CN1046641A

CN1046641A - 外腔半导体激光器

Info

Publication number: CN1046641A
Application number: CN90103616A
Authority: CN
Inventors: 阿兰姆·穆拉迪安
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1990-10-31
Also published as: JPH04504930A; WO1990013161A1; AU5555890A; US5327447A; US5050179A; CA2049943A1; EP0469067A4; EP0469067A1

Abstract

一种外腔半导体激光器，包括一个与二极管激光器相耦合的谐振腔，该腔体可以包含一个透镜或透镜系统或可以被构成一个光学波导。外腔也可以包含一种非线性光学材料，以产生一种光其频率高于半导体激光器所产生的频率。外腔的利用能确保半导体激光器以单模和/或以单频方式运行。

Description

本发明涉及一种单频，宽调，单空间模高功率半导体二极管激光器。

二极管激光器的峰值输出功率正比于器件发射面的有效面积，并因其严重衰减而受到限制。为提高半导体二极管激光器的输出功率，必须增加有效增益区的面积。然而，具有大发射面积的单块二极管激光器往往因以多空间模和/或多空间束工作而产生宽频谱输出。而且单块二极管激光器的输出波长通常集中在增益峰附近很难调谐。大有效面积器件描述谐振腔的菲涅耳数由下式给出：

F≌D²/λl＞1

其中，D是有效增益区宽度，

l是谐振腔长度，

λ是激光波长。

虽然有效增益区宽度已被考虑到，但是须注意大多数单块二极管激光器的有效增益区高度通常和”或者“高度和”光波长差不多，而且波在此方向导出。当波未导出时，相同的菲涅耳考虑也适用于该有效区高度。

由于增加了有效区宽度，因此在垂直谐振腔的方向上具有足够的总增益，以致沿这个方向的受激辐射比优选方向上的要大。这依次有两个效应，首先，从上述发射方向放出能量;其次，有助于暗线缺陷在器件中传播。众所周知，暗线缺陷能吸收自发辐射和受激辐射，而降低激光器的性能。随着暗线缺陷数量的增加和因光辐射它们在晶体中分布，将损坏器件以致不再激发激光。

此外，还有成束现象存在。在成束过程中，由于注入到增益区电流的不均匀性和材料的均匀性欠佳，增益区的若干部分会独立地发射激光。发射模式就产生很多强峰而不是均匀辐射了。当这种不受控制的成束出现，则发射激光的表面局部场强就会超过引起严重衰减所需的场强。

将外腔结构用在半导体激光器中就能克服上述缺点，外腔的采用将使受激辐射在所有方向上都下降，但在外腔所限定的方向上却例外，且通过将增益值钳位在通常的单块器件中产生的增益值之下，则也将减少自发辐射，于是就减少了暗线缺陷的产生率。此外，因为在半导体激光器中通常不存在谱线空穴或空间空穴，所以当采用外腔而将输出控制为单空间模时，就有可能从单频的单块二极管激光器中引出几乎所有的多模输出功率。这类外腔器件即可采用下面描述的技术在很宽的频谱范围内进行调谐。

本发明的一个方面是外腔激光器包括一个附着在外谐振腔一端上的单块二极管激光器。外谐振腔有一个经光学准直过的输出耦合反射镜，它附着在谐振腔相对于激光器的另一端上，而在反射镜和激光器之间配置束成形光学系统。光学元件安排成只有单空间模才能振荡。

本发明的另一个方面是具有某一杂质能级的单块二极管激光器，它附着在一个外腔上，该外腔与杂质能级有关的辐射跃迁是被选定的。

在一个实施例中，谐振腔包括一个球面透镜和一个平面反射镜。在另一实施例中，空腔包括一个柱面透镜和一个球面反射镜。再一个实施例中，空腔包括有一个球面透镜和一个柱面反射镜。又一个实施例中空腔包括多个球面透镜和一个平面或柱面反射镜。

