CN102931582A

CN102931582A - 可调谐光栅外腔半导体激光器

Info

Publication number: CN102931582A
Application number: CN2012102588466A
Authority: CN
Inventors: 张文甲; 余永林
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种可调谐光栅外腔半导体激光器，主要包括半导体激光器、准直透镜、衍射光栅和调谐装置。该半导体激光器发出的激光器经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，衍射得到的一级衍射光沿原路返回半导体激光器有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级衍射光作为输出光。激光器的波长调谐通过准直透镜的旋转实现。当驱动装置驱动准直透镜旋转一个小角度时，经过准直透镜的准直光束会偏离系统的光轴，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，相当于衍射光栅发生了旋转，实现了波长的调谐。采用该半导体激光器，能够实现对激光器波长的快速调谐，并利于系统的小型化。

Description

可调谐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，尤其涉及一种可调谐光栅外腔半导体激光器，其能够利用旋转准直透镜进行波长调谐。

背景技术

光源的波长调谐技术是激光技术的重要组成部分，可调谐光栅外腔半导体激光器具有可调范围宽、光谱纯度好、转换效率高、可靠性好等优点，在光通信、光存储、原子物理、测量等领域有着广阔的应用前景。

在现有技术中，常用的可调谐光栅外腔半导体激光器一般有两种类型。一种是Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器，另一种是Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器。下面对上述可调谐光栅外腔激光器作一简介。

Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器，一般包括三个器件：作为增益介质的半导体激光器、对激光器光束进行准直的准直透镜和作为选频元件的衍射光栅。半导体激光器发出的光束经过准直透镜准直后得到平行光，该平行光入射到衍射光栅上被衍射，其中，零级衍射光直接作为输出光，而一级衍射光则沿原入射光路返回半导体激光器中，与有源区发生作用，从而实现线宽的压窄。Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐是通过旋转衍射光栅来实现。Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器具有效率高、结构简单紧凑等优点。例如：C. J. Hawthorn等提出的一种可调谐光栅外腔半导体激光器（参见文献“‘Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam’by C. J. Hawthorn, K. P. Weber and R. E. Scholten, Review of Scientific Instruments, Vol.72, Pages 4477-4479, Decemner, 2001”）就是一种比较典型的Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。

Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器是在Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的基础上增加了一个反射镜来实现的。半导体激光器发出的光束经过准直透镜准直后得到平行光，该平行光入射到衍射光栅上被衍射，其中，零级衍射光直接作为输出光，而一级衍射光入射到反射镜上，并被反射回衍射光栅，进而返回半导体激光器进行震荡。Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐是通过旋转反射镜来实现。Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器具有光谱特性好等优点，但是其结构相对Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器来说较为复杂，所以通常使用Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。

Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器和Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐都是通过旋转衍射光栅或者反射镜实现，由于衍射光栅和反射镜的体积较大，而且对入射光的角度非常敏感，导致了系统的调谐速度较慢，精度要求较高，而且系统的体积较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可调谐光栅外腔半导体激光器，采用旋转准直透镜来实现Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐，以实现对可调谐光栅外腔半导体激光器的快速调谐，并减小系统体积，降低系统成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可调谐光栅外腔半导体激光器，该激光器包括：半导体激光器、可旋转准直透镜、调谐装置和衍射光栅；

所述可旋转准直透镜设置于调谐装置上，并且半导体激光器放置在准直透镜的焦点上，其半导体激光器的光轴与可旋转的准直透镜光轴重合。衍射光栅与准直透镜所在的平面有一定的夹角。半导体激光器发出的光束经准直透镜准直之后入射到衍射光栅上，部分衍射光作为输出，另一部分衍射光作为反馈返回半导体激光器中进行震荡。通过准直透镜的旋转可以实现波长的调谐，当驱动装置驱动准直透镜旋转一个小角度时，经过准直透镜的准直光束会偏离系统的光轴，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，相当于衍射光栅发生了旋转，实现了波长的调谐。

