CN105790067A - 波长锁定半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波长锁定半导体激光器，将体布拉格光栅放置在激光器的输出端面外侧或者端面外侧准直聚焦透镜的后面，当出射激光在VBG内传播时，只有满足布拉格衍射条件的光才能反射回去，经过LD光源内谐振腔的放大形成激光，激光器的输出波长就被锁定在这一布拉格波长上。VBG可以被用来锁定单管和巴条激光的波长，实现半导体激光器的波长锁定、角度选择、功率锁定以及降低功率损失、减小波长的热漂移。该设计具有结构紧凑，功率损失低，温度稳定性高等优点。同时在光路中VBG后面加入光隔离器，可以防止输出端的回光干扰激光，防止光纤激光器或者固体激光器背向传输光干扰激光器的稳定工作和损伤种子激光器。

Description

波长锁定半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体是涉及一种波长锁定半导体激光器，可以自由空间输出或耦合进入光纤输出。
背景技术
高光束质量、高功率半导体激光器及其光纤耦合系统在固态激光器、材料加工、医学和仪器设备等领域有广泛的应用。目前，常见的半导体激光器是将常规法布里-珀罗腔结构的激光直接耦合进光纤，由于法布里-珀罗腔内存在大量的激光模式，谱线宽度超过几个纳米，同时半导体激光器光谱随温度和工作电流的变化会产生较大变化。通常随着激光器的驱动电流增加，发射光谱变宽；温度增加，发射波长会发生红移，这直接影响了采用该类激光器作为种子源的光纤激光器或者固体激光器的稳定可靠工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种波长锁定半导体激光器，可实现半导体激光器的波长锁定、角度选择以及功率锁定，且可以防止输出端的回光干扰激光，防止光纤激光器或者固体激光器背向传输光干扰激光器的稳定工作和损伤种子激光器，本发明具有结构紧凑，功率损耗低，温度稳定性高等优点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种波长锁定半导体激光器，包括LD光源、用于锁定所述LD光源输出光的波长和功率，同时窄化光谱宽度的波长锁定组件、用于阻碍该半导体激光器输出端回光干扰激光的光隔离器和用于耦合进入光纤输出或自由空间耦合输出激光的聚焦透镜。
进一步的，所述波长锁定组件包括准直透镜组和体布拉格光栅，LD光源输出的光经过所述准直透镜组准直后，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分直接输出到LD谐振腔外，反射光部分沿着原光路返回LD谐振腔中，经过LD谐振腔再次放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
进一步的，所述准直透镜组为快轴准直镜与慢轴准直镜的组合，或者为快轴准直镜，或者为非球面聚焦透镜。
进一步的，所述波长锁定组件包括体布拉格光栅和镀在LD光源输出端面上具有固定波长的增透膜，LD光源输出的光经过所述增透膜后射出，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分经过体布拉格光栅后直接输出，反射光部分在LD光源和体布拉格光栅之间得到放大，形成稳定的激光震荡，再经过体布拉格光栅后，输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
进一步的，所述波长锁定组件包括准直透镜组、体布拉格光栅和设于LD光源输出端面上下部分的反光镜；LD光源输出的光经过所述准直透镜组准直后，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分经过体布拉格光栅后直接输出；调整体布拉格光栅的位置和角度，使反射光部分不沿原光路返回，反射光部分经准直透镜组聚焦在反光镜上，被反光镜反射后，二次聚焦到体布拉格光栅中，发生二次衍射；二次衍射后的反射光部分经过LD谐振腔放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光；经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
进一步的，所述光隔离器由设在所述聚焦透镜前面，替换为设在所述聚焦透镜后面，输出光纤的中间。
进一步的，该半导体激光器的锁定波长为915nm、980nm、10xxnm、15xxnm和19xxnm，其中，x为0-9的数字。
进一步的，该半导体激光器外加有用于监测光路的光电探测器或/和外加有用于控制器件的温度范围的半导体制冷器。
进一步的，该半导体激光器为单模半导体激光器或多模半导体激光器。
进一步的，该半导体激光器为边缘发射异质结类半导体激光器或VESCEL结构的面发射半导体激光器。
