CN104348074B - 宽温半导体泵浦激光器及用宽温ld泵浦的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种宽温半导体泵浦激光器以及用宽温LD泵浦的激光器，采用在半导体泵浦激光器外腔中引入不同楔角的楔角片或不同中心波长的窄带WDM滤波片，采用步进电机带动切换楔角片或WDM滤波片，在不同温度段将对应的楔角片或WDM滤波片插入光路中锁定波长，使激光器输出波长锁定在增益介质的吸收谱范围内。该结构大大提高了激光器的使用温度范围，并可应用于激光颜色随温度变化很敏感的可见光激光器，而且结构简单合理，易于实现，波长锁定较稳定。

Description

宽温半导体泵浦激光器及用宽温LD泵浦的激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种宽温半导体泵浦激光器以及用宽温LD泵浦的激光器。

背景技术

出射波长为808nm的多模的F-P腔半导体激光器被广泛的应用于高功率激光器和多微片激光器中泵浦增益介质中的稀土离子Nd³⁺。但是Nd³⁺在808nm处的吸收带宽相对较大（YAG中半高宽小于5nm，YVO4约为12nm），与此同时，通常的二极管激光器的谱宽为1-2nm,并且随温度的漂移速率约为0.3nm/℃，因此，波长的稳定就显得尤为重要。以往的单波长锁定的半导体激光器是通过将泵浦激光器的波长锁定在一个特定的波长-增益带宽的中心波长处。这一方面可以通过主动的热处置法控温（利用控温装置TEC），另一方面可以通过外部的波长锁定装置（体布拉格光栅）。但是前一种方法，一般会增加成本、能量损耗大、效率低，使其对于很多利用电池的装置不适用。而外部的波长锁定装置成本很贵，对封装的要求比较高，可靠性较差。而且随着温度的变化超出一定的幅度后，半导体激光器的锁定波长处的增益会由于增益物质的能带间隔发生变化，进而增益带宽的中心波长漂移而变小，反馈变弱，波长锁定失败。这一类的单波长锁定的半导体激光器波长的锁定的工作范围一般在20-30℃。

发明内容

本发明的目的在于提出一种非单波长锁定的宽温半导体泵浦激光器以及用宽温LD泵浦的激光器，具有更宽的工作温度范围，且结构简单合理，易于实现。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种宽温半导体泵浦激光器，包括泵浦LD、光学准直系统、波长锁定系统和耦合系统，泵浦LD输出波长锁定在被泵浦激光增益介质的吸收带宽之内；所述波长锁定系统包括波长锁定构件组、中心波长反馈系统和控制单元；泵浦LD输出光经光学准直系统准直，经过波长锁定构件组的波长锁定之后由耦合系统耦合进入被泵浦激光增益介质；中心波长反馈系统将输出波长反馈给控制单元，控制单元控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长。

或者，所述泵浦LD由一LD阵列替代，所述耦合系统包括耦合LD阵列输出光的第一耦合系统和将泵浦光耦合进被泵浦激光增益介质的第二耦合系统；所述准直系统包括分别设于第一耦合系统后面的第一准直器和设于第二耦合系统前面的第二准直器；LD阵列输出光经第一耦合系统耦合并由第一准直器准直，经过波长锁定构件组的波长锁定之后经第二准直器进入第二耦合系统，耦合进入被泵浦激光增益介质；中心波长反馈系统将输出波长反馈给控制单元，控制单元控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长。

进一步的，所述第一耦合系统包括多模光纤，一端耦合LD阵列输出光，另一端连接第一准直器。

进一步的，所述中心波长反馈系统包括一温度传感器，感应被泵浦激光增益介质的温度并将信号传给控制单元，控制单元根据被泵浦激光增益介质的温度特性判断输出中心波长，并据此控制波长锁定构件组锁定泵浦光的波长。

进一步的，所述中心波长反馈系统还包括一个部分反射镜，设于波长锁定构件组与耦合系统之间，反馈波长信号回泵浦LD进行波长控制。

进一步的，所述波长锁定构件组包括依光路设置的宽带透射光栅和一组具有不同楔角的楔角片组；所述楔角片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同楔角的楔角片进入光路进行波长锁定。

进一步的，所述波长锁定构件组包括一组具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组，所述WDM滤波片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同中心波长的WDM滤波片进入光路进行波长锁定。

本发明还公开了一种用宽温LD泵浦的激光器，包括上述的宽温半导体泵浦激光器、外谐振腔以及外谐振腔中的宽吸收谱增益介质；所述宽温半导体泵浦激光器的输出光激发增益介质产生振荡光，在外谐振腔内谐振并输出激光。

本发明的有益效果为：利用不同楔角的楔角片组或具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组以及反馈系统将泵浦LD的输出波长锁定在增益介质的吸收带宽之内，大大提高了激光器的使用温度范围，并可应用于激光颜色随温度变化很敏感的可见光激光器，而且结构简单合理，易于实现，波长锁定较稳定。

