CN106374334A - 窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器,在左端开口的激光器支架内设置有腔体支架，激光器支架左侧内壁和腔体支架左侧外壁之间设置有半导体制冷片，腔体支架左侧内壁上设置有激光二极管、右侧壁上设置有第二准直透镜，腔体支架左侧壁上加工有设置热敏电阻的安装孔，腔体支架底部激光二极管右侧光出射方向设置有第一准直透镜、凸柱透镜、凹柱透镜、干涉滤光片、聚焦透镜，激光器腔体的左上端设置有与外部电源电连接的压电促动器，压电促动器的上设置有半透半反镜，半透半反镜的伸入腔体支架的开口处位于聚焦透镜和第二准直透镜之间；本发明环境适应力强、对温度和振动敏感性低、窄线宽、可连续调谐，可推广应用到半导体激光器的抗振调谐领域。

Description

窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及到一种窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器。

背景技术

外腔半导体激光器由于其体积小、重量轻、覆盖波长范围广、易调谐等特性在原子物理、量子频标、通讯等领域中都有着广泛的应用。但是，外腔半导体激光器是通过外加耦合腔件来完成激光选模、压窄线宽来获得激光输出。同时，由于半导体激光芯片受自身结构特性影响，存在像散及波前强度分布不对称导致的波前横截面呈椭圆形，这些缺陷使得激光器不能满足对无像散波前有要求的相关应用。如外腔的反馈及单模光纤耦合效率。所以，激光二极管像散波前的校正以及外加器件的稳定性直接决定激光器是否能高效稳定的工作。特别是在空间原子钟和光通信领域、由于其工作环境恶劣，要求激光器有较强的环境适应能力(如较好的机械稳定性、温度稳定性)、抗电磁干扰、抗辐照等能力，同时有较好的光斑质量并保持激光器输出性能不变。但是，一般的外腔半导体激光器环境适应性较差，无法满足上述领域要求。以常见的外腔半导体激光器为例。如Littrow结构光栅外腔半导体激光器，其外腔是由激光二极管端面与光栅构成，同时光栅还作为激光器的选频器件。转动光栅可以改变激光器的选频波段和外腔长度，同时也会影响激光光束的输出方向。因此在该结构中，光栅的稳定性决定了激光器的稳定性和性能。外界微小的扰动(振动、温度变化)等都会改变光栅的位移，从而使激光器上述三个方面的性能受到影响导致其不能正常工作。同时激光二极管存在像散波前也会影响相关光路搭建、光纤耦合等应用上的性能指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述外腔半导体激光器的不足,提供一种设计合理、结构简单、环境适应力强、对温度和振动敏感性低、窄线宽、可连续调谐的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在左端开口的激光器支架内设置有腔体支架，腔体支架右上部设置有开口，激光器支架左侧内壁和腔体支架左侧外壁之间设置有半导体制冷片，腔体支架左侧内壁上设置有激光二极管，腔体支架左侧壁上加工有设置热敏电阻的安装孔，腔体支架底部激光二极管右侧光出射方向设置有第一准直透镜，第一准直透镜右侧光出射方向设置有凸柱透镜，凸柱透镜右侧光出射方向设置有凹柱透镜，凹柱透镜右侧光出射方向设置有干涉滤光片，干涉滤光片右侧光出射方向设置有聚焦透镜，腔体支架右侧壁上设置有第二准直透镜，激光器腔体的左上端设置有压电促动器，压电促动器通过导线与外部电源电连接，压电促动器的一端设置有半透半反镜，半透半反镜的一端伸入腔体支架的开口处位于聚焦透镜和第二准直透镜之间。

本发明的激光二极管左侧真空蒸镀4层三氧化二铝或二氧化硅全反膜、右侧真空蒸镀14层二氧化锆或二氧化硅增透膜，左右两侧均向左侧发射激光。

本发明的第一准直透镜为非球面透镜，左侧为平面、右侧凸面，右侧曲率半径为1～5mm，焦距为1.45～6mm；所述的第二准直透镜为平凸透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为3～8mm，焦距为10～25mm；所述的凸柱透镜左侧为凸面、右侧为平面，左侧曲率半径为5～15mm，焦距为12～30mm；所述的凹柱透镜左侧为平面、右侧为凹面，右侧曲率半径为2～6mm，焦距为4～10mm；所述的干涉滤波片左侧真空交替蒸镀80层氧化硒或氧化硅介质膜，带宽为0.4～1nm，右侧蒸镀8层氧化镁增透膜；所述的聚焦透镜焦距为15～25mm，曲率半径为3～8mm；所述的半透半反镜为平面镜，反射率为10％～50％，半透半反镜左侧真空蒸镀8层三氧化二铝或二氧化硅反射膜、右侧真空蒸镀12层二氧化锆增透膜。

