CN106300009A - 波长扫描外腔半导体激光器 - Google Patents

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贾志伟
王利军
张锦川
赵越
刘峰奇
王占国
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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Abstract

本发明公开了一种用于激光光谱学研究应用的波长扫描外腔半导体激光器。所述激光器包括：增益芯片、输出端准直透镜、反馈端准直透镜、扫描振镜、闪耀光栅、驱动及控制电路。由驱动及控制电路激励增益芯片发光，增益芯片反馈端发射光经反馈端准直透镜准直后，再由扫描振镜反射后，以一定的入射角照射到闪耀光栅上，闪耀光栅将特定波长的光反馈，按原光路返回增益芯片，从而形成谐振，产生激光，经输出端准直透镜准直后输出；扫描振镜在一定角度范围内来回转动，则照射到闪耀光栅的光的入射角在一定范围内来回扫描，反馈波长随之扫描，从而使输出激光波长在一定范围内扫描。

Description

波长扫描外腔半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种波长扫描外腔半导体激光器。
背景技术
激光光谱学研究对于现代物理学、材料科学、生物学、医学等诸多领域的发展具有重要意义。得益于激光光源的发明和不断进步，激光光谱学研究的应用领域日趋丰富，同时也对激光光源本身提出了更多、更高的要求。激光光谱学研究往往要求激光光源具有一定的波长调谐范围，这样可以在调谐波长范围内测得目标吸收峰，通过对吸收峰位置、强度和宽度的分析，从而得到所需信息。分布反馈(DFB)半导体激光器具有体积小、功率稳定、波长调谐性能稳定的优点，因而较多的被应用于激光光谱学研究，尤其是气体分子检测与气体浓度测定。然而，DFB半导体激光器调谐范围十分有限，而许多的激光光谱学研究中需要大范围波长调谐。
外腔半导体激光器具有宽调谐范围的特点，但是外腔激光器的波长选择往往涉及精密的机械运动控制，所以很难实现快速调谐和周期性波长扫描。以往研究人员通过旋转多面棱镜的方法，获取较高频率的波长扫描外腔半导体激光器，但是激光输出的占空比很小，而且波长扫描仅限于线性扫描模式。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种波长扫描外腔半导体激光器，以解决上述很难实现快速、大占空比、任意扫描模式波长扫描的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种波长扫描外腔半导体激光器，包括：
增益芯片(1)；
闪耀光栅(5)；以及
扫描振镜(4)，
其中：
所述增益芯片(1)的发射光经所述扫描振镜(4)反射到所述闪耀光栅(5)；
所述闪耀光栅(5)的反馈光经所述扫描振镜(4)返回至所述增益芯片(1)，形成谐振，产生激光。
上述方案中，所述扫描振镜(4)在一定偏转角度范围内来回转动。
上述方案中，所述扫描振镜(4)在一定偏转角度范围内来回转动的频率最高为1200Hz。
上述方案中，所述扫描振镜(4)包括驱动线圈(41)、光束反射镜(42)、扫描转子(44)、磁铁(45)，其中：
驱动线圈(41)在磁铁(45)产生的磁场中产生电磁力矩，驱动扫描转子(44)带动光束反射镜(42)旋转；
扫描转子(44)上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与扫描转子(44)偏离平衡位置的角度成正比；
当驱动线圈(41)通以一定的驱动电流而扫描转子(44)发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与复位力矩大小相等，偏转角与电流成正比；
通过扫描驱动电流，使光束反射镜(42)在一定角度范围内来回转动。
上述方案中，所述闪耀光栅(5)的光栅周期及闪耀角度随增益芯片(1)所发射光波段的不同而不同。
上述方案中，所述入射光入射到闪耀光栅(5)的入射角度与闪耀光栅(5)的闪耀角度之差小于5度。
上述方案中，所述增益芯片(1)为半导体发光芯片。
上述方案中，还包括：
驱动及控制电路(6)，用于激励所述增益芯片(1)发光，控制所述增益芯片(1)的温度和电流稳定，以及控制所述扫描振镜(4)的转动。
上述方案中，其中：
所述增益芯片(1)包括反馈端和发射端；
