CN111129951A - 一种基于光栅和mems反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型 - Google Patents

一种基于光栅和mems反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型 Download PDF

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Abstract

一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，半导体激光芯片发出的发散光束经准直器准直后，准直光束被MEMS反射镜反射至光栅发生衍射，选取合适的光栅入射角，使特定波长光束的某非零级次衍射角等于入射角，即该波长光束被光栅选中能够沿着入射光束反方向原路返回激光芯片中，形成激光振荡并输出。当MEMS反射镜发生转动时，被其反射的准直光束入射光栅的入射角将发生变化，则被光栅选中原路返回激光芯片并形成振荡和输出的光波长也随之改变，即实现了输出激光波长的调谐。该腔型使用非接触驱动原理的MEMS反射镜作为调谐器件，能避免长时间运行器件磨损造成调谐精度低、激光器寿命短的问题，而且在实现相同激光波长调谐范围的前提下，该腔型相比于Littman腔型，对MEMS反射镜镜面尺寸和反射镜转角范围的要求大幅度降低，有利于激光器实现宽调谐。

Description

一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型
技术领域
本发明属于可调谐半导体激光器技术领域，尤其涉及一种宽调谐外腔半导体激光器腔型。
背景技术
外腔半导体激光器利用具有波长选择特性的光学元器件在激光芯片外部构建谐振腔实现激光输出，对波长选择器件的特定参数进行调节可实现激光器输出波长的调谐。相比于DFB半导体激光器通过改变芯片电流和温度实现调谐，外腔半导体激光器具有调谐范围宽的显著优点，在气体检测、光纤光栅传感信号解调、光谱学研究等领域具有重要应用价值。
外腔半导体激光器有两种典型的腔型方案，一种是Littrow腔型，采用准直器和反射光栅构建外腔，通过调节光栅的衍射角实现激光器输出波长调谐；另一种是Littman腔型，采用准直器、反射光栅和反射镜构建外腔，通过调节反射镜的反射角实现激光器输出波长调谐。两种腔型方案中，为实现激光波长电控调谐而非手动调谐，需要能改变光栅或反射镜角度的电控驱动器件，包括压电陶瓷、步进电机、直流伺服电机、压电惯性旋转驱动器、振镜驱动器、MEMS光栅、MEMS反射镜等。其中，压电陶瓷由于形变量小，所能实现的光栅或反射镜角度调节范围小，使得激光器调谐范围受限；步进电机、直流伺服电机、压电惯性旋转驱动器、振镜驱动器等器件在长时间运行情况下存在磨损问题，造成角度控制精度下降、使用寿命短，从而影响激光器调谐精度和寿命；MEMS光栅用于Littrow外腔方案中，能实现足够的角度调节范围，而且通常基于静电驱动、电磁驱动等非接触式驱动原理，不存在磨损问题，但其制备难度大，目前尚未有成熟商业产品可供选用；MEMS反射镜与MEMS光栅属同一类器件，不存在磨损问题，其工作区域为抛光镜面而非光栅，所以制备难度相对较低，已有大量成熟商业产品可供选用，但以现有MEMS反射镜性能指标，其用于Littman外腔方案中存在镜面尺寸和反射镜转角范围不足的问题，同样限制了激光器调谐范围。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，旨在避免常用电控驱动调谐器件存在的调谐范围小、长时间运行器件磨损造成调谐精度低、激光器寿命短等问题，并解决现有MEMS反射镜用于Littman外腔方案中存在的镜面尺寸和反射镜转角范围不足的问题，为外腔半导体激光器提供一种使用寿命长、调谐范围宽的腔型方案。
本发明采用的技术方案为：
一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，包括：半导体激光芯片、腔内准直器、MEMS反射镜、腔外准直器和光栅；
半导体激光芯片：用于接收注入电流，输出宽谱自发辐射荧光，为外腔波长选择提供光源；
腔内准直器：用于对激光芯片腔内端输出的发散光束进行准直，减小光束发散角；
MEMS反射镜：用于将经过腔内准直器的准直光束反射至光栅；
光栅：用于对准直光束进行衍射，并选择特定波长的衍射光原路返回激光芯片中形成激光振荡；
腔外准直器：用于对从激光芯片腔外端输出的发散光束进行准直，形成激光器输出光束。
进一步的，半导体激光芯片发出的发散光束经腔内准直器准直后，准直光束被MEMS反射镜反射至光栅发生衍射，选取合适的光栅入射角，使特定波长光束的某非零级次衍射角等于入射角，即该波长光束被光栅选中能够沿着入射光束反方向原路返回激光芯片中，形成激光振荡并输出。