本发明的压电促动器的位移伸长量为5～10μm。

本发明的干涉滤波片与光轴的正向夹角α和激光器所需要的波长相适应。

本发明的激光二极管左侧端面与半透半反镜左侧构成激光器外腔。

由于本发明采用了在激光器腔体的左上端设置有压电促动器，压电促动器通过导线与外部电源连接，压电促动器与半透半反镜相连接，通过改变外接电压来改变压电促动器伸长量，从而完成激光器的腔长的调谐，压电促动器与激光器光学系统分离安装可以减小压电促动器在调制时的振动对系统光路的影响，激光二极管左侧端面和半透半反镜左侧反射面构成激光器外腔，在外腔中通过聚焦透镜将激光汇聚在半透半反镜的左侧反射面形成猫眼结构，猫眼结构可有效降低反射镜对位置的敏感性，提高抗振性能。半透半反镜使一部分激光反射回激光二极管形成外腔反馈、另一部分光投射经过第二准直透镜准直出射。半导体制冷片用于控制激光二极管温度，热敏电阻用于测量激光二极管温度，通过测量得到温度反馈给激光电流源从而控制激光输出电流来完成激光二极管的调制。本发明相比于现有技术设计合理、结构简单、环境适应力强、对温度和振动敏感性低、窄线宽、可连续调谐，可推广应用到半导体激光器的抗振调谐领域。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明激光二极管快轴方向出射光路示意图(即激光器正视图)。

图3是本发明激光二极管慢轴方向出射光路示意图(即激光器俯视图)。

图中：1、热敏电阻；2、激光二极管；3、第一准直透镜；4、凸柱透镜；5、凹柱透镜；6、干涉滤光片；7、聚焦透镜；8、压电促动器；9、半透半反镜；10、第二准直透镜；11、半导体制冷片；12、腔体支架；13、激光器支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本发明窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器包括：

