CN105119142B - 一种外腔调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外腔调谐激光器，包括用于对激光进行波长增益的激光增益芯片、对激光光束进行准直的准直透镜、对准直后的激光分光产生一级衍射光和零级衍射光的光栅、对一级衍射光进行聚光透射的聚焦透镜、用于对聚光透射后的一级衍射光进行选择性反射的反射镜、以及用于带动反射镜进行旋转的电机；其中，反射镜上还设置有镀金属细线区域图案。本发明镀金属细线区域图案通过微加工工艺包括光刻与薄膜沉积实现图案制作，不同的图案设计，可以实现不同的波长调节功能，例如单波长线性调谐、双波长调谐激光器、多波长调谐激光器等，进而满足调谐激光器在不同场合的应用需求。

Description

一种外腔调谐激光器
技术领域
本发明涉及外腔调谐激光器领域，尤其涉及的是一种可用于激光雷达系统的高性价比外腔调谐激光器。
背景技术
外腔调谐激光器是光通信、光谱学、激光雷达、光学相干断层扫描等领域的关键器件。基于半导体增益芯片的外腔调谐激光器由于具有相对高的集成度与相对简单的光学系统设计而被广泛研究与应用，其传统结构主要包括Littman和Littrow两种设计。Littrow设计是通过调节光栅与入射激光夹角，实现波长选择性反馈回激光增益芯片，这种设计的缺点是出射光方向不是固定的，对后续光路搭建造成极大不便。而Littman结构是通过调整外腔反射镜与光栅的相对夹角，从一级衍射光斑选择不同波长反馈回激光增益区，从而实现外腔调谐。Littman结构因为出射方向是光栅零级衍射方向，所以波长调谐不影响激光出射方向，克服了Littrow方案中的问题。但是Littman结构为了克服激光调谐过程中跳模导致波长调节不连续的问题，反射镜的调节机械装置，需要将一个长臂电机精准放置于光路中，其误差范围不能超过20-50微米，因此机械系统的稳定性会极大影响调谐性能，特别是在部分复杂环境的应用，例如车载激光雷达，震动、撞击都有可能改变光学系统参数。除了这两种激光调谐方案，还有基于液晶相位阵列平面、基于细缝选择透光、基于光学晶体、基于MEMS微镜阵列等外腔激光调谐方案。这些方案针对不同的应用皆各自有优缺点。基于液晶相位阵列平面的调谐方案中液晶的引入增加了激光的腔内损耗，增大激光阈值。基于细缝的波长选择方法，精度受限于细缝的加工宽度，而且细缝后的凹面镜将光反射回微缝隙时会引入损耗。基于MEMS微镜阵列除了成本高昂，帧切换速度较慢导致系统整体速度低下，无法适应激光雷达这种要求快速扫描获取点云数据的应用。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有很大设计弹性、速度较高、成本较低的外腔调谐激光器。
本发明技术方案如下：一种外腔调谐激光器，包括用于对激光进行波长增益的激光增益芯片、对激光光束进行准直的准直透镜、对准直后的激光分光产生一级衍射光和零级衍射光的光栅、对一级衍射光进行聚光透射的聚焦透镜、用于对聚光透射后的一级衍射光进行反射的反射镜、以及用于带动反射镜进行旋转的电机；其中，反射镜上还设置有镀金属细线区域图案。
应用于上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，激光增益芯片由半导体法布里泊罗波导构成，其后端面设置有高反射(HR)膜，前端面设置有减反射(AR)膜。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，激光增益芯片的增益去中心波长为810nm，其增益波长可调范围为780nm-840nm。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，光栅设置为闪耀光栅或者全息光栅。