在一种变型实施例中，束成形光学系统包括一个波导。在这个实施例中，平面反射镜是附着在相对着激光器的波导的另一端上。在另一种变型实施例中，波导包括一个柱面透镜，它放在激光器和平面反射镜之间。再一种变型实施例中，波导包括有一种非线性光学物质放在反射镜和激光器之间。

本发明的外腔激光器是采用一个半导体激光器，它附着在一个外谐振腔上，外谐振腔具有多种形状。这种结构的激光器是以单空间模工作的。

图1（a）是一个具有球面透镜光学腔的侧视示意图。图1（b）是图1（a）的光学腔的俯视图。图1（c）是具有柱面透镜的光学腔的侧视图。图1（d）是图1（c）的光学腔的俯视图。图1（e）是具有球面透镜和柱面反射镜的光学腔的侧视图。图1（f）是图1（e）的光学腔的俯视图。图1（g）是具有两个球面透镜并带有平面反射镜（或如虚线所示的柱面反射镜）的光学腔的侧视图。图1（h）是图1（g）的光学腔的俯视图。

图2（a）是单模波导光学谐振腔的侧视示意图。图2（b）是图2（a）的波导光学腔的俯视图。图2（c）是掠入射波导光学腔的侧视图。图2（d）是图2（c）的波导光学腔的俯视图。图2（e）是包含有一个非线性元件的掠入射波导光学谐振腔的侧视图。图2（f）是图2（e）的波导光学腔的俯视图。

图3（a）是波导光学腔和几何光学腔相结合的侧视示意图。图3（b）是图3（a）的波导光学腔和几何光学腔相结合的俯视图。

图4是激光谐振腔部件的分解图。

图5（a）是激光二极管在外腔中单模波导光学谐振腔的侧视示意图。图5（b）是图5（a）波导光学谐振腔的俯视图。

图6（a）是辐射跃迁到杂质带的能级图。图6（b）是从杂质带辐射跃迁出的能级图。

参见图1（a），半导体激光器具有一个反射后表面11和一个增透射前表面13，并附有一个包含球面透镜14和平面反射镜16的光学谐振腔。当激光从发射面12上的小孔散射出后，即被放在发射面12外一个焦距位置上的球面透镜14所收集，被收集的光通过一模孔17准直平行地射到平面反射镜16上，且被反射回通过球面透镜14重新聚焦在激光器平面12上。该模孔的大小是使得只有基空间模才能在激光谐振腔中传播。因为平面镜16是半透半反的，所以部分激光可透出而被利用。图1（a）中的激光可以在二极管结区平面中导出，但并非一定是发生在单块器件中同一导出区中引导出的。只要对单块器件常用区的上层或下层中产生的不同层间的折射率加以限制的话，就可以在更大的区域中导出。对于具有足够大的透光区的器件来说将不再有导出，而将应用通常的高斯模光学。参照图1（b），因为激光器的发射区宽度比其高度大很多，基模以与用于激光器谐振腔的通常的高斯光学一致的方式通过模孔17聚焦到反射镜16上。在这种情形下，二极管长度比外腔长度小。当二极管长度比外腔长度大时，则光波须是从二极管内部的两个方向上导出，或该二极管是光学透明的以致外腔的基空间模可在二极管激光器内部的两个方向上传播。

由于二极管激光器本身的自发辐射，暗线缺陷被认为在最初就已产生和传播。若受激辐射的阈值能通过控制二极管激光器象外腔这样的腔参数而降低，那么增益可以被钳位在比单块器件通常产生的增益还要低的水平上，于是降低自发辐射的水平。

为了抑制成束现象，根据外腔几何尺寸，在二极管激光器的一端或两端上都加上一层反射率相当低的增透涂层。这种外腔器件可工作在基空间模，该基空间模将对二极管激光器发射面场强很好地限制而不产生与成束现象有关的热斑，于是，激光器可工作在严重衰减的极限附近。这一点再加上因采用一个外腔而增加了二极管激光器中的有效面积使之大于单块器件的面积，将使激光器工作在比单块器件更高的功率水平上。

