CN110190508B - 一种小型化窄线宽半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及为了解决法拉第原子滤光器小型化问题,特公开本发明:一种小型化窄线宽半导体激光器,包括半导体激光发射头、准直透镜、小型化法拉第原子滤光器、外腔镜和电路控制单元;其中,半导体激光发射头、小型化法拉第原子滤光器和外腔镜均与电路控制单元电连接;控制电路单元包括控制半导体激光发射头的电流,控制小型化法拉第原子滤光器的温度,控制外腔镜的位移量;半导体激光发射头用于发射激光。本发明以原子跃迁谱线为基准频率,并且同时使用电反馈和光反馈,激光输出频率稳定性高,在此基础上提出了小型化方案,此发明可以大为缩减激光器的体积,节约产生和使用成本,不仅易于使用,还能拓展更多的应用场合。

Description

一种小型化窄线宽半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域和原子滤光器领域,更具体地涉及窄线宽法拉第半导体激光器的小型化技术。
背景技术
半导体激光器以体积小、重量轻、功耗小、成本低等显著优势而得到广泛的应用。但是半导体激光器在自由运行时,由于半导体材料的特性,激光输出频率或波长易受到温度、电流等环境参数的影响。
在光通信,光学遥感,量子测量等对激光频率稳定性要求很高的技术领域,使用半导体必须采用相应的技术手段来稳定输出频率或波长。
目前半导体几个稳频措施是将半导体激光器的输出频率与基准频率进行比较或鉴别,再通过适当的反馈方式对半导体激光器的输出频率进行控制,使其稳定地锁定在所选用的频率基准上,从而提高半导体激光器输出频率的准确性和稳定性。
常用的频率基准按照稳定性由低到高分别为衍射光栅,F-P标准具和原子分子跃迁谱线等。
常用的反馈方式有电反馈和光反馈两种。光反馈在激光腔内直接形成,无需外加反馈控制电路,结果简单。一般采用F-P标准具或光栅作为频率基准源,容易受到震动、温度、气压等因素,使得频率稳定度下降。
电反馈在以原子分子跃迁谱线为频率基准的激光器使用,通过电子的方式控制原子滤光器的磁场,温度以及半导体激光器的电流。
同时使用两种反馈方式可以发挥各自的技术特点提高频率稳定度,如专利CN201310189011.4,CN201810258209.6。但是这些技术方案的最终的稳频激光器体积还是较大,不能满足需要小型化激光器的应用场合。
发明内容
为了解决法拉第半导体激光器小型化问题,特公开本发明:一种小型化窄线宽半导体激光器,包括半导体激光发射头、准直透镜、小型化法拉第原子滤光器、外腔镜和控制电路单元;其中,半导体激光发射头、小型化法拉第原子滤光器和外腔镜均与控制电路单元电连接;控制电路单元包括控制半导体激光发射头的电流,控制小型化法拉第原子滤光器的温度,控制外腔镜的位移量;半导体激光发射头用于发射激光,激光依次穿过准直透镜、小型化法拉第原子滤光器和外腔镜;其中半导体激光发射头为普通商用的半导体激光器二极管。
优选地,小型化法拉第滤光器为集成化法拉第原子滤光器,包括原子气体参比池、螺旋电感、偏振片和加热丝,其中,所述原子气体参比池为柱状体,用于提供滤光器的工作物质;所述螺旋电感位于原子气体参比池的两端,用于提供沿气体参比池轴向的磁场;在所述螺旋电感的两外端各设有偏振片,用于起偏和检偏;在所述原子气体参比池的外表面的四周设有若干个环形的加热丝;加热丝和平面螺旋电感分别与控制电路单元电连接,用于控制原子气体参比池的温度和磁场强度。
优选地,所述螺旋电感的横截面形状与原子气体参比池的横截面形状相同,为圆形、椭圆形或多边形中的一种。
优选地,所述螺旋电感的中间部分留出,便于激光或光信号通过。
优选地,所述偏振片通过玻璃-玻璃热压键合工艺,直接键合在气体参比池端面外侧,且两端偏振片的偏振方向相互垂直。
优选地,所述气体参比池玻璃外表面连接有微型热电偶,用于实时测量气体参比池温度,并将温度反馈到控制电路单元中,由控制电路单元控制加热丝的电流,来保持温度恒定。
优选地,所述原子气体参比池外表面的加热丝固定在玻璃外壳上。
优选地,外腔镜为平面镜或者凹面镜。