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，闪耀光栅为1200线/毫米的闪耀光栅。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，镀金属细线区域图案为采用线宽为20微米的镀金属细线构成图案而成。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，反射镜采用硅材料作为衬底，其中，包括蓝宝石、石英玻璃、硅、亚克力胶，并且，其镀金属细线区域图案为采用金、或银、或铝金属薄膜镀膜而成。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，电机与反射镜采用粘合的方式连接固定，并且，电机选取伺服电机或步进电机。
应用于各个上述技术方案，所述的外腔调谐激光器中，反射镜上设置的镀金属细线区域图案为采用两条平行的金属曲线或者单条金属曲线所构成的图案。
采用上述方案，本发明具有的优点在于：
(1)外腔反射镜通过微加工工艺制作而成，通过微加工形成镀金属细线区域图案，其窄线宽特性使得激光器获得非常窄带宽输出光谱，提高调谐精度与解析度。
(2)通过电机带动反射镜进行旋转扫描，其扫频速度由带图案的反射镜的度图案精与旋转电机的速度共同决定。这一有点对于需要扫频的激光雷达方案显得尤为明显，例如假设采用3000rpm的旋转电机，而假设微加工所得到的带图案反射镜，以10mm的半径每旋转一圈360度分布了3000个频率采样点，该设定下可以实现150kHz的频率扫描速度，而对微加工的精度大概只有20微米。该速度大大由于采用切换帧的MEMS微镜阵列外腔激光方案，其帧切换速度大概只有6～10kHz。
(3)镀金属细线区域图案可随意设计，因此可以大大增加设计的弹性，解决部分在传统调谐方法中没法克服的问题，例如调谐非线性、多波长发射等问题。
(4)本发明的外腔调谐激光器，整体制作成本较低，特别是对于可以长期只使用同一种外腔反射镜图案的标准化应用场合，例如光学调频连续波激光雷达。而相比具有同样扫频速度的外腔调谐激光例如基于电光晶体的外腔调谐激光器，本发明的方案更加具有成本优势。
附图说明
图1是本发明的光学系统结构示意图；
图2是本发明中线性调频反射镜图案；
图3是本发明中图2所示图案得到的扫频曲线；
图4是本发明双波长调频反射镜图案；
图5是本发明图4所示图案得到的波长随时间变化曲线。
具体实施方式
以下本发明结合附图进行详细说明。
本发明可以微加工的方法制作带图案的外腔反射镜，即在反射镜上设置有镀金属细线区域图案、以及激光光照区域，镀金属细线区域图案可以根据需要设置图案和镀金属细线的线宽，从而为外腔调谐激光器提供弹性的波长调节机制，制作而成的外腔调谐激光器具有更高的性价比，对于要求线性调频的激光雷达等应用具有扫频速度快、频谱线宽窄等突出优点，而且制作成本相比利用微镜阵列等方案要低得多。
实施案例一：
本实施例提供一种外腔调谐激光器，通过反射镜上镀金属细线区域图案的图案设计，可以获得线性扫频输出，本实施例适用于光学调频连续波激光雷达作为扫频激光光源。
本实施例如图1所示，激光增益芯片1是增益区中心波长在810nm，其增益的波长可调范围为780nm～840nm，激光增益芯片1可以采用半导体法布里泊罗激光构成。激光增益芯片1后端面有针对800nm红外波段的高反射HR镀膜11，前端面有减反射AR镀膜12，如此，可以尽量多的将激光从激光增益芯片1的前面端射出，进入到准直透镜2内，其中，采用的激光输出功率为5mW。激光通过激光增益芯片1后经过准直透镜2做准直，然后以一定角度打在1200线/毫米的闪耀光栅3上，闪耀光栅3也可以采用全息光栅代替，但优先选择闪耀光栅。