CN102025107B - 一种外腔半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、单块环形F-P腔和光折变晶体；所述半导体激光器中各部件的布设使得从半导体激光管发出的光束从所述单块环形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腔其中一个反射面的透射光作为该单块环形F-P腔的出射光入射到所述光折变晶体，并被按原路径反馈回半导体激光管。本发明实现了输出稳定的窄线宽，单模的大范围调谐。同时解决了分立元件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。

Description

一种外腔半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是指新型的单模大范围调谐的窄线宽外腔半导体激光器。
背景技术
目前，Yabai He and Brian J.Orr提出采用分立元件折叠F-P腔结构的外腔半导体激光器，其结构参见图1所示，环形滤波器(Ringfilter)的三个反射镜构成等效F-P腔，半导体激光管(LD，Laserdiode)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Ring filter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-refractivecrystal)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。
另外，以光折变晶体作为反馈元件的外腔半导体激光器。在Littrow和Littman结构中，激光波长或频率的调谐是通过转动光折变晶体或者反射镜，从而改变光线的衍射角实现的。然而，在此过程中，光折变晶体的选频作用和经过光折变晶体与半导体激光管构成的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，中断了激光频率的调谐，使得可得到的激光频率连续不跳模调谐范围非常小，例如1至2个GHz。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种外腔半导体激光器，实现波长或频率的大范围的同步调谐，得到大的不跳模的连续调谐频率范围。
基于上述目的本发明提供的外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、单块环形F-P腔和光折变晶体；
所述半导体激光器中各部件的布设使得从半导体激光管发出的光束从所述单块环形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腔其中一个反射面的透射光作为该单块环形F-P腔的出射光入射到所述光折变晶体，并被按原路径反馈回半导体激光管。
可选的，该半导体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，该半导体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，该半导体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，该半导体激光器中所述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，该半导体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，该半导体激光器中还包括：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；
半波片，所述半导体激光管发出的光束通过半波片后，入射到单块环形F-P腔。
可选的，该半导体激光器中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，通过改变半导体激光器外腔长度、光学性能来调节激光频率；
半导体激光管的调节设备，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；或者通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。
可选的，该半导体激光器中所述外腔的调节设备，包括：用于通过改变入射至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；或者通过改变光折变晶体到单块环形F-P腔或光折变晶体到半导体激光管的距离来调节光折变晶体选频决定的激光振荡频率的调节装置。
可选的，该半导体激光器中所述单块环形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，用于进行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，用户进行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腔的对光折变晶体的反馈角度；
所述外腔的调节设备为用于调整分光器件角度的调节装置；
所述半导体激光管的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：
半导体激光管热沉，通过改变半导体激光管的温度，改变半导体激光管输出光频率范围。
从上面所述可以看出，本发明提供的外腔半导体激光器，通过把单块环形F-P腔加入到LD与光折变晶体之间，实现了输出稳定的窄线宽，另外由于激光器外腔由激光管的后表面与相位共轭的光折变晶体组成，当改变光折变晶体的位置以改变外腔长度时，无转动轴因素的影响，故能实现单模的大范围调谐。同时解决了分立元件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。该外腔半导体激光器不用腔内和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现外腔半导体激光器谱线宽度小于100kHz的窄线宽激光输出，单模调谐范围不小于10G的大幅度调节，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制。
附图说明
图1为现有Yabai He and Brian J.Orr外腔半导体激光器结构示意图；
图2为单块环形F-P腔示意图；
图3为另一单块环形F-P腔示意图；
图4为本发明光折变晶体的示意图；
图5为本发明实施例的外腔半导体激光器结构示意图；
图6为本发明实施例带有调节部件的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。
