CN105932541A - 一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，包括底座、支撑底座、光路调整附件、光栅座、反射镜座、套筒座、一维柔性平台和柔性铰链；支撑底座固定在水平设置的底座上；支撑底座包括底板和悬臂设置在底板上的支撑台；光路调整附件、光栅座和柔性铰链固定在底板上；支撑台上设置有竖直安装面；一维柔性平台安装在竖直安装面上；一维柔性平台上设有用于安装套筒座的安装部；套筒座通过半导体制冷器安装在安装部上；柔性铰链上铰接有悬臂，柔性铰链上还安装有用于推动悬臂绕铰链水平摆动的PZT；反射镜座固定在悬臂的末端，反射镜座上部悬臂状的设置有反射镜安装部。本发明能够实现大范围无跳模调频。

Description

一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，没特别涉及一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器。

背景技术

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长可调谐、体积小等优点，相较于传统激光器，可调谐外腔半导体激光器通过外延展谐振腔和激光器内腔匹配，实现波长连续无跳模调谐，在精密测量，原子物理等领域发挥着重要的作用。尤其在大尺寸装配领域，激光测距技术成为装配过程空间位姿检测的关键支撑技术。给予可调谐半导体激光器的光频扫描干涉测距(requencyscannedinterferometry，FSI)系统可实现无导轨绝对距离测量，是一种更适合工业现场大尺寸测量领域应用的现代测距系统。

现有的可调谐外腔半导体结构有Littrow型和Littman型两种，Littrow型外腔结构的激光输出方向随光频调谐改变而改变，在精密测量领域使用困难，而Littman型外腔结构能保证激光输出光频方向保持不变，且能获得更窄线宽，更适合为精密测量领域提供光源。现有Littman型外腔可调谐激光器存在调谐范围小，调谐缓慢和镀增透膜造价高昂等缺点。

发明内容

本发明目的在于提供一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，以解决上述技术问题；本发明结构简单，无需增透膜，能获得较大无跳模调谐范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，包括底座、支撑底座、光路调整附件、光栅座、反射镜座、套筒座、一维柔性平台和柔性铰链；支撑底座固定在水平设置的底座上；支撑底座包括底板和悬臂设置在底板上的支撑台；光路调整附件、光栅座和柔性铰链固定在底板上；支撑台上设置有竖直安装面；一维柔性平台安装在竖直安装面上；一维柔性平台上设有用于安装套筒座的安装部；套筒座通过半导体制冷器安装在安装部上；柔性铰链上铰接有悬臂，柔性铰链上还安装有用于推动悬臂绕铰链水平摆动的PZT；反射镜座固定在悬臂的末端，反射镜座上部悬臂状的设置有反射镜安装部。

进一步的，反射镜座的底部设有一个第一凹陷，第一凹陷下部对应第一凹陷处设有一个第二凹陷；第一凹陷和第二凹陷中设有一对磁铁，该对磁体的同极相对设置。

进一步的，反射镜座和悬臂采用相同材料一体成型制成。

进一步的，反射镜座通过螺栓固定在悬臂上。

进一步的，支撑底座通过隔震垫固定在水平设置的底座上。

进一步的，支撑台顶面安装有压板，用于限制一维柔性平台的竖直位置；套筒座上安装有套筒盖。

进一步的，光路调整附件上安装有反光镜；光栅座上设置有光栅，反射镜安装部中安装有反射镜，套筒座中设置半导体激光二极管。

进一步的，半导体激光二极管发出激光入射光栅的角度为70°；光栅法向方向与反射镜法向方向之间的夹角为28.249201°。

进一步的，还包括第一粗调附件和第二粗调附件；第一粗调附件包括安装在竖直安装面的固定部和设置于固定部上的粗调旋钮；使用时，将第二粗调附件固定在一维柔性平台上，旋转粗调旋钮，粗调旋钮带动伸出固定部的顶杆顶在第二粗调附件上，进一步旋转粗调旋钮推动整个一维柔性平台在竖直安装面上平动，实现半导体激光二极管位置的粗调，当确定大致位置后，拆除第一粗调附件和第二粗调附件；然后在一维柔性平台后端面安装细调旋钮，细调旋钮连接一维柔性平台内的丝杠螺母机构，通过旋转细条旋钮通过丝杠螺母机构驱动安装部带着半导体激光二极管相对于一维柔性平台进行微调；精确调节半导体激光二极管后端面位置，使半导体激光二极管后端面、光栅平面、反射镜平面相交于一点。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1)采用星形结构柔性铰链，不存在装配误差，响应速度快，无需外部提供回复力，轴心漂移在2μm以下。配合压电陶瓷(PZT)作为动力源，装配处采用倒三角结构，保证PZT延直线伸缩，在柔性铰链底部设计方槽，可以安装微型传感器如RSW108型力传感器，便于实时测量PZT力的变化。

