设置半波片6。与Littman结构不同的是，光栅掠衍射外腔半导体激光器中半导体激光管1发出的激光入射到光栅14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14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和反射镜的同步调谐转动中心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14选频可通过绕同步转动中心转动光栅14实现。

图6给出了掠衍射的外腔半导体激光器的准同步调谐示意图。图中，为了说明外腔半导体激光器的调谐原理，在附图中引入了直角坐标系xOy，其中O点表示半导体激光激光管LD所发出的激光光束与光栅G在初始位置的衍射表面的交点，x轴经过O点且方向与LD发出的光线共线反向，y轴经过O点并与x轴垂直且方向向上。

等效LD后端反射面、光栅G的衍射表面和反射镜M的反射表面这三个平面均与xOy坐标平面垂直。用SG表示光栅衍射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线，O点位于该交线上；SL表示等效LD后端反射面所在的平面与xOy坐标平面的交线，它距O点的距离为l1；SM表示反馈反射镜M的反射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线，它距O点的距离为l2。N为光栅法线，Output为零级衍射光可作为输出光束，θi为光束在光栅上的入射角，θd为光束在光栅上的衍射角，x0为光栅转动中心为Pq到平面SL的距离，u为光栅转动中心为Pq到平面SM的距离，v为光栅转动中心为Pq到平面SG的距离。

该准同步调谐机构围绕准同步调谐转动中心Pq转动光栅14，从而实现光栅14和谐振腔选频作用的准同步调谐。

假设在转动调谐之后光栅相对于其初始位置转动的角度为α，则激光光束在F-P腔内往返一周后的相位变化ψ可表示为：

ψ＝ψ₀+A(α)·[B·sinα+C·(1-cosα)]    (1)

其中ψ0表示在转动调谐之前光束在腔内往返一周的初始相位变化，A(α)是与调谐转动角度α有关的函数，而ψ0、B和C是与角度α无关的函数。ψ0、A(α)、B和C与外腔半导体激光器的初始参数有关，这些初始参数包括初始角度(如初始入射角θi、初始衍射角θd等)、初始位置(如初始腔长l1和l2、初始距离u、v和w等)、以及光栅常数d等等。当满足完全同步调谐的条件时，相位变化ψ应当与调谐转动角度α无关，即公式1中的B和C均应为零。

在公式ψ＝ψ₀+A(α)·[B·sinα+C·(1-cosα)](公式1)所描述的调谐相位变化中，调谐转动角度α在用弧度表示时是一个远小于1且接近于零的微小量。根据泰勒级数展开定理，可知公式1的中括号内的第一项sinα是从调谐转动角度α的一阶项开始的奇次高阶项，而第二项(1-cosα)是从调谐转动角度α的二阶项开始的偶次高阶项，它是一个比sinα更高阶的微小量，对往返相位变化ψ的贡献远小于sinα。因此，可以对往返相位变化ψ作一阶近似，即略去公式1中的二阶项及其更高阶项。如果忽略公式1的中括号内的第二项，则往返相位变化ψ可近似表示为：

ψ＝ψ₀+A(α)·B·sin α    (2)

在此情况下，为了使往返相位变化ψ与调谐转动角度α无关，可令系数B为零。即：

B＝0    (3)

这种近似被称为准同步调谐近似，在这一近似下对外腔半导体激光器频率的调谐为准同步调谐，相应的光栅的转动中心被称为准同步调谐转动中心Pq，其坐标可表示为Pq(xq，yq)。在这种近似范围内，调谐转动角度α引起的往返位相变化可以忽略，即ψ≈ψ0，近似于一个与调谐转动角度无关的常数。在实际应用中，外腔半导体激光器参数及调谐转动角度α的调谐范围几乎完全满足这一近似条件。转动中心的位置不必再受到不能离开光栅表面所在平面交线SG的限制，这使得同步调谐具有更灵活的选择和更大的发挥余地，易于设计实现激光的近似同步转动频率或波长调谐。

图7表示出了半导体激光器的准同步调谐转动中心的实施方式。此时光线在光栅G上的入射角θi和衍射角θd均发生改变。对于掠入射和掠衍射结构的外腔半导体激光器来说，当前述公式2中的系数B为零时，光栅G的准同步调谐转动中心坐标Pq(xq，yq)满足以下条件：

$\mathrm{yq}-y0=-(\mathrm{xq}-x0)\·\tan \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}---\left(4\right)$