有益的技术效果:本发明以原子跃迁谱线为基准频率,并且同时使用电反馈和光反馈,激光输出频率稳定性高,在此基础上提出了小型化方案,具体是:(1)小型化原子气体参比池:现有方案的气体参比池长度7cm以上,本发明缩小到毫米量级及以下。(2)小型化提供磁场器件:现有方案的磁场都是通过永久磁铁加上螺旋管提供,本发明用气体参比池两端的平面螺旋电感取代。(3)加热装置。现有方案的加热是在封闭空间的加入加热丝,本发明将加热丝直接集成到气体参比池玻璃上。(4)偏振片集成;现有方案是分离的两个偏振片,本发明把偏振片集成到气体参比池两端面上。除了有效地对现有法拉第原子滤光器缩小体积减轻重量外,还可以免去现有滤光器的安装和调试的工作。本滤光器既可以作为出射端激光的稳频器件,也可以作为接受端的光信号频率鉴别器件。小型化法拉第原子滤光器作为一种小型化窄线宽半导体激光器的重要组成部分,此发明可以大为缩减激光器的体积,节约产生和使用成本,不仅易于使用,还能拓展更多的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种小型化窄线宽半导体激光器的结构示意图;
图2是本发明一种小型化窄线宽半导体激光器的小型化法拉第原子滤光器结构示意图;
图3是本发明一种小型化窄线宽半导体激光器的其中一个实施例的螺旋电感结构示意图;
图中1-半导体激光发射头;2-准直透镜;3-小型化法拉第原子滤光器;4-外腔镜;5-控制电路单元;31-原子气体参比池;32-螺旋电感;33-偏振片;34-加热丝。
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,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
现结合图1-图3做详细介。
根据一个优选实施方式,本发明的一种小型化窄线宽半导体激光器,包括半导体激光发射头1、准直透镜2、小型化法拉第原子滤光器3、外腔镜4和控制电路单元5;其中,半导体激光发射头1、小型化法拉第原子滤光器3和外腔镜4均与控制电路单元5电连接;控制电路单元5包括控制半导体激光发射头1的电流,控制小型化法拉第原子滤光器3的温度,控制外腔镜4的位移量;半导体激光发射头1用于发射激光,激光依次穿过准直透镜2、小型化法拉第原子滤光器3和外腔镜4;其中半导体激光发射头1为普通商用的半导体激光器二极管。
根据一个优选实施方式,小型化法拉第滤光器3为集成化法拉第原子滤光器,包括原子气体参比池31、螺旋电感32、偏振片33和加热丝34,其中,所述原子气体参比池31为柱状体,用于提供滤光器的工作物质;所述螺旋电感32位于原子气体参比池的两端,用于提供沿原子气体参比池轴向的磁场;在所述螺旋电感32的两外端各设有偏振片33,用于起偏和检偏;在所述原子气体参比池31的外表面的四周设有若干个环形的加热丝34,原子气体参比池的外壳玻璃,例如高硼硅玻璃,由具有加热丝34的玻璃加工而成;加热丝和平面螺旋电感分别与控制电路单元电连接,用于控制原子气体参比池31的温度和磁场强度。
根据一个优选实施方式,所述螺旋电感32的横截面形状与原子气体参比池31的横截面形状相同,为圆形、椭圆形或多边形中的一种;所述螺旋电感32的中间部分留出,便于激光或光信号通过;如果是圆形横截面,对于的是内径和外径;如果横截面是多边形,对应的是内部边长和外部边长;具体尺寸参数可以通过系统需要的透过率得到内径尺寸或内部边长,然后根据需要磁场要求,设定外径或外部边长,线宽和线间距等参数。
根据一个优选实施方式,原子气体参比池31长度为1mm,端面直径为25mm。螺旋电感的铜箔厚度为0.2mm,线宽为0.25mm,匝数为11,电流100mA,这样在参比池两个端面距离为1mm的螺旋电感可以在原子气体参比池31里面产生100Gauss的均匀轴向磁场。
根据一个优选实施方式,所述偏振片33通过玻璃-玻璃热压键合工艺,直接键合在气体参比池端面外侧,且两端偏振片的偏振方向相互垂直。
根据一个优选实施方式,所述气体参比池31玻璃外表面连接有微型热电偶,用于实时测量气体参比池温度,并将温度反馈到控制电路单元中,由控制电路单元控制加热丝的电流,来保持温度恒定。
根据一个优选实施方式,所述原子气体参比池31外表面的加热丝固定在玻璃外壳上。
