CN103259191B - 法布里-珀罗腔及外腔半导体激光器 - Google Patents
法布里-珀罗腔及外腔半导体激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种法布里‑珀罗腔及外腔半导体激光器。其中法布里‑珀罗腔包括腔体、耦合棱镜。入射光束通过耦合棱镜，以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射；透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出。通过本发明在解决现有法布里‑珀罗腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题的同时，避免出现激光跳模，获得窄线宽激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域，特别是涉及法布里-珀罗腔及外腔半导体激光器。
背景技术
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，这种宽线宽与许多场合的应用要求相距甚远。为了获得窄线宽的激光输出，目前采用的一种现有技术是利用光学反馈方法，将线宽较宽的激光光束入射到一个单独可控的法布里-珀罗腔上，利用法布里-珀罗腔透射的激光光束反馈到半导体激光管中，从而实现激光线宽的压窄。
光学反馈方法的现有技术具体细节请参见K.
I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，和A.Wicht，Low-noise，tunablediode laser for ultra-high-resolution spectroscopy，OPTICS LETTERS，第32卷第19期，2007年10月。图1给出了采用上述光学反馈方法的外腔半导体激光器示意图，其中细线表示光路，粗线表示电子线路。半导体激光管11发出的激光光束通过非球面准直透镜12到达透射型光栅13后，一部分激光光束通过1/2波片14到达法布里-珀罗腔15的耦合棱镜151。从耦合棱镜151进入腔体的光束在耦合棱镜151、第一反射镜152、第二反射面153之间进行振荡，并通过耦合棱镜151产生两束透射光束，即与耦合棱镜151的入射光束的镜反射光共线同向的第一透射光，以及与该入射光束共线反向的第二透射光。其中第二透射光通过1/2波片14到达透射型光栅13后，通过非球面准直透镜12反馈进入半导体激光管11。由于第二透射光具有低噪声、窄线宽的特点，因此可用于获得窄线宽的激光输出。同时反馈电子系统16根据第一透射光与耦合棱镜的镜反射光将激光频率锁定在该法布里-珀罗腔的相应谐振峰上，并将误差信号反馈给第二反射面153上的压电陶瓷上，从而实现法布里-珀罗腔15的谐振频率锁定。具体的，在反馈电子系统16中，经过1/2波片和偏振分光棱镜，将上述第一透射光和耦合棱镜的镜反射光由圆偏振光转换成两个偏振态相互垂直的线偏振光，并分别由两个探测器进行光功率探测，经过差分放大器得到误差信号，将该误差信号反馈到第二反射面153的压电陶瓷上，从而使法布里-珀罗腔的谐振频率锁定在激光的频率上。
然而，这种方案存在以下明显缺陷：在锁定方式上，由于上述外部谐振腔容易受到诸如外界振动、外界噪声的干扰，因此会导致外腔谐振频率不稳定。法布里-珀罗腔跟踪锁定在不稳定的外腔上，这不利于保持法布里-珀罗腔以及整个系统的稳定性。同时由于反馈腔采用一般稳定腔设计，入射光需要与谐振腔的谐振模式进行仔细的匹配，才可避免激光出现跳模的情况。这些缺陷均不利于激光线宽压窄的实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种法布里-珀罗腔及外腔半导体激光器，从而通过利用光学反馈的方法获得窄线宽的激光输出，并且不需要使用额外的反馈电子系统，在保证系统稳定的同时进一步压窄了激光的线宽。
根据本发明的一个方面，提供了一种法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔包括腔体、耦合棱镜，其中腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面；
入射光束通过耦合棱镜，以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出；
其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半。
根据本发明的一个方面，提供了一种外腔半导体激光器，包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅、法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔包括腔体、耦合棱镜，腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面，其中：
