CN105591283A - 一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法 - Google Patents

Abstract

一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，涉及光栅外腔半导体激光器。半导体增益器件发出的光经准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，实现单纵模窄线宽输出，零级光作为输出；半导体增益器件或准直透镜固定于一位置可发生平移的驱动装置上，通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，实现光栅外腔半导体激光器波长的调谐。能通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使入射到衍射光栅的光束角度发生变化，从而实现波长连续调谐，操作简单，有利于激光器系统的小型化，实现对波长的快速宽带调谐。

Description

一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法

技术领域

本发明涉及光栅外腔半导体激光器，尤其是涉及可通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置来进行波长调谐的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法。

背景技术

光源的波长可调谐是激光技术的重要组成部分，光栅外腔半导体激光器就是一种以衍射光栅作为光反馈和选模元件的可调谐激光光源，具有线宽窄、可调谐范围宽、转换效率高等优点，在光纤通信、光存储、高分辨率光谱分析等领域有着广阔的应用前景。

目前，常用的光栅外腔半导体激光器一般有两种类型，即利特罗型光栅外腔半导体激光器和利特曼型光栅外腔半导体激光器，它们的波长调谐分别通过旋转衍射光栅和平面反射镜来改变光线在光栅上的入射角而实现，例如C.J.Hawthorn等(C.J.Hawthorn，K.P.WeberandR.E.Scholten，Littrowconfigurationtunableexternalcavitydiodelaserwithfixeddirectionoutputbeam，ReviewofScientificInstruments，Vol.72，No.12，Pages4477-4479，2001)介绍的一种比较典型的利特罗型光栅外腔半导体激光器和S.Stry等(S.Stry，S.Thelen，J.Sacher，D.Halmer，P.HeringandM.Murtz，Widelytunablediffractionlimited1000mWexternalcavitydiodelaserinLittman/Metcalfconfigurationforcavityring-downspectroscopy，AppliedPhysicsB，Vol.85，Pages365-374，2006)介绍的一种比较典型的利特曼型光栅外腔半导体激光器。对于这两种类型的光栅外腔半导体激光器，由于衍射光栅和平面反射镜体积较大，一般地，用于驱动其角度变化的电动旋转驱动装置体积也较大，这将不利于光栅外腔半导体激光器的小型化结构设计，也不利于波长的快速调谐。

为了减小外腔激光器系统的体积，汪洋(汪洋.基于InAs/InP量子点的1.55μm可调谐外腔激光器.曲阜师范大学硕士学位论文，2012年4月)和成若海(成若海.量子点外腔激光器性能研究.曲阜师范大学硕士学位论文，2013年4月)介绍了一款利特罗型光栅外腔半导体激光器的小型化结构。他们利于金属的弹性设计了光栅固定座，依靠压电陶瓷驱动器来旋转驱动衍射光栅，由于未采用大体积的角度旋转驱动装置，从而有效减小了系统的体积。如图1所示，即为论文所介绍的通过旋转衍射光栅实现利特罗型光栅外腔半导体激光器波长调谐的原理示意图，主要包括：半导体增益器件11、准直透镜12和衍射光栅13；半导体增益器件11发出的光经过准直透镜12准直后，入射到衍射光栅13上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件11有源区，零级光作为输出；衍射光栅13被固定在一压电陶瓷驱动器驱动的调谐装置14上，通过调谐装置14沿着点15推动衍射光栅13，使衍射光栅绕着轴16旋转，从而实现波长的调谐。其中，当压电陶瓷驱动器驱动的距离为x时，衍射光栅13绕轴16旋转的角度为δ，L表示作用点15距离轴16的距离。该利特罗型光栅外腔半导体激光器的调谐波长Δλ与旋转的角度δ满足关系式：2d·δ·cosθ＝k·Δλ，其中d为衍射光栅13的槽间距，k＝1表示一级衍射光，θ为一级衍射角，满足2dsinθ＝k·λ,其中λ表示半导体增益器件的中心波长；压电陶瓷驱动的距离x可表示为：x＝L·tanδ；根据以上关系式可得到此种利特罗型光栅外腔半导体激光器的调谐波长Δλ与压电陶瓷驱动光栅移动距离x之间的关系：Δλ＝(2d·x·cosθ)/L。针对785nm波长，当选用1200线/mm的光栅，L取25mm时，根据以上公式计算得到，压电陶瓷驱动器驱动9微米，外腔激光器波长相应地改变0.53nm。此种结构虽然有利于仪器的小型化设计，但是，由于依靠金属弹性不利于大角度改变，并且波长改变对压电陶瓷驱动器驱动位移变化不够敏感，再加上压电陶瓷驱动器位移改变量有限，这就限制了此种外腔激光器的电动调谐波长范围，对于某些需要大范围波长调谐的应用场合而不适合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的外腔激光器波长调谐存在的上述问题，提供一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法。

本发明的具体步骤如下：

1)半导体增益器件发出的光经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，实现单纵模窄线宽输出，零级光作为输出；