其中x0和y0为由公式 $\left\{\begin{array}{c}x0=\mathrm{ld}\sin \mathrm{\θi}/\mathrm{\λ}\\ y0=\mathrm{ld}\cos \mathrm{\θi}/\mathrm{\λ}\end{array}\right.$ 所给出的同步调谐转动中心坐标，Δθ为入射角与衍射角之差，即Δθ＝θi-θd。在xOy平面上，满足公式4的光栅转动中心坐标Pq(xq，yq)的轨迹为一条经过同步调谐转动中心P0(x0，y0)的直线，该直线与x轴负方向的夹角为Δθ/2。如果用距离参量uq、vq和wq来表示的话，在准同步调谐的条件下，光栅转动调谐时的距离参量uq、vq和wq满足：

(uq+wq)·(cosθi+cosθd)+2·vq·(1+cosΔθ)＝0    (5)

因而，从激光器的实际物理空间上看，在xOy坐标平面上，满足准同步调谐条件的转动中心Pq(xq，yq)可以看作是从常规的同步调谐条件下的转动中心P0(x0，y0)拓展到经过该P0点的一条直线上的位于P0点附近的区间，该区间可以位于P0点的任意一侧。对于掠衍射结构的外腔半导体激光器来说，当光栅转动调谐时(图7)，该直线平行于反射镜M的法线N和半导体激光激光管LD发出的光线之间的角平分线；在这条直线上，可以获得明显优于其它位置的大的同步调谐范围，且越接近同步调谐点P0(x0，y0)，所得到的同步调谐范围就越大。

图7示出了转动光栅进行调谐时掠衍射结构外腔半导体激光器的准同步调谐机构实施例。

如图7所示，半导体激光管LD发出例如功率为30mW、波长为689nm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AL准直后，入射到半波片HW，而后入射到刻线密度为1800g/mm、具有适当衍射效率、刻线面积大小为12.5mm×12.5mm、厚度为6mm的全息衍射光栅G上，光栅G的零阶衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅的一级衍射光正入射到平面反射镜M上，在M上反射后光线被反向，沿着与原入射光束共线反向的路径，沿原路经光栅再次衍射后，返回到半导体激光管LD中。

激光激光管LD通过热沉2例如采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。下面描述准同步调谐机构的具体实现：准直透镜AL3通过镜架4被调整和固定，半波片HW 6通过镜架7被调整和固定，半波片6上还可设置有半波片调整镜套，用于旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向；衍射光栅G被固定在调节架动板8上，其方向可通过调节架定板9上的调节螺钉10和11进行调整，还可以通过动板上的压电陶瓷12进行细调，反射镜M通过固定架13固定在底板15上。外腔和光栅的选频作用通过围绕准同步转动中心Pq转动衍射光栅G 14来实现。例如，通过微调螺钉10改变衍射光栅G 14的角度进行粗调，或经过在压电陶瓷12施加控制电压进行微调。

本领域技术人员可知，上述例子中的半导体激光管也可选用其它波长和输出功率，光栅也可采用闪耀光栅或透射光栅，其可以具有其它刻线密度、大小和厚度，准直透镜也可以采用其它焦距和数值孔径。

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LD可选用其他型号；LD还可以通过电流控制装置，控制半导体激光管的输入电流。LD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 (5)

1.一种光栅外腔半导体激光器，其特征在于，包括：半导体激光管、光栅和半波片；

半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节；

其中所述半导体激光器为半导体激光激光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的光栅掠衍射外腔半导体激光器；所述光栅掠衍射外腔半导体激光器还包括准同步调谐机构，所述准同步调谐机构围绕一个准同步调谐转动中心Pq转动所述光栅，以满足：

$\mathrm{yq}-y0=-(\mathrm{xq}-x0)\·\tan \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2},$

其中xq和yq为准同步调谐转动中心Pq在XOY平面上的坐标，x0和y0为同步调谐转动中心P0在XOY平面上的坐标，其中当以同步调谐点P0为转动中心转动光栅时，在半导体激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，所述准同步调谐转动中心Pq位于一条经过同步调谐点P0的直线上，该直线相对于入射到光栅上的光线方向的夹角根据激光光束在光栅上的入射角与衍射角之差Δθ来确定，即当转动光栅时，所述夹角为Δθ/2。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述准同步调谐机构通过调节螺钉来调整所述光栅的转动角度，和/或通过在压电陶瓷上施加控制电压来对该转动角度进行微调。

3.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，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。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，还包括半波片调整镜套，用于旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向。

5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器还包括：准直透镜，所述半导体激光管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。

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