半导体激光管发出的激光光束通过准直透镜入射到衍射光栅，衍射光栅对激光光束进行衍射，将零级衍射光束作为外腔半导体激光器的输出光束；并将一级衍射光束作为入射光束，通过耦合棱镜以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振，其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向入射到衍射光栅；衍射光栅对透射光束进行衍射，并将一级衍射光束作为反馈光束，通过准直透镜入射到半导体激光管中，半导体激光管利用反馈光束实现窄线宽的激光输出。
本发明通过在法布里-珀罗腔中设置腔体、耦合棱镜，其中腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面；入射光束通过耦合棱镜，以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出；其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半。由于法布里-珀罗腔的腔体为单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，因此可以极大地简化法布里-珀罗腔的调节难度，同时提高法布里-珀罗腔的稳定性，在解决现有法布里-珀罗腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题的同时，避免出现激光跳模，获得窄线宽激光输出。
附图说明
图1为现有技术中光学反馈外腔半导体激光器的示意图。
图2为本发明法布里-珀罗腔一个实施例的示意图。
图3为本发明外腔半导体激光器一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
图2为本发明法布里-珀罗腔一个实施例的示意图。如图2所示，法布里-珀罗腔包括腔体21、耦合棱镜22，其中腔体21是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体21具有耦合面211、第一反射面212和第二反射面213，耦合棱镜设在耦合面211上，第二反射面213为球面。
入射光束通过耦合棱镜22，以倏逝波形式射入腔体21内，经第一反射面212全反射后，正入射在第二反射面213上，光束被第二反射面213反射后返回到第一反射面212，经第一反射面212全反射后返回到耦合面211，在耦合面211处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面211全反射的光束正入射在第二反射面213上，光束被第二反射面213反射后经原路返回到耦合面211，经耦合面211全反射后再入射到第一反射面212上进行全反射，实现光束在耦合面211、第一反射面212和第二反射面213之间谐振；透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出。
其中，第二反射面213的曲率半径等于光束在耦合面211、第一反射面212和第二反射面213之间谐振一周的光路几何长度的一半。
基于本发明上述实施例提供的法布里-珀罗腔，通过在法布里-珀罗腔中设置腔体、耦合棱镜，其中腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面；入射光束通过耦合棱镜，以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出；其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半。由于法布里-珀罗腔的腔体为单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，因此可以极大地简化法布里-珀罗腔的调节难度，同时提高法布里-珀罗腔的稳定性，在解决现有法布里-珀罗腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题的同时，避免出现激光跳模，获得窄线宽激光输出。
在该实施例中，由于腔体采用共焦腔的结构设计，以此腔体作为光学反馈腔，可以大大减小跳模的可能，提高激光器的跟踪锁定性能。由于采用单块结构，可以在简化腔体调节的同时，大大提高稳定性。同时，由于倏逝波在腔体内进行全反射，从而可进一步减小损耗，有利于获得窄线宽的激光输出。
根据本发明另一具体实施例，上述腔体满足：
其中α为光束在腔体内的耦合面上的反射角，α大于或等于腔体材料的全反射角，H为腔体的矢高，腔体沿矢高轴对称。
根据本发明另一具体实施例，腔体材料为光学石英玻璃。其中光学石英玻璃具有极小的传输损耗，从而提高谐振腔的精细度。
根据本发明另一具体实施例，第二反射面213上镀有高反射光学镀膜，镀膜的吸收系数小于50ppm。
根据本发明另一具体实施例，第二反射面213上光学镀膜的镀膜反射率大于0.999。
图3为本发明外腔半导体激光器一个实施例的示意图。如图3所示，外腔半导体激光器包括半导体激光管31、准直透镜32、衍射光栅33、法布里-珀罗腔34，法布里-珀罗腔34包括腔体341、耦合棱镜342，腔体341是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体341具有耦合面3411、第一反射面3412和第二反射面3413，耦合棱镜342设在耦合面上3411，第二反射面3413为球面，其中：