为使单模激光器稳定工作，外腔须是刚性的。外腔结构的横向挠度不应允许外腔模的象位移超过二极管激光器发射面腰部宽度的大约百分之几以上，以便确保单空间模的稳定工作。腔长应以激光器的已有技术加以确定而不改变确保单频稳定工作。在室温下，具有很小甚至为零膨胀系数的材料例如Zerodur^TM和Super Invar^TM可用于构造中限定腔长要求严的部件中。

参考图4，一个外腔激光器包括一个腔体410，其中有一透镜组412，这组透镜412装在一个定位筒420中，定位筒420可活动地安装在定位座418中。镜头筒420可沿腔体的轴移动，以便能聚焦从激光二极管426出来的激光。

激光二极管426安装在铜制散热装置422中，散热装置422和二极管426固定在安装架424上，424可移动地安装在一个调节止档428上。这个止档固定在定位座418上的凸片440上。热膨胀系数很小或零的陶瓷套430装在散热装置422上以便使二极管426和腔体其它部分热绝缘。两个密封片432和434分别将定位座418和反射镜托架442隔开。

反射镜托架442将反射镜444夹在腔的一端，镜444用一可压缩垫圈416和一反射镜调整臂438来固定使之相对于腔体不致移动。

腔体设计不仅在长度方向要保持不变，而且还应使其挠度不变以免改变光路的准直。应指明，任何腔体长度的变化并不导致误准直，因为就二极管而言图象仍将出现在轴上。

还应指出，激光腔可以包括一个调谐校准器或光栅，例如，一个有自由光谱范围大于＝极管增益带宽两倍以上的校准器436被夹持在夹套414中并固定在镜托架442中间。这样外腔激光器在整个带宽范围内的调谐就可通过倾斜校准器来完成。

参见图1（c），所示的实施例类似于图1（a）的，所不同的是其中柱面透镜18放置在激光器发射面12外一个焦距远的位置上。从面12发出的激光平行地通过模孔17到达球面反射镜20。球面反射镜20的焦点在激光器10的发射面12上。采用柱面透镜18的原因在于发射面12是向某一方向延伸的，因此不必聚焦。因而透镜18沿发射面的这条线取向。参见图1（e）中所示的实施例，它类似图1（a）中的实施例，但用柱面反射镜22放在离球面透镜14相当于球面透镜的焦距加上柱面镜22的焦距之和的距离上。如此安排后，球面透镜14和模孔17结合在一起使激光准直平行射向柱面反射镜22，而成为一个平面反射镜的作用。参见图1（f），在另一方向上，激光将通过透镜14的焦点而发散，但又经柱镜22的反射而再次聚焦，随后经球面透镜14沿着射面长度方向平行准直。

参见图1（g），是一个双镜构成的几何光学谐振腔的实施例。如前已描述的那样，第一个透镜14放在离激光器发射面12一个焦距的位置上，且将发散光束准直，然后经过模孔17和放在离第一个球面透镜14为第一球面透镜14和第二球面透镜24的焦距之和的距离上的第二球面透镜24。球面透镜24使光束再次聚焦，使光束落在离球面透镜24为其焦距远的平面镜16上，或使光束落在一个柱面反射镜22（虚线所示）上，该柱面镜22离球面透镜24的距离相当于第二球面透镜24的焦距与柱面反射镜22的焦距之和。参见图1（h），这是图1（g）的俯视图，其中示出了球面透镜14和24的位置并在面10上产生准直光束和当光束返回又通过14和24这一对透镜时在镜16或22（虚线所示）上产生准直光束。

参见图2（a），二极管激光器10附有一个波导光学腔，它包括一个掠入射或单模波导30和一个平面输出耦合镜16。波导30附在激光器上，并以发射面12为中心成对称分布。激光器的远离波导30那一端上有一高反射涂层11。参见图2（b），D是掠入射波导宽度并近似和发射面12的宽度相等。对于多数二极管激光器件而言，只有掠入射波导是适用的。波导长度l和宽度D必须满足下列关系：