根据一个优选实施方式,外腔镜4为平面镜或者凹面镜。
根据一个优选实施方式,磁场和温度的设定可以通过以下方法进行:根据所需要的滤光器波长选择合适的工作物质及其对应的D1/D2线,给定滤光器长度和磁场,通过计算调节参数温度,计算得到滤光器的透射谱,使得所需波长对应于透射谱波峰。
根据一个优选实施方式,螺旋电感32通过现有的化学沉铜工艺,或磁控溅射工艺进行制作。螺旋电感的磁场可以置于50-500高斯,螺旋电感的电流控制在几十到200mA之间,易于电路设计和操作。
根据一个优选实施方式,偏振片33使用云母线性偏振片。
根据一个优选实施方式,滤光器应该处于一个两端有透明窗口的密封腔内,并且包含必要控制电路单元,连接加热丝34和螺旋电感32,控制原子气体参比池1的温度和磁场。
根据一个优选实施方式,原子气体参比池31的外表面连接有微型热电偶(未图示),可实时测量气体参比池温度。
根据一个优选实施方式,在原子气体参比池31外集成温度传感器,温度传感器可以是热敏电阻或热电阻,通过温度传感器的反馈可以实时控制加热丝的电流以保持温度恒定。
根据一个优选实施方式,外腔镜4为平面镜或者凹面镜,与半导体激光发射头1的出射镜构成激光器的外腔;外腔镜2由压电陶瓷驱动传感器控制。通过压电陶瓷的微小位移,改变外腔镜2的位置,从而改变激光器外延腔长,控制输出频率。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,包括半导体激光发射头(1)、准直透镜(2)、小型化法拉第原子滤光器(3)、外腔镜(4)和控制电路单元(5);其中,半导体激光发射头(1)、小型化法拉第原子滤光器(3)和外腔镜(4)均与控制电路单元(5)电连接;控制电路单元(5)包括控制半导体激光发射头(1)的电流,控制小型化法拉第原子滤光器(3)的温度,控制外腔镜(4)的位移量;半导体激光发射头(1)用于发射激光,激光依次穿过准直透镜(2)、小型化法拉第原子滤光器(3)和外腔镜(4);其中半导体激光发射头(1)为普通商用的半导体激光器二极管;小型化法拉第滤光器(3)为集成化法拉第原子滤光器,包括原子气体参比池(31)、螺旋电感(32)、偏振片(33)和加热丝(34),其中,所述原子气体参比池(31)为柱状体,用于提供滤光器的工作物质;所述螺旋电感(32)位于原子气体参比池的两端,用于提供沿原子气体参比池轴向的磁场;在所述螺旋电感(32)的两外端各设有偏振片(33),用于起偏和检偏;在所述原子气体参比池(31)的外表面的四周设有若干个环形的加热丝(34);加热丝和平面螺旋电感分别与控制电路单元(5)电连接,用于控制原子气体参比池(31)的温度和磁场强度。
2.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,所述螺旋电感(32)的横截面形状与原子气体参比池(31)的横截面形状相同,为圆形、椭圆形或多边形中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,所述螺旋电感(32)的中间部分留出,便于激光或光信号通过。
4.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,所述偏振片(33)通过玻璃-玻璃热压键合工艺,直接键合在原子气体参比池端面外侧,且两端偏振片的偏振方向相互垂直。
5.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,所述原子气体参比池(31)玻璃外表面连接有微型热电偶,用于实时测量原子气体参比池温度,并将温度反馈到控制电路单元(5)中,由控制电路单元(5)控制加热丝的电流,来保持温度恒定。
6.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,所述原子气体参比池(31)外表面的加热丝固定在玻璃外壳上。
7.根据权利要求1所述的一种小型化窄线宽半导体激光器,其特征在于,外腔镜(4)为平面镜或者凹面镜。
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