2)半导体增益器件或准直透镜固定于一位置可发生平移的驱动装置上，通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，实现光栅外腔半导体激光器波长的调谐。

所述光栅外腔半导体激光器包括半导体增益器件、准直透镜或衍射光栅。

所述半导体增益器件可采用具有光增益的半导体发光器件，所述具有光增益的半导体发光器件可选自边发射半导体激光二极管、超辐射发光二极管、光放大器等中的一种。

所述准直透镜可采用具有光学准直作用的光学镜片，能将半导体增益器件发出的光束准直为平行光束，所述具有光学准直作用的光学镜片可选自非球面透镜、双胶合透镜、物镜镜头等中的一种。

所述可发生平移的驱动装置可选自电动马达、步进电机、压电陶瓷驱动器、微机电系统等中的至少一种。

本发明通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，来改变入射到衍射光栅的光束角度，即以半导体增益器件或准直透镜的平移调节替代衍射光栅的旋转调节，从而实现波长的连续调谐。

本发明可以应用于利特罗、利特曼光栅外腔半导体激光器所使用的光路中。

本发明提供的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，能够通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐，其操作简单，有利于激光器系统的小型化，并且容易实现对激光器波长的快速宽带调谐。

本发明通过平移改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置来实现波长的连续调谐，将光栅的旋转调节改为半导体增益器件或准直透镜的平移调节，有利于激光系统的小型化；同时，由于波长改变量对于半导体增益器件或准直透镜的位置变化量较为敏感，本发明可实现对激光器波长的快速宽带调谐。

附图说明

图1为现有的通过旋转衍射光栅实现利特罗型光栅外腔半导体激光器波长调谐的原理示意图。

图2为本发明实施例的原理示意图。

图3为本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移半导体增益器件实现波长调谐(实施例1)的示意图。

图4为本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜实现波长调谐(实施例2)的示意图。

图5为本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移半导体增益器件实现波长调谐(实施例3)的示意图。

图6为本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜实现波长调谐(实施例4)的示意图。

图7为本发明应用于一种光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜实现波长调谐，且采用双面出光增益器件避免输出光束方向变化(实施例5)的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更为明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法的原理示意图如图2所示，所述光栅外腔半导体激光器包含半导体增益器件21、准直透镜22和衍射光栅23；半导体增益器件21发出的光经过准直透镜22准直后，入射到衍射光栅23上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件21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，零级光作为输出；半导体增益器件21或准直透镜22固定于一位置可发生平移的驱动装置24上，通过改变半导体增益器件21或准直透镜22相对于衍射光栅23的水平位置，使得入射到衍射光栅23的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。由于本发明是通过改变半导体增益器件21或准直透镜22的水平位置，来实现波长的连续调谐，因此，相比于传统的通过旋转衍射光栅和平面反射镜来实现波长的连续调谐，该方法有利于激光器系统的小型化，并且容易实现对激光器波长的快速宽带调谐。

以下给出具体实施例：

实施例1

如图3所示，通过平移半导体增益器件31来实现波长的连续调谐，并将本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器的光路中，采用特定参数的光学元件计算增益器件平移距离与波长调谐范围的关系，然后将计算结果与汪洋和成若海提出的小型化利特罗型光栅外腔半导体激光器结构进行比较。

本实施例将本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器的光路中，主要包括：半导体增益器件31、准直透镜32和衍射光栅33。其中，半导体增益器件31选用中心波长λ位于785nm的边发射激光二极管，准直透镜32选用焦距f为8mm的非球面镜，衍射光栅33的槽间距d为1/1200mm；半导体增益器件31发出的光经过准直透镜32准直后，入射到衍射光栅33上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件31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，零级光作为输出；半导体增益器件31固定于一位置可发生平移的驱动装置34上，当通过驱动装置34使半导体增益器件31平移距离为a时，入射到衍射光栅33的光束偏移角度为β，从而实现波长的调谐。

所述利特罗型光栅外腔半导体激光器的调谐波长Δλ与半导体增益器件的平移距离a满足关系式：2d·β·cosθ＝k·Δλ，k＝1表示一级衍射光,其中β≈a/f，因此Δλ＝(2d·a·cosθ)/f；其中θ为入射光与光栅法线的夹角，满足光栅方程2dsinθ＝k·λ，k＝1表示一级衍射光，则有：

$a=\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\·f/\sqrt{4d^2-{\mathrm{\λ}}^2}.$

将参数代入，分别计算出当外腔激光器调谐一定波长范围时，本发明中驱动装置34的平移距离a及汪洋和成若海文中所述调谐装置14的平移距离x(计算中L取衍射光栅的边长25mm)。

在不同调谐波长下，平移距离a和x的值参见表1。

表1

Δλ/nm	1.0	3.0	5.0	10.0	100
						a/μm	5.44	16.32	27.21	54.41	544.1
x/μm	17.00	51.01	85.02	170.0	1700.4