其中，所述准直透镜为球面透镜、非球面透镜或组合透镜。

所述的调谐装置可以驱动准直透镜旋转。所述的调谐装置可以驱动衍射光栅旋转。所述的调谐装置可以驱动准直透镜和衍射光栅同时旋转。所述的调谐装置可以由电动马达驱动。所述的调谐装置可以由步进电机驱动。所述的调谐装置也可以由微机电系统驱动。

本发明所提供的可调谐光栅外腔半导体激光器，具有以下优点：

该可调谐光栅外腔半导体激光器的准直透镜可以旋转，因此能够改变准直后入射到衍射光栅上光束的角度，从而可以实现波长的调谐。由于该可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐是驱动透镜旋转实现，因此该可调谐光栅外腔半导体激光器拥有较快的调谐速度和较宽的调谐范围，并且体积较小。

附图说明

图1为本发明的可调谐光栅外腔半导体激光器结构示意图。

图2为可旋转准直透镜原理示意图。

图3为本发明的第一个实施例的示意图。

图4为本发明的第二个实施例的示意图。

图5为本发明的第三个实施例的示意图。

图6为本发明的第四个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的半导体激光器作进一步详细的说明。

本发明的核心思想：通过旋转准直透镜实现可调谐光栅外腔半导体激光器的调谐。所述半导体激光器发出的相干光束经过准直透镜后准直成平行光，平行光被衍射光栅衍射后，一级衍射光反馈回所导体激光器的有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级衍射光作为输出光，当驱动装置驱动准直透镜旋转一个小角度时，经过准直透镜的准直光束会发生偏转，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化；所述可调谐光栅外腔半导体激光器中的准直透镜可以旋转，从而使准直后的光束入射到衍射光栅时有小角度的偏转，相当于旋转了衍射光栅，实现激光器的波长调谐。因此凡是使用旋转准直透镜作为调谐方式的光栅外腔半导体激光器均在本发明的保护范围之内。

图1为本发明的可调谐光栅外腔半导体激光器结构示意图，如图1所示，该可调谐光栅外腔半导体激光器主要包括：半导体激光器101、准直透镜102、衍射光栅103和调谐装置104。半导体激光器101放置于准直透镜102的焦点，并且半导体激光器101的光轴与准直透镜102的光轴重合，衍射光栅103与准直透镜102所在的平面有一定的夹角。半导体激光器101发出的激光经过准直透镜102准直后，入射到衍射光栅103上，只有特定波长的一级衍射光才能沿原路返回半导体激光器的有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出。零级衍射光作为输出光。

该可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐为通过调谐装置104驱动准直透镜102沿轴105旋转实现的。当驱动装置104驱动准直透镜102旋转一个小角度时，经过准直透镜102的准直光束会偏离系统的光轴，使得入射到衍射光栅103的光束角度发生变化，相当于衍射光栅103发生了旋转，实现了波长的调谐。由于本发明的可调谐光栅外腔半导体激光器的波长调谐为通过旋转准直透镜102实现，所以与传统的衍射光栅调谐相比，其调谐速度快，而且便于实现可调谐光栅外腔半导体激光器的小型化。

图2为旋转准直透镜调谐的原理示意图；如图2所示，半导体激光器201发出的光束由准直透镜202进行准直。当准直透镜202沿轴203旋转一个小角度ω时，经过准直透镜202的光束仍然保持准直，但是准直后的光束会偏转一个θ角，即准直透镜202的旋转会改变最终入射到衍射光栅的光束角度，相当于衍射光栅发生了旋转，从而实现波长调谐。

图3为本发明的第一个实施例的结构示意图；如图3所示，半导体激光器301放置于准直透镜302的焦点，并且半导体激光器301的光轴与准直透镜302的光轴重合，衍射光栅303与准直透镜302所在的平面有一定的夹角。半导体激光器301发出的激光器经过准直透镜302准直后，入射到衍射光栅303上，衍射得到的一级衍射光306沿原路返回半导体激光器有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级衍射光307作为输出光。对于波长的调谐为由调谐装置304驱动准直透镜302沿轴305旋转实现。当驱动装置304驱动准直透镜302旋转一个小角度时，经过准直透镜302的准直光束会偏离系统的光轴，使得入射到衍射光栅303的光束角度发生变化，相当于衍射光栅303发生了旋转，实现了波长的调谐。