附图说明

图1为被泵浦增益介质的吸收谱图；

图2为本发明LD在不同温度范围输出光的波长温度关系图；

图3为本发明用宽温LD泵浦的激光器结构实施例一；

图4为本发明用宽温LD泵浦的激光器结构实施例二；

图5为本发明宽温半导体泵浦激光器的又一实施例示意图。

附图标记：101、泵浦LD；102、光学准直系统；103、光栅；104、楔角片组；105、步进电机；106、控制单元；107、温度传感器；108、部分反射镜；109、耦合系统；110、外谐振腔；111、增益介质；112、WDM滤波片组；201、LD阵列；202、第一耦合系统；203、第二耦合系统；204、第一准直器；205、第二准直器；206、光栅；207、楔角片组；208、步进电机；209、部分反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明采用的增益介质的吸收谱都有一定的宽度，故对于作为泵浦光源的半导体激光器，就不必将波长锁定在很窄的波长范围内，而是将波长锁定在增益介质吸收谱相对较宽的波长内。另外，一些可见光波段的半导体激光器如红光半导体激光器，想要使得颜色变化很明显，这就需要在较大的温度范围内将其波长限定在一定范围。如图1所示为增益介质的吸收谱图，其中λ₁为增益介质吸收谱短波可接受吸收波长，λ₂为增益介质吸收谱长波可接受吸收波长。本发明即是将宽温半导体泵浦激光器的输出波长锁定在λ₁和λ₂之间，如图2所示即为泵浦LD在不同温度范围内输出激光波长曲线，其中△T=T2-T1为本发明激光器可工作的温度范围，而在该温度范围外，激光器跳回到非波长锁定的激光器的波长温度变化关系上。如果对于非波长锁定的半导体激光器波长随温度的漂移速率为（dλ/dT），而对于单点的波长锁定激光器的温度锁定范围是△T₁，而且波长随温度的漂移速率相比较于非波长锁定的激光器也会发生（dλ/dT）₁的变化，而本发明的激光器的波长可以锁定在工作温度范围△T=2△T₁+（λ₂-λ₁）/（dλ/dT）内。

本发明就是利用大多数激光增益介质对于半导体泵浦光源具有一定的吸收带宽的特性，提出将半导体泵浦激光器的波长锁定在被泵浦激光增益介质的吸收带宽之内，从而大大提高半导体泵浦激光器的使用温度范围，并可应用于激光颜色随温度变化很敏感的可见光激光领域。技术上采用在半导体泵浦激光器外腔中引入不同楔角的楔角片或不同中心波长的窄带WDM滤波片，采用步进电机带动切换楔角片或WDM滤波片，在不同温度段将对应的楔角片或WDM滤波片插入光路中锁定波长，使激光器输出波长锁定在增益介质的吸收谱范围内。具体的，本发明的宽温半导体泵浦激光器，包括泵浦LD 101、光学准直系统102、波长锁定系统和耦合系统109。其中，泵浦LD 101输出波长锁定在被泵浦激光增益介质111的吸收带宽之内；波长锁定系统包括波长锁定构件组、中心波长反馈系统和控制单元106；泵浦LD 101输出光经光学准直系统102准直，经过波长锁定构件组的波长锁定之后由耦合系统109耦合进入被泵浦激光增益介质111；中心波长反馈系统将输出波长反馈给控制单元106，控制单元106控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长。

如图3所示即为本发明的宽温半导体泵浦激光器及用该宽温LD泵浦的激光器具体的实施例一，其中心波长反馈系统包括一温度传感器107，感应被泵浦激光增益介质111的温度并将信号传给控制单元106，控制单元106根据被泵浦激光增益介质111的温度特性判断输出中心波长，并据此控制波长锁定构件组锁定泵浦光的波长；而波长锁定构件组包括依光路设置的宽带透射光栅103和一组具有不同楔角的楔角片组104，楔角片组104安装于一步进电机105上，控制单元106控制步进电机105切换不同楔角的楔角片进入光路进行波长锁定；在楔角片组104与耦合系统109之间还设有一个部分反射镜108，用于反馈波长信号回泵浦LD101进行波长控制。其工作原理是：泵浦LD101输出光经光学准直系统102准直之后经过光栅103衍射，不同波长的光以不同的角度输出，经过楔角片之后，只有某一角度的波长光可经耦合系统109耦合进入外谐振腔110中对增益介质111进行泵浦；温度传感器107感应被泵浦激光增益介质111的温度并将信号传给控制单元106，控制单元106根据被泵浦激光增益介质111的温度特性判断输出中心波长，并据此控制步进电机105切换合适角度的楔角片，以锁定相应的泵浦光波长，并结合部分反射镜108将光波长信号反馈回泵浦LD101进行波长控制。该结构可根据工作温度范围即使调整插入光路中的楔角片的角度，实现在较宽的工作温度范围内准确地进行波长锁定，而且结构简单合理，易于实现。