D²/lλ～1

其中λ是激光波长。例如GaAlAs激光器波长为850毫微米，有效发射面宽150微米，波导长约2.6厘米。制造这种尺寸的波导是该领域普通技术人员所熟知的。例如，腔体可用单晶硅刻蚀，金属电成型以及塑料压模后加金属镀层，如用金镀来制造。这种腔体是易于批量生产以便制造低成本的单模激光器。

参见图2（c），掠入射波导光学腔可由掠入射波导32配在二极管激光器10上，再加上一个柱面透镜18和端部装一平面输出耦合镜16共同组合而成，如上所述，其腔体的长度l和宽度D须满足：

D²/λ～l。

在这个实施例中，柱面透镜18放在离激光器发射面12正好是其焦距（f）处的位置上，通过这个透镜激光被准直平行。如图1（c）和（d）所示的实施例一样，柱面透镜18这样取向即使光线聚焦在发射小平面12上。另一采用这种结构的实施例示于图2（e）和（f）。其中在腔体32中采用非线性材料，象铌酸钾，以便和二极管激光器10的频率相协调。非线性材料可以采用镀膜工艺，以便只传输所选定的频率。

参见图3（a），一种波导和几何光学谐振腔的组合器件可由激光器附加一个外腔34所组成，其中包括一个放在激光器10和输出耦合镜16之间的柱面透镜18，选用腔体34的长度l和宽度D以满足D²/λ～l，而其高度h允许比D大很多。

另一种改进设计是将二极管放在外腔的中心位置。这种方法适用于本申请论及的各种外腔。图5（a）即为其中一个实施例。二极管激光器510的两个增透涂层的工作面512和514放置在腔体之中的透镜516和518之间。从激光器510发出的光在射到反射镜520和522之前先经模孔524准直。反射镜522是100%全反射的，它将光反射回二极管激光器510处;另一反射镜520是半透明的，起输出耦合器的作用。

使用该光学腔的一种方法是修正激光器的发射，以产生从杂质能级产生的辐射。在半导体激光器中，例如，一种分级标示，各自限定的异构激光器（GRIN-SCH），杂质能级可在能带间隙产生。这种情形如图6（a）和（b）所示。在图6（a）中，杂质能级612是处在激发态610和价带620之间靠近激发态610的能级位置上。无辐射跃迁622可携带一个电子到杂质能级612中。随后产生辐射跃迁616，辐射628所具有的能量等于价带620和杂质能级612两者能级之差。

与之相反，在图6（b）中，杂质能级614可位于靠近价带620附近，此时，辐射跃迁618可以在激发态610和杂质能级614之间发生。辐射出的光子628的能量等于激发态610和杂质能级614之间两者能量之差。在导带和价带中，所有占有能态均可在激光器中产生跃迁。

采用一种如上所述的外腔，可以选择与杂质能级有关的辐射跃迁。只要审慎地选择杂质能级和腔体，即可获得比通常的带一带跃迁的激光器的调谐频率更低的激光器。

本发明的外腔激光器具有高强度的单频输出。外腔易于制造，成本低，因此能获得高容量低损耗的单色光源。

通过上述实施例的描述，本领域普通技术人员即可以从中进行很多可能的变化，而均属于本发明的范围和实质之内。因此，这些企图均受本发明权利要求保护范围的限制。

Claims

1、一种外腔二极管激光器，包括一个具有线状反射平面的单块二极管激光器，它安装在一个具有两个端部的外谐振腔的一端上，该外谐振腔包括布置在谐振腔两个端部之间的束成形光学系统和一个放在谐振腔相对于二极管激光器另一端上的输出耦合反射镜，并与二极管激光器呈光学准直以致只有单空间模谐振。