本发明的有益效果是：本发明提供一种波长锁定半导体激光器，将由体布拉格光栅(VBG)与准直透镜组组成的波长锁定组件放置在LD光源的输出端面外侧，当出射激光在VBG内传播时，只有满足布拉格衍射条件的光才能发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分直接透射输出到LD谐振腔外，反射光部分沿着原光路返回LD光源的谐振腔中，经过LD谐振腔的放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，可以自由空间输出或者由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出。这样，激光器的输出波长就被锁定在这一布拉格波长上。VBG可以被用来锁定单管和巴条激光的波长，实现半导体激光器的波长锁定、角度选择以及功率锁定，该设计具有结构紧凑，功率损耗低，温度稳定性高等优点。同时，在光路中VBG后面加入光隔离器，可以防止输出端的回光干扰激光，防止光纤激光器或者固体激光器背向传输光干扰激光器的稳定工作和损伤种子激光器。波长锁定组件还可以由体布拉格光栅(VBG)和镀在LD光源输出端面上具有固定波长的增透膜组成，或者由准直透镜组、体布拉格光栅和设于LD光源输出端面上下部分的反光镜组成。
附图说明
图1为本发明实施例1波长锁定半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例2波长锁定半导体激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例3波长锁定半导体激光器的结构示意图；
图4为本发明实施例4波长锁定半导体激光器的结构示意图；
图5为本发明实施例5波长锁定半导体激光器的结构示意图；
结合附图，作以下说明：
1——LD光源2——光隔离器
3——聚焦透镜4——准直透镜组
5——体布拉格光栅6——增透膜
7——反光镜8——光纤
FAC——快轴准直镜SAC——慢轴准直镜
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种波长锁定半导体激光器，包括LD光源1(具有LD和热沉)、用于锁定所述LD光源输出的光的波长和功率，同时窄化光谱宽度的波长锁定组件、用于阻碍该半导体激光器输出端回光干扰激光的光隔离器2和用于耦合输出激光的聚焦透镜3。所述波长锁定组件包括准直透镜组4和体布拉格光栅5(VBG)，准直透镜组为快轴准直镜(FAC)与慢轴准直镜(SAC)的组合；LD光源输出的光经过快轴准直镜(FAC)和慢轴准直镜(SAC)准直后，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分直接透射输出到LD谐振腔外，反射光部分沿着原光路返回LD光源的谐振腔中，经过LD谐振腔放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出。也就是说，当激光到达VBG元件时，只有特定波长带宽范围内的光才能被反射，通过调节VBG的位置，可使反射光沿着原光路返回LD谐振腔中。因此，VBG在这里起到了选频和窄化光谱的作用。光隔离器阻碍了输出端的回光干扰激光，保护半导体激光器的安全性和工作稳定性。
实施例2
如图2所示，本实施例2包含实施例1的大部分技术特征，其区别在于，所述准直透镜组为快轴准直镜或者非球面聚焦透镜。
实施例3
如图3所示，本实施例3包含实施例1的大部分技术特征，其区别在于，不加准直透镜组，在LD光源的输出端面上镀一层固定波长的增透膜6，其工作方式为：
LD光源发出的光经过增透膜后射出，破坏了半导体激光器的内谐振腔，入射到体布拉格光栅(VBG)中。只有满足布拉格衍射条件波长的光，才能被反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分直接输出到谐振腔外，反射光在LD光源和VBG之间得到放大，形成稳定的激光震荡，经过VBG后输出为特定波长和功率的激光，经过光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出，实现波长和功率的锁定，窄化光谱宽度。光隔离器阻碍了输出端的回光干扰激光，保护半导体激光器的安全性和工作稳定性。
实施例4
如图4所示，本实施例4包含实施例1的大部分技术特征，其区别在于，在LD光源的输出端面上下部分分别加上反光镜7，通过调整VBG的角度，实现激光器的波长和功率锁定。其工作方式为：
LD光源发出的激光经过准直透镜组准直后，入射到体布拉格光栅(VBG)中，满足布拉格衍射条件波长的光，就会发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，调整VBG的位置和角度，使反射光部分不沿着原光路返回，经过准直透镜组聚焦在反光镜7上，被反光镜反射后，二次聚焦到VBG中，发生二次衍射。二次衍射后的反射光经过LD光源内部谐振腔放大并经过光隔离器后，由聚焦透镜耦合进光纤输出，实现波长和功率的锁定，窄化光谱宽度。二次衍射实现了光路的自对准。光隔离器阻碍了输出端的回光干扰激光，保护半导体激光器的安全性和工作稳定性。
实施例5
如图5所示，本实施例5包含实施例1的大部分技术特征，其区别在于，光隔离器由设在所述聚焦透镜前面，替换为设在所述聚焦透镜后面，输出光纤的中间。
上述各实施例中，激光器的波长范围可以为915nm、980nm、10xxnm、15xxnm和19xxnm等波长，x为0-9的数字。
上述各实施例中，激光器输出端为光纤耦合输出，作为光纤激光器种子源；在其他实施例中，还可以空间耦合输出，作为半导体激光器独立使用。
上述各实施例中，输出光纤可以为Hi1060、PM980等单模保偏光纤，也可以为多模光纤。
上述各实施例中，激光器工作模式可以为连续激光器，也可以为脉冲激光器。
上述各实施例中，激光器可以为边缘发射的异质结波导结构半导体激光器，也可以为VECSEL结构的面发射激光器。