如图4所示为本发明的宽温半导体泵浦激光器及用该宽温LD泵浦的激光器的实施例二，与实施例一不同的是，其中波长锁定构件组不再使用光栅103与楔角片组104的组合，而是直接采用一组具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组112，同样通过温度传感器107的反馈信号及控制单元106控制步进电机105切换相应的中心波长的WDM滤波片插入光路，实现在较宽的工作温度范围内准确地进行波长锁定。该结构省略了光栅，节约了成本。

如图5所示为本发明宽温半导体泵浦激光器的另一实施例，与上述各实施例不同的是，泵浦LD采用的是LD阵列201。具体的，将LD阵列201的输出光经第一耦合系统202（多模光纤）耦合到第一准直器准直204之后，进入波长锁定构件组，之后由第二准直器205进入第二耦合系统203，由第二耦合系统203耦合进入需要泵浦的谐振腔中对增益介质进行泵浦，而中心波长反馈系统将输出波长反馈给控制单元，控制单元控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长，并通过部分反射镜209将光波长信号反馈回LD阵列201。其中波长锁定构件组采用的是光栅206与楔角片组207的组合方式，通过步进电机208切换不同角度的楔角片插入光路进行波长锁定。该结构可实现高功率的泵浦光或激光输出。

同样的，图5所示实施例中的光栅206与楔角片组207的组合也可以由一组具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组替代。

上述各实施例中的光栅带宽包含了增益介质吸收谱的光谱带宽；各具有不同中心波长的WDM滤波片组的各中心波长也包含了增益介质吸收谱的光谱带宽；增益介质吸收谱对应的泵浦光截止波长λ₁、λ₂可以通过光栅或滤波片进行调节和控制，方便可行。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽温半导体泵浦激光器，包括泵浦LD、光学准直系统、波长锁定系统和耦合系统，其特征在于：泵浦LD输出波长锁定在被泵浦激光增益介质的吸收带宽之内；所述波长锁定系统包括波长锁定构件组、中心波长反馈系统和控制单元；泵浦LD输出光经光学准直系统准直，经过波长锁定构件组的波长锁定之后由耦合系统耦合进入被泵浦激光增益介质；中心波长反馈系统将被泵浦激光增益介质的输出中心波长反馈给控制单元，控制单元控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长。

2.如权利要求1所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述中心波长反馈系统包括一温度传感器，感应被泵浦激光增益介质的温度并将信号传给控制单元，控制单元根据被泵浦激光增益介质的温度特性判断输出中心波长，并据此控制波长锁定构件组锁定泵浦光的波长。

3.如权利要求2所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述中心波长反馈系统还包括一个部分反射镜，设于波长锁定构件组与耦合系统之间，反馈波长信号回泵浦LD进行波长控制。

4.如权利要求1-3任一项所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述波长锁定构件组包括依光路设置的宽带透射光栅和一组具有不同楔角的楔角片组；所述楔角片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同楔角的楔角片进入光路进行波长锁定。

5.如权利要求1-3任一项所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述波长锁定构件组包括一组具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组，所述WDM滤波片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同中心波长的WDM滤波片进入光路进行波长锁定。

6.如权利要求1-3任一项所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述泵浦LD由一LD阵列替代，所述耦合系统包括耦合LD阵列输出光的第一耦合系统和将泵浦光耦合进被泵浦激光增益介质的第二耦合系统；所述准直系统包括分别设于第一耦合系统后面的第一准直器和设于第二耦合系统前面的第二准直器；LD阵列输出光经第一耦合系统耦合并由第一准直器准直，经过波长锁定构件组的波长锁定之后经第二准直器进入第二耦合系统，耦合进入被泵浦激光增益介质；中心波长反馈系统将输出波长反馈给控制单元，控制单元控制波长锁定构件组改变锁定的泵浦光波长。

7.如权利要求6所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述第一耦合系统包括多模光纤，一端耦合LD阵列输出光，另一端连接第一准直器。

8.如权利要求6所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述波长锁定构件组包括依光路设置的宽带透射光栅和一组具有不同楔角的楔角片组；所述楔角片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同楔角的楔角片进入光路进行波长锁定。

9.如权利要求6所述宽温半导体泵浦激光器，其特征在于：所述波长锁定构件组包括一组具有不同中心波长的窄带WDM滤波片组，所述WDM滤波片组安装于一步进电机上，控制单元控制步进电机切换不同中心波长的WDM滤波片进入光路进行波长锁定。

10.一种用宽温LD泵浦的激光器，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的宽温半导体泵浦激光器、外谐振腔以及外谐振腔中的宽吸收谱增益介质；所述宽温半导体泵浦激光器的输出光激发增益介质产生振荡光，在外谐振腔内谐振并输出激光。