2、如权利要求1所述的激光器，其中的单块二极管激光器的一端上有一层增透涂层，而在它的另一端上有一层高反射层。

3、如权利要求2所述的激光器，其中的谐振腔安装在单块二极管激光器中有增透涂层的一端上。

4、如权利要求1所述的激光器，其中的二极管激光器是GaAlAs激光器。

5、如权利要求1所述的激光器，其中的输出反射镜是平面的，其束成形光学系统包括一个焦距为f的球面透镜，它安放在二极管激光器和所述反射镜之间，且与二者均相距f。

6、如权利要求1所述的激光器，其中，所述的输出反射镜是焦距为f′的球面镜，并安置在距二极管激光器为f′的位置。

7、如权利要求6所述的激光器，其中的束成形光学系统是一个焦距为f具有一个平面的柱面透镜，它放置在二极管激光器和反射镜之间，且离所述的激光器的距离为f，该柱面透镜如此取向即它的平面是与二极管激光器的线型发射面是共面和平行的。

8、如权利要求1所述的激光器，其中的束成形光学系统包括一个焦距为f的球面透镜，它放在二极管激光器和反射镜之间并离二极管激光器的距离为f。

9、如权利要求8所述的激光器，其中的输出反射镜是焦距为f′的有一轴的柱面镜且该柱面镜这样取向以使它的轴和二极管激光器的线性平面是共面和平行的，并被置在离透镜为f+f′的距离上。

10、如权利要求1所述的激光器，其中的束成形光学系统包括一焦距为f₁的第一透镜和焦距为f₂的第二透镜，其中第一和第二透镜相距f₁+f₂的距离，并安置在二极管激光器和反射镜之间，使第一透镜距二极管激光器为f₁而第二透镜距二极管激光器为2f₁+f。

11、如权利要求10所述的激光器，其中的反射镜是平面镜且安置在离第二透镜为f₂的位置上。

12、如权利要求10所述的激光器，其中的反射镜是焦距为f′具有一轴的柱面镜，该反射镜的轴和二极管激光器线型发射面共面和平行，并安置在离第二透镜为f₂+f′的距离上。

13、如权利要求3所述的激光器，其中的束成形光学系统是一个安置在二极管激光器和输出反射镜之间的波导，其输出反射镜是平面镜并安置在离二极管激光器的强反射端为l的距离上。

14、如权利要求13所述的激光器，其中的波导宽度当平行于二极管激光器发射面测量时是D。

15、如权利要求14所述的激光器，其长度l～D²/λ，其中λ是二极管激光器的波长。

16、如权利要求15所述的激光器，其中的反射面为150毫米。

17、如权利要求16所述的激光器，其中的长度l大约是2.8厘米。

18、如权利要求14所述的激光器，其中的波导高度当垂直于二极管激光器发射面测量时是D。

19、如权利要求13所述的激光器，其中的波导包括一个非线性光学元件。

20、如权利要求19所述的激光器，其中的非线性光学元件是铌酸钾。

21、如权利要求3所述的激光器，其中的束成形光学系统包括一个波导和一个柱面透镜。

22、如权利要求21所述的激光器，其中的波导是放置在二极管激光器和输出反射镜之间，输出反射镜是平面的，且安置在离二极管激光器的强反射端为l的距离上。

23、如权利要求22所述的激光器，其中的波导宽度为D。

24、一种制造波导光学谐振腔的方法，包括在单晶硅上刻蚀腔体的步骤。

25、一种制造波导光学谐振腔的方法，包括电成型腔体的步骤。

26、一种制造波导光学谐振腔的方法，包括在塑料上模压形成波导，然后在波导上镀上导体的步骤。

27、如权利要求26所述方法，其中所述的导体是金。

28、一种在二极管激光器中增强涉及杂质能级的辐射跃迁的方法，包括以给定的杂质能级制备二极管激光器和为增强这种跃迁使外腔与所述二极管激光器相匹配的步骤。