本发明的外腔半导体激光器主要包括：半导体激光管(LD)1、准直透镜3、光折变晶体14和单块环形F-P腔(MFC)5。
本发明一个实施例如图5所示，LD 1发射的光经准直透镜3准直后，通过半波片(HW)501，光线输入面上的A点入射进入单块环形F-P腔5，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点射出的透射光被光折变晶体14反馈回LD 1。由于单块环形F-P腔5所具有更好的选频作用，使得整个外腔的选频作用被极大地增强，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。
该单块环形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。而光折变晶体与LD形成的腔的激光振荡频率可通过整体调节光折变晶体的位置实现，例如通过在光折变晶体14后面设置压电陶瓷502改变位置。经过这些途径，可将光折变晶体选频决定的激光频率与单块环形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，使得在单块环形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环形F-P腔上的压电陶瓷片调整控制激光频率。并可通过改变支配光折变晶体的压电陶瓷502电压实现外腔对单块环形F-P腔频率的跟踪或同步。
发明的一个实施例中所述环形F-P腔的结构，如图2所示。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点的透射光被光折变晶体反馈回LD。
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3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。
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。而光折变晶体与LD形成的腔的激光振荡频率可通过整体调节光折变晶体的位置实现。例如通过压电陶瓷改变位置。经过这些途径，可将光折变晶体选频决定的激光频率与单块环形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，使得在单块环形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。并可通过改变支配光折变晶体的压电陶瓷电压实现外腔对单块环形F-P腔频率的跟踪或同步。
本发明提供的半导体激光器中，还可以设置各种调节设备，主要包括如下几类：
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腔的对光折变晶体的反馈角度。
外腔的调节设备，通过改变半导体激光器外腔长度、光学性能等来调节激光频率。例如：通过改变入射至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，例如用于调整光折变晶体角度的调节装置；或者通过改变光折变晶体到单块环形F-P腔或光折变晶体到LD的距离来调节光折变晶体选频决定的激光振荡频率。
LD的调节设备，通过改变LD的输入电流来改变LD输出光频率范围；或者通过改变LD的温度来改变LD输出光频率范围，例如热沉等。
图6给出了带有调节机构的增强外腔半导体激光器实施例。该外腔半导体激光器主要包括：半导体激光管(LD)1、半导体激光管的热沉2、非球面准直透镜(Col)3，非球面准直透镜调整架4、单块环形F-P腔(MFC)5、单块环形F-P腔热沉6(可用于单块环形F-P腔5的慢速大范围频率调谐)、调节架动板8、调节架定板9、用于单块环形F-P腔的整体调整的微调螺钉10、用于单块环形F-P腔的整体调谐的调节架压电陶瓷11、粘在单块环形F-P腔上的压电陶瓷13(可用于环形F-P腔的快速频率调谐)、光折变晶体14和光折变晶体固定架15。其中，标号7指示的为外腔半导体激光器输出，12为光折变晶体14衍射返回的光在单块环形F-P腔7的B面的反射光，该光束可作为监测光。
本实施例中采用如图2所示的环形单块F-P腔结构。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。在该6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点所在平面为全反射面，该面可不镀膜，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。
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，如图4所示。
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，以入射角37.34°在兼做输入输出耦合面上的单块F-P腔5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单块环形F-P腔5)，入射光在A点发生反射和折射。其中折射进入单块环形F-P腔5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点的透射光入射在光折变晶体Rh:BaTiO314，光场在晶体内产生电荷重新分布，引起折射率调制，会在经过的空间形成折射率周期分布，其分布与光波的强度分布一致。因此也可以把这种折射率周期分布认为是一种光栅，即自相位体全息光栅。光经由自光折变晶体Rh:BaTiO314后产生相位共轭，光原路返回，反馈回半导体激光管1。该光束强度在谐振频率处达到最大值，实现窄线宽激光器。半导体激光管1入射到A点的反射光与经单块环形谐振在A的透射光的总合构成外腔激光器的输出，其输出在谐振时最弱。将光折变晶体Rh:BaTiO314，半导体激光器1和环形F-P腔5组成外腔。环形F-P腔5的透射光具有与单块环形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，经光折变晶体Rh:BaTiO314被返回到半导体激光管1中。由于单块环形F-P腔5的选频作用，使得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100kHz。