由表1的对比结果可以看出，本发明所提供的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，当外腔激光器调谐相同波长范围时，其驱动装置34的平移距离a仅为汪洋和成若海文中所述调谐装置14的平移距离x的f/L倍，约0.32倍，大大提高了驱动位移对调谐波长的敏感度。另外，根据本发明中光栅外腔半导体激光器的波长调谐范围Δλ与半导体增益器件的平移距离a之间的关系式可知，选择焦距较小的准直透镜，可在实现相同调谐范围的情况下，进一步缩减半导体增益器件的平移距离。

根据实施例1可以看出，该方法容易实现激光器系统的小型化，并有利于对激光器波长进行快速宽带调谐。

实施例2

如图4所示，通过平移准直透镜42来实现波长的连续调谐，并将本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器的光路中，主要包括：半导体增益器件41、准直透镜42和衍射光栅43。半导体增益器件41发出的光经过准直透镜42准直后，入射到衍射光栅43上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件41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，零级光作为输出；准直透镜42固定于一位置可发生平移的驱动装置44上，通过改变准直透镜42相对于衍射光栅43的水平位置，使得入射到衍射光栅43的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。

实施例3

如图5所示，通过平移半导体增益器件51来实现波长的连续调谐，并将本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器的光路中，主要包括：半导体增益器件51、准直透镜52、衍射光栅53和平面反射镜55。半导体增益器件51发出的光经过准直透镜52准直后，入射到衍射光栅53上，一级衍射光入射到平面反射镜55上，并被反射回衍射光栅53，进而返回半导体增益器件51有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模输出，零级光作为输出；半导体增益器件51固定于一位置可发生平移的驱动装置54上，通过改变半导体增益器件51相对于衍射光栅53的水平位置，使得入射到衍射光栅53的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。

实施例4

如图6所示，通过平移准直透镜62来实现波长的连续调谐，并将本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器的光路中，主要包括：半导体增益器件61、准直透镜62、衍射光栅63和平面反射镜65。半导体增益器件61发出的光经过准直透镜62准直后，入射到衍射光栅63上，一级衍射光入射到平面反射镜65上，并被反射回衍射光栅63，进而返回半导体增益器件61有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模输出，零级光作为输出；半导体增益器件61固定于一位置可发生平移的驱动装置64上，通过改变半导体增益器件61相对于衍射光栅63的水平位置，使得入射到衍射光栅53的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。

实施例5

如图7所示，通过平移准直透镜72实现波长的连续调谐，为避免波长调谐过程中输出光束的方向改变，本实施例采用双面出光的半导体增益器件，前腔面出光用于与光栅耦合，后腔面出光作为输出应用，将本发明应用于一种光栅外腔半导体激光器光路中，主要包括：半导体增益器件71、准直透镜72、衍射光栅73和准直透镜75。半导体增益器件71一端发出的光经过准直透镜72准直后，入射到衍射光栅73上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件71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，半导体增益器件71的另一端作为输出端，输出光束经准直透镜75准直后，得到平行输出光束。准直透镜72固定于一位置可发生平移的驱动装置74上，通过改变准直透镜72相对于衍射光栅73的水平位置，使得入射到衍射光栅73的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐且保持输出光束的方向不变。

本发明通过平移改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置来实现波长的连续调谐。半导体增益器件发出的光经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级光作为输出，激光器的波长调谐通过平移半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置实现。当驱动装置平移驱动半导体增益器件或准直透镜改变一个小的位置时，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。该方法操作简单，将光栅的旋转调节改为半导体增益器件或准直透镜的平移调节，有利于激光器系统的小型化；同时，由于波长改变量对于半导体增益器件或准直透镜的位置变化量较为敏感，该方法容易实现对激光器波长的快速宽带调谐。

半导体增益器件发出的光经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级光作为输出；半导体增益器件或准直透镜固定于一位置可发生平移的驱动装置上，通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。本发明操作简单，有利于激光器系统的小型化，并容易实现对激光器波长的快速宽带调谐。

虽然参照上述具体实施方式详细地描述了本发明，但是并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本专业领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可对其形式和细节进行各种改变，凡是通过平移改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置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。

Claims (7)

1.一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于其具体步骤如下：

1)半导体增益器件发出的光经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，实现单纵模窄线宽输出，零级光作为输出；

2)半导体增益器件或准直透镜固定于一位置可发生平移的驱动装置上，通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变化，实现光栅外腔半导体激光器波长的调谐。

2.如权利要求1所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述光栅外腔半导体激光器包括半导体增益器件、准直透镜或衍射光栅。

3.如权利要求1所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述半导体增益器件采用具有光增益的半导体发光器件。

4.如权利要求3所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述具有光增益的半导体发光器件选自边发射半导体激光二极管、超辐射发光二极管、光放大器中的一种。

5.如权利要求1所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述准直透镜采用具有光学准直作用的光学镜片。

6.如权利要求5所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述具有光学准直作用的光学镜片选自非球面透镜、双胶合透镜、物镜镜头中的一种。

7.如权利要求1所述一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，其特征在于所述可发生平移的驱动装置选自电动马达、步进电机、压电陶瓷驱动器、微机电系统中的至少一种。