上述各实施例中，半导体激光器可以为单模或多模半导体激光器。
上述各实施例中，可外加光电探测器PD监测光路，可外加半导体制冷器TEC控制器件的温度范围，辅助提高激光器的稳定性。
综上，为了提高半导体激光器的输出的稳定性，本发明通过在激光腔外部放置光栅元件，使部分激光反馈进入激光器有源区中，形成外腔反馈式半导体激光器，可以锁定波长、压窄激光线宽和提高激光器稳定性。将体布拉格光栅(VBG)直接放置在激光器的输出端面外侧或者端面外侧准直聚焦透镜的后面，当出射激光在VBG内传播时，只有满足布拉格衍射条件的光才能反射回去，经过LD光源内谐振腔的放大形成激光，激光器的输出波长就被锁定在这一布拉格波长上。VBG可以被用来锁定单管和巴条激光的波长，实现半导体激光器的波长锁定、角度选择、功率锁定以及降低功率损失、减小波长的热漂移。该设计具有结构紧凑，功率损失低，温度稳定性高等优点。同时在光路中VBG后面加入光隔离器，可以防止输出端的回光干扰激光，防止光纤激光器或者固体激光器背向传输光干扰激光器的稳定工作和损伤种子激光器。
本发明窄化光谱宽度为0.05nm-0.5nm，可以适用于倍频光路中，VBG可以压窄LD光源在短脉冲(小于10ns)工作时的频谱展宽。扩展稳定温度范围为0-200℃，包括器件的常规工作温度范围(-10℃～50℃)。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长锁定半导体激光器，其特征在于：包括LD光源(1)、用于锁定所述LD光源输出光的波长和功率，同时窄化光谱宽度的波长锁定组件、用于阻碍该半导体激光器输出端回光干扰激光的光隔离器(2)和用于耦合进入光纤输出或自由空间耦合输出激光的聚焦透镜(3)。
2.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：所述波长锁定组件包括准直透镜组(4)和体布拉格光栅(5)，LD光源输出的光经过所述准直透镜组准直后，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分直接输出到LD谐振腔外，反射光部分沿着原光路返回LD谐振腔中，经过LD谐振腔再次放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
3.根据权利要求2所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：所述准直透镜组为快轴准直镜(FAC)与慢轴准直镜(SAC)的组合，或者为快轴准直镜，或者为非球面聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：所述波长锁定组件包括体布拉格光栅和镀在LD光源输出端面上具有固定波长的增透膜(6)，LD光源输出的光经过所述增透膜后射出，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分经过体布拉格光栅后直接输出，反射光部分在LD光源和体布拉格光栅之间得到放大，形成稳定的激光震荡，再经过体布拉格光栅后，输出为特定波长和功率的激光，经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
5.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：所述波长锁定组件包括准直透镜组、体布拉格光栅和设于LD光源输出端面上下部分的反光镜(7)；LD光源输出的光经过所述准直透镜组准直后，入射到所述体布拉格光栅中，所述体布拉格光栅使满足布拉格衍射条件波长的光发生选频反射，形成反射光部分和透射光部分，透射光部分经过体布拉格光栅后直接输出；调整体布拉格光栅的位置和角度，使反射光部分不沿原光路返回，反射光部分经准直透镜组聚焦在反光镜上，被反光镜反射后，二次聚焦到体布拉格光栅中，发生二次衍射；二次衍射后的反射光部分经过LD谐振腔放大，再经体布拉格光栅后输出为特定波长和功率的激光；经所述光隔离器后，由所述聚焦透镜耦合进入光纤输出或者进入自由空间输出。
6.根据权利要求2-5任一项所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：所述光隔离器由设在所述聚焦透镜前面，替换为设在所述聚焦透镜后面，输出光纤的中间。
7.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：该半导体激光器的锁定波长为915nm、980nm、10xxnm、15xxnm和19xxnm，其中，x为0-9的数字。
8.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：该半导体激光器外加有用于监测光路的光电探测器或/和外加有用于控制器件的温度范围的半导体制冷器。
9.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：该半导体激光器为单模半导体激光器或多模半导体激光器。
10.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器，其特征在于：该半导体激光器为边缘发射异质结类半导体激光器或VESCEL结构的面发射半导体激光器。
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