2)满足激光器散热要求前提下极大地减小了体积，设计黄铜套筒盖套筒座加持本装有半导体激光二极管的套筒。在套筒底部安置TEC，将二极管的热量搬运至一维柔性平台。

3)结构上保证实现大范围无跳模调谐，在之前基础上优化了角度，具体方案是使激光二极管后端面，光栅平面，反射镜平面相交于一点，由于反射镜座与柔性铰链相连，柔性铰链固定不动，反射镜位置在装配过程中无法改变，光栅座相对于激光起底座固定不动。将光栅平面与反射镜平面的焦点作为柔性铰链轴心。在第一粗调附件上装有粗调旋钮，通过推动装有第二粗调附件的一维柔性平台实现位置粗调，当确定大致位置后，拆除粗条附件，在一维柔性平台后端面安装细调旋钮，使二极管散热结构相对一维柔性平台发生位移。精确调节二极管后端面位置。光栅座与反射镜座构设计成可实现多角度多方位微调。

4)增加磁隔震机构，在反射镜座和激光器底座预留出孔槽，可以安装直径10mm，高度3mm的标准磁铁。鉴于反射镜座和激光器底座之间的距离，上下最多可以各自安装两颗，调节磁性强度。

5)设计电涡流传感器夹具，集成到激光器上，用以测量激光器外腔工作时柔性铰链位移的变化，和2)中柔性铰链的改进一起用来实现闭环控制激光器同步调谐，使激光器调谐范围增加。

本发明采用价格低廉的二极管光源，无增透膜，降低激光器成本；缩小优化散热结构，在实现较好散热效果，保持温度长时间稳定的同时减小激光器体积；优化外腔结构，实现大范围无跳模调频。

附图说明

图1为本发明激光器整体结构装配图；

图2本发明激光器装配示意图；

图3为本发明散热结构与激光器内腔位置粗调整机构示意图；

图4为本发明散热结构与激光器内腔位置细调整机构示意图；

图5(a)至图5(d)为本发明柔性铰链结构与光路核心附件示意图；

图6为柔性铰链臂磁隔震部分示意图；

图7为传感器夹具示意图；

图8为Littman型ECDL结构示意图；

图9为反射镜座和悬臂的一体式结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图8所示，本发明一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，包括底座1、隔震垫2、支撑底座3、光路调整附件4、反光镜5、光栅座6、电涡流传感器底座7、反射镜座8、套筒盖9、套筒座10、第一粗调附件11、第二粗调附件12、压板13、一维柔性平台14、半导体制冷器15和柔性铰链16。

支撑底座3通过隔震垫2固定在水平设置的底座1上；支撑底座3包括底板31和悬臂设置在底板31上的支撑台32。光路调整附件4、光栅座6和柔性铰链16固定在底板31上。

支撑台32上设置有竖直安装面320；一维柔性平台14安装在竖直安装面320上，支撑台32顶面安装有压板13，用于限制一维柔性平台14的竖直位置。一维柔性平台14上设有用于安装套筒座10的安装部140。套筒座10上安装有套筒盖9；套筒座10通过半导体制冷器15安装在安装部140上。

光路调整附件4上安装有反光镜5。柔性铰链16上铰接有悬臂160，柔性铰链16上还安装有用于推动悬臂160绕铰链水平微摆动的PZT。反射镜座8通过螺栓固定在悬臂160的末端，反射镜座8上部悬臂状的设置有反射镜安装部80；反射镜座8的底部设有一个第一凹陷81，隔震垫2上对应第一凹陷设有一个第二凹陷20；第一凹陷和第二凹陷中设有一对磁铁，该对磁体的同极相对设置；通过悬臂状的设置反射镜安装部80，以及一对磁铁的使用，使得安装在反射镜安装部80中的反射镜收到外界振动的干扰尽可能的小，起到良好的隔振作用。请参阅图9所示，反射镜座8和悬臂160可以采用相同材料一体成型制成，这样可以避免运动过程中螺丝松动，影响精度，同时可以提升工作部分的共振频率，削弱了低共振频率导致的频率噪声。

光栅座6上设置有光栅，反射镜安装部80中安装有反射镜，套筒座10中设置半导体激光二极管。反射镜座8的后部设有电涡流传感器底座7，电涡流传感器底座7中安装有正对反射镜座8的电涡流传感器。