半导体激光管1采用温度传感器和半导体制冷器2实现温度控制。环形F-P腔5采用温度传感器和半导体激光管的热沉2(半导体激光管的热沉可以是半导体制冷器等)实现温度控制。该单块环形F-P腔5的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷13的方法和对单块环形F-P腔热沉6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，而光折变晶体Rh:BaTiO314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5实现。例如通过微调螺钉10或粘接在动板上的压电陶瓷11改变单块腔5的对光折变晶体Rh:BaTiO314的反馈角度。在改变角度的过程中，固定在粘有压电陶瓷11调节架动板8上的单块环形F-P腔5和单块环形F-P腔热沉6随着调节架动板8一起旋转，进入单块环形F-P腔5的光束方向也随着调节架动板8的转动改变相同的角度，实现波长反馈。经过这些途径，可将光折变晶体Rh:BaTiO314选频决定的激光频率与单块环形F-P腔5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5的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块环形F-P腔热沉6的温度和粘接在单块环形F-P腔上的压电陶瓷片13调整控制激光频率。可通过改变支配单块环形F-P腔转动的压电陶瓷11的电压或微调调节螺钉10，带动单块环形F-P腔5随着调节架动板8一起旋转，实现外腔对单块环形F-P腔频率的跟踪或同步。非球面准直透镜调整架4用于固定非球面镜及激光束准直的调整，单块环形F-P腔5通过热沉6固定在调节架动板8上，调节架动板8可通过调节架定板9上的微调螺钉调整。调节架定板9、半导体激光管热沉2、非球面准直透镜调整架4、光折变晶体固定架15均被固定在半导体激光器外腔的底板上。
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LD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；光折变晶体可采用其他晶体，掺杂浓度可选用其它浓度；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 (8)

1.一种外腔半导体激光器，其特征在于，包括：半导体激光管、单块环形F-P腔、光折变晶体和单块环形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；
所述半导体激光器中各部件的布设使得从半导体激光管发出的激光从所述单块环形F-P腔的入射面上的入射点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作为该单块环形F-P腔的出射光入射到所述光折变晶体，并按原路径反馈回半导体激光管；光束在入射点的透射光与激光在入射点的反射光作为外腔半导体激光器的输出；
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所述的半导体激光器，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所述的半导体激光器，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所述的半导体激光器，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、或微凸面与平面及微凹面的组合。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器还包括：准直透镜和半波片，所述半导体激光管发出的激光首先经过准直透镜准直后再入射到半波片；
所述半导体激光管发出的激光通过半波片后，入射到单块环形F-P腔。
6.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有以下调节设备中的至少一个：
外腔的调节设备，通过改变半导体激光器外腔长度、光学性能来调节激光频率；
半导体激光管的调节设备，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；或者通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述外腔的调节设备包括：用于通过改变入射至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；或者通过改变光折变晶体到单块环形F-P腔或光折变晶体到半导体激光管的距离来调节光折变晶体选频决定的激光振荡频率的调节装置。
8.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，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腔上粘接的压电陶瓷，用于进行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，用户进行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腔的微调螺钉或压电陶瓷，用于改变单块环形F-P腔的对光折变晶体的反馈角度；
所述外腔的调节设备为用于调整分光器件角度的调节装置；
所述半导体激光管的调节设备包括半导体激光管热沉，通过改变半导体激光管的温度，改变半导体激光管输出光频率范围。
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LD抽运单块非平面环形腔单频激光器;高春清等;《中国激光》;20090731;第36卷(第7期);1704-1709 *
Robust tunable single-frequency operation of a diode laser by a self-pumped phase-conjugate reflector and a high-finesse filter;Yabai He 等;《OPTICS LETTERS》;20081015;第33卷(第20期);第2368页末段、附图1 *
Yabai He 等.Robust tunable single-frequency operation of a diode laser by a self-pumped phase-conjugate reflector and a high-finesse filter.《OPTICS LETTERS》.2008,第33卷(第20期),第2368页末段、附图1.
高春清等.LD抽运单块非平面环形腔单频激光器.《中国激光》.2009,第36卷(第7期),1704-1709.

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