左端开口的激光器支架13内用螺纹紧固连接件固定连接安装有腔体支架12，腔体支架12的右上部加工有开口，腔体支架12采用殷钢加工制成，激光器支架13左侧内壁和腔体支架12右侧外壁之间用导热硅胶粘贴有半导体制冷片11，腔体支架12的左侧内壁上用螺纹紧固连接件固定连接安装有激光二极管2，激光二极管2左侧端面真空蒸镀4层三氧化二铝或二氧化硅全反膜，右侧端面真空蒸镀14层二氧化锆或二氧化硅增透膜，激光二极管2右侧镀增透膜可以使外腔反射的激光更容易进入激光二极管2进行外腔反馈，激光二极管2左右两侧均向左侧发射激光，半导体制冷片11用于稳定激光二极管2的温度，腔体支架12的左侧壁上靠近激光二极管2的位置加工有安装孔，安装孔内用导热硅胶粘贴有热敏电阻1，热敏电阻1用于测量激光二极管2温度，通过测量得到温度反馈给激光电流源从而控制激光输出电流来控制激光二极管2的调制。腔体支架12底部激光二极管2右侧光出射方向用螺纹紧固连接件固定连接安装有第一准直透镜3，第一准直透镜3为非球面透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为2.96mm，焦距为4.51mm，激光二极管2发出的光束经过第一准直透镜3进行准直，准直后的激光光斑为椭圆形。腔体支架12底部第一准直透镜3的右侧光出射方向用螺纹紧固连接件固定连接安装有凸柱透镜4，凸柱透镜4左侧为凸面、右侧为平面，左侧曲率半径为9.8mm，焦距为19mm，腔体支架12底部凸柱透镜4右侧光出射方向用螺纹紧固连接件固定连接安装有凹柱透镜5，凹柱透镜5左侧为平面、右侧为凹面，右侧曲率半径为3.3mm，焦距为6.3mm，准直后的椭圆光束沿左侧继续出射经凸柱透镜4、凹柱透镜5将激光快轴方向的光压缩，使得快轴和慢轴方向光的模式保持一致，此时激光光斑为圆形。腔体支架12底部凹柱透镜5右侧光出射方向用螺纹紧固连接件固定连接安装有干涉滤波片6，干涉滤波片6左侧真空交替蒸镀80层氧化硒或氧化硅介质膜，起选模作用，带宽为0.6nm，右侧蒸镀8层氧化镁增透膜，干涉滤波片6对经过整形的激光进行滤波，通过旋转干涉滤波片6与光轴的角度选取所需要的激光频率，干涉滤波片6与光轴的正向夹角α和激光器所需要的波长相适应，优选地，本实施例干涉滤波片6与光轴正向夹角α为6.5°。腔体支架12底部干涉滤波片右侧光出射方向用螺纹紧固连接件固定连接安装有聚焦透镜7，聚焦透镜7为双凸透镜，焦距为18.4mm，曲率半径为5.5mm，通过选模的激光经过聚焦透镜7汇聚。腔体支架12右侧壁上用螺纹紧固连接件固定连接安装有第二准直透镜10，第二准直透镜10为平凸透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为5.5mm，焦距为18.4mm。激光器腔体13的左上端用螺纹紧固连接件固定连接安装有压电促动器8，压电促动器8通过导线与外部电源电连接，通过改变外接电压来改变其伸长量，压电促动器8的位移伸长量为7μm，压电促动器8与激光器光学系统分离安装可以减小压电促动器8在调制时的振动对系统光路的影响，压电促动器8的一端用螺纹紧固连接件固定连接安装有半透半反镜9，半透半反镜9的一端伸入腔体支架12的开口处位于聚焦透镜7和第二准直透镜10之间，激光二极管2左侧端面和半透半反镜9左侧端面构成了激光器外腔，半透半反镜9为平面镜，反射率为30％，半透半反镜9左侧真空蒸镀8层三氧化二铝或二氧化硅反射膜、右侧真空蒸镀12层二氧化锆增透膜，半透半反镜9使一部分激光反射回激光二极管2形成外腔反馈、另一部分光投射经过第二准直透镜10准直出射。经过聚焦透镜7聚焦的激光汇聚在半透半反镜9的左侧反射面形成猫眼结构，猫眼结构可有效降低反射镜反射回激光二极管2的激光对位置的敏感性，提高抗振性能，半透半反镜9安装在压电促动器8上，通过改变压电促动器8电压使得电促动器8长度发生变化，从而完成激光器的腔长的调谐。

由图2、3可以看出，激光二极管2出射经过第一准直透镜3，慢轴方向的光被准直，此时快轴方向的光处于第一准直透镜3焦平面的内部，此因继续发散。当激光经过凸柱透镜4、凹柱透镜5，快轴方向的激光被压缩、而慢轴方向的光保持不变。因此，通过凸柱透镜4、凹柱透镜5作用使得激光光束快轴和慢轴方向的光模式保持一致，解决了由于激光二极管本射特性造成的激光存在像散的缺点。

实施例2

在实施例1中，本实施例的第一准直透镜3为非球面透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为1mm，焦距为1.45mm；凸柱透镜4左侧为凸面、右侧为平面，左侧曲率半径为5mm，焦距为12mm；凹柱透镜5左侧为平面、右侧为凹面，右侧曲率半径为2mm，焦距为4mm；干涉滤波片6带宽为0.4nm；聚焦透镜7焦距为15mm，曲率半径为3mm；半透半反镜9为平面镜，反射率为10％；第二准直透镜10为平凸透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为3mm，焦距为10mm；压电促动器8的位移伸长量为5μm。其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例3

在实施例1中，本实施例的第一准直透镜3为非球面透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为5mm，焦距为6mm；凸柱透镜4左侧为凸面、右侧为平面，左侧曲率半径为15mm，焦距为30mm；凹柱透镜5左侧为平面、右侧为凹面，右侧曲率半径为6mm，焦距为10mm；干涉滤波片6带宽为1nm；聚焦透镜7焦距为25mm，曲率半径为8mm；半透半反镜9为平面镜，反射率为50％；第二准直透镜10为平凸透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为8mm，焦距为25mm；压电促动器8的位移伸长量为10μm。其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