经过闪耀光栅进行分光后，选取一级衍射光作为外腔反馈光通路，而零级衍射光则作为激光的出射方向。一级衍射光经过聚焦透镜4后，打在预先通过光刻等微加工方法加工好的带图案的反射镜5上，反射镜5以硅材料作为衬底，其中，衬底可以采用蓝宝石、石英玻璃、硅、亚克力胶的等，如图2所示，反射镜上还设置有镀金属细线区域图案201和激光光照区域202，并且，镀金属细线区域图案201为采用金、或银、或铝金属薄膜镀膜而成，其是通过光刻等微加工方法在反射镜上加工好的图案，图2所示为一个类新型的图案，图案的轮廓线通过镀金属而形成镀金属细线区域图案，本实施例镀金属细线区域图案的粗黑线采用镀金成型，线宽为20微米。图2中阴影区域为激光光照区域。带图案的反射镜5粘贴或者机械锁定在电机6上面，其中，电机与反射镜采用粘合的方式连接固定，或者，电机与反射镜也可以采用其他的固定方式进行固定，例如，采用螺钉，并且，电机选取伺服电机或步进电机。
当电机6以顺时针或者逆时针旋转时，其中，由于本实施例因为对称性，顺时针与逆时针没有区别，反射镜5在激光光照区域内只有不断变化的镀金细线可以反射激光与增益芯片1一起形成激光腔体，从而实现激光调谐的功能。本实施案例得到的频率-时间曲线如图3所示，该频率-时间特性可以作为线性调频激光光源，作为激光雷达系统的关键零部件。
实施案例二：
本实施例提供一种双波长的外腔调谐激光器。双波长激光经常被应用于太赫兹波的连续波差频产生、非接触式光学传感等领域，双波长激光的制作方法很多，本实施例主要通过设置反射镜5镀金属细线区域图案来实现，如图4所示，反射镜上设置的镀金属细线区域图案为采用两条平行的镀金曲线所构成的图案，其中，包括镀金属曲线401和镀金属曲线402组成的镀金属细线区域图案，本实施案例的光学设置与实施案例一一样，激光增益芯片采用同款产品。反射镜5的图案如图4所示，两条并行的曲线表示选定的两个波长，扫频过程中波长间距保持不变，得到如图5所示的波长-时间曲线。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种外腔调谐激光器，其特征在于：包括用于对激光进行波长增益的激光增益芯片、对激光光束进行准直的准直透镜、对准直后的激光分光产生一级衍射光和零级衍射光的光栅、对一级衍射光进行聚光透射的聚焦透镜、用于对聚光透射后的一级衍射光进行反射的反射镜、以及用于带动反射镜进行旋转的电机；
其中，反射镜上还设置有镀金属细线区域图案和激光光照区域。
2.根据权利要求1所述的外腔调谐激光器，其特征在于：激光增益芯片由半导体法布里泊罗波导构成，其后端面设置有高反射(HR)膜，其前端面设置有减反射(AR)膜。
3.根据权利要求2所述的外腔调谐激光器，其特征在于：激光增益芯片的增益中心波长为810nm，其增益波长可调范围为780nm-840nm。
4.根据权利要求1所述的外腔调谐激光器，其特征在于：光栅设置为闪耀光栅或者全息光栅。
5.根据权利要求4所述的外腔调谐激光器，其特征在于：闪耀光栅为1200线/毫米的闪耀光栅。
6.根据权利要求1所述的外腔调谐激光器，其特征在于：镀金属细线区域图案为采用线宽为20微米的镀金属细线构成图案而成。
7.根据权利要求1所述的外腔调谐激光器，其特征在于：反射镜采用硅材料作为衬底，其中，包括蓝宝石、石英玻璃、硅、亚克力胶，并且，其镀金属细线区域图案为采用金、或银、或铝金属薄膜镀膜而成。
8.根据权利要求1所述的外腔调谐激光器，其特征在于：电机与反射镜采用粘合的方式连接固定，并且，电机选取伺服电机或步进电机。
9.根据权利要求1-7任一所述的外腔调谐激光器，其特征在于：反射镜上设置的镀金属细线区域图案为采用两条平行的金属曲线或者单条金属曲线所构成的图案。
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