半导体激光管31发出的激光光束通过准直透镜32入射到衍射光栅33，衍射光栅33对激光光束进行衍射，将零级衍射光束作为外腔半导体激光器的输出光束；并将一级衍射光束作为入射光束，通过耦合棱镜342以倏逝波形式射入腔体341内，经第一反射面3412全反射后，正入射在第二反射面3413上，光束被第二反射面3413反射后返回到第一反射面3412，经第一反射面3412全反射后返回到耦合面3411，在耦合面3411处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面3411全反射的光束正入射在第二反射面3413上，光束被第二反射面3413反射后经原路返回到耦合面，经耦合面3411全反射后再入射到第一反射面3412上进行全反射，实现光束在耦合面3411、第一反射面3412和第二反射面3413之间谐振，其中，第二反射面3413的曲率半径等于光束在耦合面3411、第一反射面3412和第二反射面3413之间谐振一周的光路几何长度的一半；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向入射到衍射光栅33；衍射光栅33对透射光束进行衍射，并将一级衍射光束作为反馈光束，通过准直透镜32入射到半导体激光管31中，半导体激光管31利用反馈光束实现窄线宽的激光输出。
根据本发明实施方式提供的外腔半导体激光器，半导体激光管发出的激光光束通过准直透镜入射到衍射光栅，衍射光栅对激光光束进行衍射，将零级衍射光束作为外腔半导体激光器的输出光束；并将一级衍射光束作为入射光束，通过耦合棱镜以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振，其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向入射到衍射光栅；衍射光栅对透射光束进行衍射，并将一级衍射光束作为反馈光束，通过准直透镜入射到半导体激光管中，半导体激光管利用反馈光束实现窄线宽的激光输出。由于法布里-珀罗腔的腔体为单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，因此可以极大地简化法布里-珀罗腔的调节难度，同时提高法布里-珀罗腔的稳定性，在解决现有法布里-珀罗腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题的同时，避免出现激光跳模，获得窄线宽激光输出。
根据本发明另一具体实施例，上述腔体341满足：
其中α为光束在腔体内的耦合面上的反射角，α大于或等于腔体材料的全反射角，H为腔体的矢高，腔体沿矢高轴对称。
根据本发明另一具体实施例，衍射光栅可为透射型光栅或反射型光栅。其中对于反射型光栅而言，可进一步有利于对一阶衍射反馈的强度选择和控制。
根据本发明另一具体实施例，外腔半导体激光器还包括半导体激光管热沉，用于控制半导体激光管的温度，从而可以调整半导体激光管的激光输出频率。
根据本发明另一具体实施例，外腔半导体激光器还包括第一调节架，衍射光栅安装在第一调节架上，光栅调节架还具有第一压电陶瓷，用于对衍射光栅的角度、位置进行微调。其中第一调节架可用于对衍射光栅的角度和位置进行粗调，第一压电陶瓷可用于调整光栅的衍射角度，从而调整激光频率。
根据本发明另一具体实施例，外腔半导体激光器还包括第二调节架，法布里-珀罗腔安装在第二调节架上，第二调节架还包括法布里-珀罗腔热沉和第二压电陶瓷，其中法布里-珀罗腔热沉用于控制法布里-珀罗腔的温度，从而实现透射光束频率的大范围慢速调谐，第二压电陶瓷作用于法布里-珀罗腔上，利用应力改变法布里-珀罗腔的谐振频率，用以实现透射光束频率的小范围快速调谐。由于透射光束用于反馈入射到半导体激光管中，因此通过法布里-珀罗腔热沉，最终可以实现对半导体激光器输出光束的频率进行大范围慢速调谐，同时通过第二压电陶瓷，最终可以实现对半导体激光器输出光束的频率进行小范围快速调谐。
根据本发明另一具体实施例，外腔半导体激光器包括的法布里-珀罗腔为图2所示实施例中的法布里-珀罗腔。
在一个具体实施例中，功率为30mW、波长为689nm的半导体激光管31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32准直后，入射在刻线密度为1800g/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的闪耀衍射光栅33上，例如入射角为20.2°，衍射角为63.5°。光栅的零阶衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅的一阶衍射光通过耦合棱镜入射在法布里-珀罗腔34上，将光栅33，半导体激光管31和法布里-珀罗腔34组成光栅外腔。法布里-珀罗腔34的逆入射反射光具有与法布里-珀罗腔相反的光谱结构，该逆入射反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33返回到半导体激光管31中。由于法布里-珀罗腔34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100kHz。