第一粗调附件11包括安装在竖直安装面320的固定部和设置于固定部上的粗调旋钮18。

本发明使用时，将第二粗调附件12固定在一维柔性平台14，旋转粗调旋钮18，粗调旋钮18带动伸出固定部的顶杆顶在第二粗调附件12上，进一步旋转粗调旋钮18推动整个一维柔性平台14在竖直安装面320上平动，实现半导体激光二极管位置的粗调，当确定大致位置后，拆除第一粗调附件11和第二粗调附件12，在一维柔性平台14后端面安装细调旋钮19，细条旋钮19连接一维柔性平台14内的丝杠螺母机构，通过旋转细调旋钮19能够驱动安装部140带着半导体激光二极管相对于一维柔性平台14的微调；精确调节半导体激光二极管后端面位置，使半导体激光二极管后端面、光栅平面、反射镜平面相交于一点，实现大范围无跳模调谐。

Littman型可调谐半导体激光器结构如图8所示。激光二极管内腔是带有增益的F-P谐振腔，R1和R2是激光器前后端面的反射系数，激光二极管后端面与反射镜构成激光器的外腔；图中，为入射光与光栅法线的夹角；θ为一级衍射光与光栅法线的夹角；L为转轴点与衍射点之间的距离；L₁为等效内腔长度；等效外腔长度L₂可以表示为

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\≈\frac{{\mathrm{\Δf\λ}}_0^2}{c}$

其中，λ₀为中心波长；c为光速；△λ为波长改变量；△f为频率改变量。

对于785nm波段，调谐100GHz相当于

$\frac{100\×{10}^9\×{(785\×{10}^{-9})}^2}{3\×{10}^8}=0.2054nm$

光栅方程：

d为光栅常数，与光栅刻线数互为倒数，为入射角，θ为衍射角，k为第k级衍射。

对于785波段，一级衍射光，光栅常数为该方程可表示为：

在保证外腔长度尽可能小，各部件不会发生干涉的情况下，经计算得最佳入射角度为70°。

sinθ＝1.413-sin70＝0.473307

θ＝28.249201

当θ＝28.249201°时，在1800刻线光栅条件下，既能满足实际工作时激光二极管结构与反射镜尺寸关系，又能满足激光器体积尽可能小的要求，同时使得光栅照射刻线尽可能多，从而增加外腔的反馈作用。

Claims (9)

1.一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，包括底座(1)、支撑底座(3)、光路调整附件(4)、光栅座(6)、反射镜座(8)、套筒座(10)、一维柔性平台(14)和柔性铰链(16)；

支撑底座固定在水平设置的底座(1)上；支撑底座包括底板(31)和悬臂设置在底板上的支撑台(32)；光路调整附件、光栅座和柔性铰链固定在底板上；

支撑台上设置有竖直安装面(320)；一维柔性平台安装在竖直安装面上；一维柔性平台上设有用于安装套筒座的安装部(140)；套筒座通过半导体制冷器(15)安装在安装部(140)上；

柔性铰链上铰接有悬臂(160)，柔性铰链上还安装有用于推动悬臂绕铰链水平摆动的PZT；反射镜座固定在悬臂的末端，反射镜座上部悬臂状的设置有反射镜安装部(80)。

2.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，反射镜座的底部设有一个第一凹陷(81)，第一凹陷下部对应第一凹陷处设有一个第二凹陷(20)；第一凹陷和第二凹陷中设有一对磁铁，该对磁体的同极相对设置。

3.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，反射镜座(8)和悬臂(160)采用相同材料一体成型制成。

4.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，反射镜座(8)通过螺栓固定在悬臂(160)上。

5.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，支撑底座通过隔震垫固定在水平设置的底座上。

6.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，支撑台顶面安装有压板，用于限制一维柔性平台的竖直位置；套筒座上安装有套筒盖。

7.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，光路调整附件上安装有反光镜(5)；光栅座(6)上设置有光栅，反射镜安装部(80)中安装有反射镜，套筒座(10)中设置半导体激光二极管。

8.根据权利要求7所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，半导体激光二极管发出激光入射光栅的角度为70°；光栅法向方向与反射镜法向方向之间的夹角为28.249201°。

9.根据权利要求1所述的一种Littman结构可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，还包括第一粗调附件(11)和第二粗调附件(12)；第一粗调附件包括安装在竖直安装面的固定部和设置于固定部上的粗调旋钮(18)；使用时，将第二粗调附件固定在一维柔性平台上，旋转粗调旋钮，粗调旋钮带动伸出固定部的顶杆顶在第二粗调附件上，进一步旋转粗调旋钮推动整个一维柔性平台在竖直安装面上平动，实现半导体激光二极管位置的粗调，当确定大致位置后，拆除第一粗调附件和第二粗调附件；然后在一维柔性平台后端面安装细调旋钮(19)，细调旋钮连接一维柔性平台内的丝杠螺母机构，通过旋转细条旋钮通过丝杠螺母机构驱动安装部带着半导体激光二极管相对于一维柔性平台进行微调；精确调节半导体激光二极管后端面位置，使半导体激光二极管后端面、光栅平面、反射镜平面相交于一点。