所述增益芯片(1)的反馈端发射光经所述扫描振镜(4)反射到所述闪耀光栅(5)；以及
所述激光从所述发射端输出。
上述方案中，还包括：
反馈端准直透镜(3)，位于所述增益芯片(1)的反馈端与所述扫描振镜之间；
输出端准直透镜(2)，所述谐振后产生的激光经所述输出端准直透镜后输出。
(三)有益效果
本发明提供的一种波长扫描外腔半导体激光器具有以下有益效果：
本发明将扫描振镜应用于外腔激光器，实现较宽范围的波长快速扫描。扫描振镜能够实现上千赫兹的小角度来回转动，且波形由驱动电流的波形决定。利用扫描振镜来改变入射到光栅上的角度，从而在较大范围内改变Littrow外腔模式的激射波长，由此实现宽范围、高占空比、较高扫描频率且扫描模式多样化的波长扫面外腔半导体激光器。
附图说明
图1是本发明实施例的波长扫描外腔半导体激光器的结构示意图。
图2a是本发明实施例的扫描振镜结构图。
图2b是本发明实施例的扫描镜三维示意图。
图3是本发明实施例的中心波长7.3μm波长扫描外腔半导体激光器在固定和扫描模式下的发射光谱图(模拟计算得到，实际光谱随反馈状态而不同)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
针对激光光谱学研究中对于宽调谐范围、大占空比快速扫描激光光源的需求，本发明将扫描振镜引入外腔半导体激光器中，用作光束扫描元件，从而获得宽调谐范围、大占空比、较高扫描频率的波长扫描外腔半导体激光器，且可以根据需要设置多种扫描模式。
图1是本发明实施例的波长扫描外腔半导体激光器的结构示意图。
如图1所示，根据本发明实施例，所述激光器包括：半导体增益芯片1、输出端准直透镜2、反馈端准直透镜3、扫描振镜4、闪耀光栅5、驱动及控制电路6以及输出激光束7。
由驱动及控制电路6激励增益芯片1发光，并控制增益芯片1的温度和电流稳定；增益芯片1反馈端发射光经反馈端准直透镜3准直后，再由扫描振镜4反射后，以一定的入射角照射到闪耀光栅5上，闪耀光栅5将特定波长的光反馈，按原光路返回增益芯片1，从而形成谐振，产生激光，经输出端准直透镜准直后输出激光束7。
闪耀光栅5所反馈的特定波长光与光的入射角有关，闪耀光栅5的光栅周期及闪耀角度随增益芯片所发射激光波段的不同而不同，光栅入射角度即闪耀光栅5的放置角度与闪耀角度之差小于5度。扫描振镜4由驱动及控制电路6控制在一定角度范围内来回转动，则照射到闪耀光栅5的光的入射角在一定范围内来回扫描，反馈波长随之扫描，从而使输出激光7波长在一定范围内扫描。由驱动及控制电路6控制扫描振镜4扫描，可以使输出激光7波长按照多种波形进行扫描。
半导体发光芯片作为增益芯片1，增益芯片1的增益谱决定了波长扫描外腔激光器的中心波长和扫描范围。
扫描振镜4作为光束入射角扫描部件，由驱动及控制电路6控制，在小角度范围内扫描，扫描频率最高可达1200Hz。
闪耀光栅5作为波长选择部件和反馈部件，构成Littrow外腔。
图2a是本发明实施例的扫描振镜结构图、图2b是本发明实施例的扫描镜三维示意图。
如图2a以及2b所示，所述扫描振镜包括：驱动线圈41、光束反射镜42、电枢43、扫描转子44、磁铁45、外壳46、扭矩杆47以及信号线48。
扫描振镜是一种能够通过控制驱动电流来控制反射镜偏转的电流敏感型器件，其原理为：驱动线圈41绕设在电枢43上，在磁铁45产生的磁场中产生力矩，驱动扫描转子44带动光束反射镜42转动。扭矩杆47通过机械扭簧或电子的方法使得扫描转子44上加有复位力矩，，大小与扫描转子44偏离平衡位置的角度成正比，当外加电流通过信号线48加在线圈41上时，扫描转子44发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与复位力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与外加驱动电流成正比。通过扫描驱动电流，能够使光束反射镜42在小角度范围内来回转动，扫描频率可达上千赫兹。扫描振镜具有较小的体积，这也十分有利于外腔激光器的小型化和集成化。
根据本发明的具体实施例：
半导体增益芯片1：增益中心波长为7.3μm的量子级联激光器芯片，具有双沟脊形波导结构，反馈端腔面镀增透膜(反射率小于1％)，从而抑制法布里-波罗(FP)腔模式激射。
输出端准直透镜2：孔径5.5mm，焦距2.5mm非球面透镜，材质可为ZnSe或GeSnSb等红外透光材质，镀增透膜，透射波长6μm到8μm。
反馈端准直透镜3：孔径5.5mm，焦距1mm非球面透镜，材质可为ZnSe或GeSnSb等红外透光材质，镀增透膜，透射波长6μm到8μm。