此外，外腔半导体激光器中还可设置非球面准直透镜调整架，用于固定非球面镜及激光束准直的调整，法布里-珀罗腔通过热沉固定在第二调节架上，半导体激光管热沉，非球面准直透镜调整架，第一调节架和第二调节架均被固定在底板上。
在本发明中，法布里-珀罗腔腔体和耦合棱镜均采用石英玻璃制成，其光学面上的反射区域按照超光滑光学加工工艺仔细加工，表面的粗糙度低于0.5nm。第二反射面上光学镀膜的吸收系数小于50ppm，镀膜反射率大于0.999。
上述方案中的半导体激光管也可选用其它波长，其它输出功率。衍射光栅也可采用其它刻线密度和大小厚度构成的衍射光栅，也可选用其它的入射角和衍射角。准直透镜也可以采用其它焦距和数值孔径。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (8)
1.一种法布里-珀罗腔，其特征在于，法布里-珀罗腔包括腔体、耦合棱镜，其中腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面；
入射光束通过耦合棱镜，以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向射出，以便获得窄线宽的激光输出；
其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半；光束在腔体内的耦合面上的反射角大于或等于腔体材料的全反射角，腔体沿自身的矢高轴对称；
第二反射面上镀有光学镀膜，镀膜的吸收系数小于50ppm，镀膜反射率大于0.999。
2.根据权利要求1所述的法布里-珀罗腔，其特征在于，
腔体的材料为光学石英玻璃。
3.一种外腔半导体激光器，其特征在于，包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅、法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔包括腔体、耦合棱镜，腔体是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，腔体具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱镜设在耦合面上，第二反射面为球面，其中：
半导体激光管发出的激光光束通过准直透镜入射到衍射光栅，衍射光栅对激光光束进行衍射，将零级衍射光束作为外腔半导体激光器的输出光束；并将一级衍射光束作为入射光束，通过耦合棱镜以倏逝波形式射入腔体内，经第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，经第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面处发生全反射，同时生成倏逝波形式的透射光束，经耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后经原路返回到耦合面，经耦合面全反射后再入射到第一反射面上进行全反射，实现光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振，其中，第二反射面的曲率半径等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之间谐振一周的光路几何长度的一半；光束在腔体内的耦合面上的反射角大于或等于腔体材料的全反射角，腔体沿自身的矢高轴对称；所述透射光束沿着与入射光束共线反向的方向入射到衍射光栅；衍射光栅对透射光束进行衍射，并将一级衍射光束作为反馈光束，通过准直透镜入射到半导体激光管中，半导体激光管利用反馈光束实现窄线宽的激光输出；
其中，第二反射面上镀有光学镀膜，镀膜的吸收系数小于50ppm，镀膜反射率大于0.999。
4.根据权利要求3所述的外腔半导体激光器，其特征在于，外腔半导体激光器还包括半导体激光管热沉，用于控制半导体激光管的温度，从而控制半导体激光管发出激光光束的频率。
5.根据权利要求3所述的外腔半导体激光器，其特征在于，外腔半导体激光器还包括第一调节架，衍射光栅安装在第一调节架上，第一调节架用于对衍射光栅的角度和位置进行粗调；光栅调节架还具有第一压电陶瓷，用于对衍射光栅的角度和位置进行微调。
6.根据权利要求3所述的外腔半导体激光器，其特征在于，外腔半导体激光器还包括第二调节架，法布里-珀罗腔安装在第二调节架上，第二调节架还包括法布里-珀罗腔热沉和第二压电陶瓷，其中法布里-珀罗腔热沉用于控制法布里-珀罗腔的温度，从而实现对所述透射光束的频率进行大范围慢速调谐，第二压电陶瓷通过应力改变法布里-珀罗腔的谐振频率，用于对所述透射光束的频率进行小范围快速调谐。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的外腔半导体激光器，其特征在于，
衍射光栅为透射型光栅或反射型光栅。
8.根据权利要求3-6中任一项所述的外腔半导体激光器，其特征在于，
腔体的材料为光学石英玻璃。
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2012
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