本发明的工作原理如下：

激光二极管2发出的光束经过第一准直透镜3将激光慢轴方向的光束进行准直，准直后的激光光斑呈椭圆状。椭圆光束沿左侧继续出射经凸柱透镜4、凹柱透镜5将激光快轴方向的光压缩，使得快轴和慢轴方向光的模式保持一持，此时激光光斑成圆形。经整形的激光通过干涉滤波片6进行滤波，通过旋转干涉滤波片6角度选取所需要的激光频率。选频后的激光经过聚焦透镜7汇聚，使得激光汇聚在半透半反镜9的左侧反射面形成“猫眼结构”，“猫眼结构”可以有效降低反射镜反射回激光二极管的对位置的敏感性，提高抗振性能。在半透半反镜9作用下一部分光反射回激光二极管2形成外腔反馈，另一部分光透射再经过第二准直透镜10准直出射。半透半反镜9安装在压电促动器8一端，通过改变压电促动器8电压使得电促动器8长度发生变化，从而完成激光器的腔长的调谐。半导体制冷片11用于稳定激光二极管2温度，热敏电阻1用于测量激光二极管温度。通过测量得到温度反馈给激光电流源从而控制激光输出电流来控制激光二极管的调制。

Claims (6)

1.一种窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器,其特征在于：在左端开口的激光器支架内设置有腔体支架，腔体支架右上部设置有开口，激光器支架左侧内壁和腔体支架左侧外壁之间设置有半导体制冷片，腔体支架左侧内壁上设置有激光二极管，腔体支架左侧壁上加工有设置热敏电阻的安装孔，腔体支架底部激光二极管右侧光出射方向设置有第一准直透镜，第一准直透镜右侧光出射方向设置有凸柱透镜，凸柱透镜右侧光出射方向设置有凹柱透镜，凹柱透镜右侧光出射方向设置有干涉滤光片，干涉滤光片右侧光出射方向设置有聚焦透镜，腔体支架右侧壁上设置有第二准直透镜，激光器腔体的左上端设置有压电促动器，压电促动器通过导线与外部电源电连接，压电促动器的一端设置有半透半反镜，半透半反镜的一端伸入腔体支架的开口处位于聚焦透镜和第二准直透镜之间。

2.根据权利要求1所述的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器，其特征在于：所述的激光二极管左侧真空蒸镀4层三氧化二铝或二氧化硅全反膜、右侧真空蒸镀14层二氧化锆或二氧化硅增透膜，左右两侧均向左侧发射激光。

3.根据权利要求2所述的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器，其特征在于：所述的第一准直透镜为非球面透镜，左侧为平面、右侧凸面，右侧曲率半径为1～5mm，焦距为1.45～6mm；所述的第二准直透镜为平凸透镜，左侧为平面、右侧为凸面，右侧曲率半径为3～8mm，焦距为10～25mm；所述的凸柱透镜左侧为凸面、右侧为平面，左侧曲率半径为5～15mm，焦距为12～30mm；所述的凹柱透镜左侧为平面、右侧为凹面，右侧曲率半径为2～6mm，焦距为4～10mm；所述的干涉滤波片左侧真空交替蒸镀80层氧化硒或氧化硅介质膜，带宽为0.4～1nm，右侧蒸镀8层氧化镁增透膜；所述的聚焦透镜焦距为15～25mm，曲率半径为3～8mm；所述的半透半反镜为平面镜，反射率为10％～50％，半透半反镜左侧真空蒸镀8层三氧化二铝或二氧化硅反射膜、右侧真空蒸镀12层二氧化锆增透膜。

4.根据权利要求3所述的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器，其特征在于：所述的压电促动器的位移伸长量为5～10μm。

5.根据权利要求4所述的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器，其特征在于：所述的干涉滤波片与光轴的正向夹角α和激光器所需要的波长相适应。

6.根据权利要求1所述的窄线宽可调谐抗振外腔半导体激光器，其特征在于：所述的激光二极管左侧端面与半透半反镜左侧构成激光器外腔。