图4为本发明的第二个实施例的结构示意图；如图4所示，半导体激光器401放置于准直透镜402的焦点，并且半导体激光器401的光轴与准直透镜402的光轴重合，衍射光栅403与准直透镜402所在的平面有一定的夹角。半导体激光器401发出的激光器经过准直透镜402准直后，入射到衍射光栅403上，衍射得到的一级衍射光406沿原路返回半导体激光器有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级衍射光407作为输出光。波长调谐是由调谐装置404同时驱动准直透镜402沿轴405旋转和衍射光栅403转动实现。当驱动装置404驱动准直透镜402和衍射光栅403旋转一个小角度时，入射到衍射光栅403的光束角度会发生变化，从而实现波长的调谐。

图5为本发明的第三个实施例的结构示意图；如图5所示，半导体激光器501放置于准直透镜502的焦点，并且半导体激光器501的光轴与准直透镜502的光轴重合，衍射光栅503与准直透镜502所在的平面有一定的夹角。半导体激光器501一端发出的激光器经过准直透镜502准直后，入射到衍射光栅503上，衍射得到的一级衍射光506沿原路返回半导体激光器有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出。波长调谐是由调谐装置504驱动准直透镜502沿轴505旋转实现。当驱动装置504驱动准直透镜502旋转一个小角度时，经过准直透镜502的准直光束会偏离系统的光轴，使得入射到衍射光栅503的光束角度发生变化，相当于衍射光栅503发生了旋转，实现了波长的调谐。半导体激光器501另一端作为输出端，输出光束经准直透镜507准直得到平行输出光束508。

图6为本发明的第四个实施例的结构示意图；如图6所示，半导体激光器601放置于准直透镜602的焦点，并且半导体激光器601的光轴与准直透镜602的光轴重合，衍射光栅603与准直透镜602所在的平面有一定的夹角。半导体激光器601一端发出的激光器经过准直透镜602准直后，入射到衍射光栅603上，衍射得到的一级衍射光606沿原路返回半导体激光器有源区，与有源区内光场作用，从而实现单纵模窄线宽输出。波长调谐为由调谐装置604同时驱动准直透镜602沿轴605旋转和衍射光栅603转动实现。当驱动装置604驱动准直透镜602和衍射光栅603旋转一个小角度时，入射到衍射光栅603的光束角度会发生变化，从而实现波长的调谐。半导体激光器601另一端作为输出端，输出光束经准直透镜607准直得到平行输出光束608。

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。

Claims

1.一种可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：半导体激光器、可旋转准直透镜、调谐装置和衍射光栅；

所述可旋转准直透镜设置于调谐装置上，该半导体激光器放置在所述可旋转准直透镜的焦点上，该半导体激光器的光轴与可旋转准直透镜光轴重合；衍射光栅与所述可旋转准直透镜所在的平面有一定夹角；该半导体激光器发出的光束经准直透镜准直之后入射到衍射光栅上，部分衍射光作为输出，另一部分衍射光作为反馈返回半导体激光器中进行震荡；通过所述可旋转准直透镜的旋转实现波长调谐；当驱动装置驱动准直透镜旋转一个小角度时，经过可旋转准直透镜的准直光束则偏离系统光轴，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，相当于衍射光栅发生了旋转，实现对波长的调谐。

2. 根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜能够旋转。

3.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜为球面镜。

4.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜为非球面镜。

5.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜为组合透镜。

6.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述调谐装置能够对所述准直透镜进行旋转。

7.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述调谐装置能够对所述的准直透镜和所述的光栅同时进行旋转。

8.根据权利要求1所述的可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述调谐装置为电动马达、步进电机或微机电系统。