扫描振镜4，偏转角度大于±2度，最高工作频率1200Hz，反射镜为镀金全反射膜，放置角度为45度入射，反射率大于98％。
闪耀光栅5，每毫米105刻线，即光栅周期约9.52微米，光栅闪耀角度24度，1级衍射效率大于90％；根据光栅衍射方程：2dsinθ＝λ，放置角度为22.53度入射。闪耀光栅5的光栅周期及闪耀角度随增益芯片所发射激光波段的不同而不同，光栅的入射角度即放置角度与闪耀角度之差小于5度。驱动及控制电路6，包括三个模块：芯片驱动模块，芯片温度控制模块和扫描振镜驱动模块；芯片驱动模块和芯片温度控制模块使增益芯片提供中心波长7.3μm的光学增益，扫描振镜驱动模块驱动扫描振镜小角度来回转动，使光栅入射角在22.53±1度范围内扫描。这样输出激光波长将能够在7.1μm到7.5μm范围内扫描。
图3给出以上实例中所述快速波长扫描外腔激光器在线性扫描模式下，测试积分时间大于波长扫描周期条件下的发射光谱(模拟计算得到，实际光谱随反馈状态而不同)，和入射角度固定在22.53度时的发射光谱(实测得到)。扫描模式光谱覆盖由7.1μm到7.5μm的光谱范围能够满足多种气体分子同时检测和凝聚态物质检测的需求；固定模式下单波长输出，边模抑制比大于30dB，这非常有利于提高检测的精密度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长扫描外腔半导体激光器，包括：
增益芯片(1)；
闪耀光栅(5)；以及
扫描振镜(4)，
其中：
所述增益芯片(1)的发射光经所述扫描振镜(4)反射到所述闪耀光栅(5)；
所述闪耀光栅(5)的反馈光经所述扫描振镜(4)返回至所述增益芯片(1)，形成谐振，产生激光。
2.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述扫描振镜(4)在一定偏转角度范围内来回转动。
3.根据权利要求2所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述扫描振镜(4)在一定偏转角度范围内来回转动的频率最高为1200Hz。
4.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述扫描振镜(4)包括驱动线圈(41)、光束反射镜(42)、扫描转子(44)、磁铁(45)，其中：
驱动线圈(41)在磁铁(45)产生的磁场中产生电磁力矩，驱动扫描转子(44)带动光束反射镜(42)旋转；
扫描转子(44)上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与扫描转子(44)偏离平衡位置的角度成正比；
当驱动线圈(41)通以一定的驱动电流而扫描转子(44)发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与复位力矩大小相等，偏转角与电流成正比；
通过扫描驱动电流，使光束反射镜(42)在一定角度范围内来回转动。
5.根据权利要求1述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述闪耀光栅(5)的光栅周期及闪耀角度随增益芯片(1)所发射光波段的不同而不同。
6.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述入射光入射到闪耀光栅(5)的入射角度与闪耀光栅(5)的闪耀角度之差小于5度。
7.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，所述增益芯片(1)为半导体发光芯片。
8.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，还包括：
驱动及控制电路(6)，用于激励所述增益芯片(1)发光，控制所述增益芯片(1)的温度和电流稳定，以及控制所述扫描振镜(4)的转动。
9.根据权利要求1所述的波长扫描外腔半导体激光器，其中：
所述增益芯片(1)包括反馈端和发射端；
所述增益芯片(1)的反馈端发射光经所述扫描振镜(4)反射到所述闪耀光栅(5)；以及
所述激光从所述发射端输出。
10.根据权利要求9所述的波长扫描外腔半导体激光器，其特征在于，还包括：
反馈端准直透镜(3)，位于所述增益芯片(1)的反馈端与所述扫描振镜之间；
输出端准直透镜(2)，所述谐振后产生的激光经所述输出端准直透镜后输出。
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