进一步的，当MEMS反射镜发生转动时，被其反射的准直光束入射光栅的入射角发生变化，则被光栅选中原路返回激光芯片并形成振荡和输出的光波长也随之改变，即实现了输出激光波长的调谐。
进一步的，所述半导体激光芯片为传统半导体激光芯片、量子级联激光芯片或带间级联激光芯片，其输出光束波长为紫外、可见光、近红外、中红外、远红外或太赫兹波段；腔内准直器、MEMS反射镜、光栅和腔外准直器的工作波段能覆盖芯片输出光束波长。
进一步的，所述半导体激光芯片为宽谱芯片或法布里-珀罗芯片；所述半导体激光芯片的两个端面有镀增透膜、增反膜、特定透过率膜或者不镀膜。
进一步的，半导体激光芯片激光输出途径包括从激光芯片腔外端输出、以光栅零级衍射光作为输出或者通过光学元器件分光输出；激光输出形式为空间光输出或者光纤耦合输出。
进一步的，所述光栅的衍射级次为±1级、±2级以及±3级；光栅工作方式为反射式或透射式；光栅种类为刻线光栅、全息光栅或阶梯光栅；光栅面型为平面或曲面；光栅表面光学膜层为增透膜或增反膜。
进一步的，所述MEMS反射镜为电磁驱动或静电驱动；MEMS反射镜的反射面形状为圆形、椭圆形或方形；MEMS反射镜的反射面镀膜为镀金或镀铝。
进一步的，所述腔内准直器和腔外准直器的工作方式为透射式或反射式，腔内准直器和腔外准直器的面型为球面、抛物面或复杂非球面；腔内准直器和腔外准直器的组成为单片式或多片组合式；腔内准直器和腔外准直器表面光学膜层为增透膜或增反膜。
进一步的，该腔型为折叠Littrow腔型。
本发明技术方案与现有技术相比带来的有益效果为：
本发明公开的宽调谐外腔半导体激光器腔型，创新性的提出基于光栅和MEMS反射镜的折叠Littrow腔型方案，一方面，不存在长时间运行器件磨损造成调谐精度低和激光器寿命短的问题，另一方面，能有效解决现有MEMS反射镜用于Littman外腔方案中存在的镜面尺寸和反射镜转角范围不足对激光波长调谐范围的限制，为外腔半导体激光器提供一种使用寿命长、调谐范围宽的腔型方案。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于光栅和MEMS反射镜的折叠型Littrow半导体激光器腔型结构示意图；
图2是现有技术中一种基于光栅和MEMS反射镜的传统Littman半导体激光器腔型结构示意图。
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，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中各部分的尺寸并不与真实尺寸成比例以方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此处所描述的具体实例仅仅用以解释，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，包括：
半导体激光芯片1：用于接收注入电流，输出宽谱自发辐射荧光，为外腔波长选择提供光源；
腔内准直器2：用于对激光芯片腔内端输出的发散光束进行准直，减小光束发散角；
MEMS反射镜3：用于将准直光束反射至光栅4；
光栅4：用于对准直光束进行衍射，并选择特定波长的衍射光原路返回激光芯片中形成激光振荡；
腔外准直器5：用于对从激光芯片腔外端输出的发散光束进行准直，形成激光器输出光束。
本发明所述的外腔半导体激光器腔型，其实施方式是，半导体激光芯片加电后输出具有一定谱线宽度和空间发散角的自发辐射荧光束，经腔内准直器准直后，入射MEMS反射镜，并被反射至光栅发生衍射，衍射特性由光栅方程描述，其中参数包括入射角、衍射角、光栅常数、衍射级次和光波长，对于不同波长的光束，入射角和光栅常数是相同的，因此它们在同级次衍射中具有不同的衍射角，即衍射后传输方向不同。通过选取合适的入射角，能够使得特定波长光束的某非零级次衍射角等于入射角，即该波长光束被光栅选中能够沿着入射光束反方向原路返回激光芯片中，形成激光振荡并输出，光栅其余级次的衍射角方向也会输出部分光束，其强度取决于光栅衍射效率。当MEMS反射镜发生转动时，被其反射的准直光束入射光栅的入射角将发生变化，则被光栅选中原路返回激光芯片并形成振荡和输出的光波长也随之改变，即实现了输出激光波长的调谐。在激光芯片发出的自发辐射荧光谱线足够宽的情况下，MEMS反射镜转动角度越大，则激光器输出波长调谐范围越宽。可以看出，本发明所述的外腔半导体激光器腔型是一种折叠Littrow腔型，在实现相同激光波长调谐范围的前提下，该腔型相比于Littman腔型，对MEMS反射镜转角范围的要求降低50％，对其镜面尺寸的要求也大幅度降低，因为该折叠Littrow腔型将对MEMS反射镜镜面尺寸的要求转化为对光栅工作区域尺寸的要求，而光栅实现大工作区域的难度远低于MEMS反射镜。
本发明公开的外腔腔型中，半导体激光芯片可以但不限于为传统半导体激光芯片、量子级联激光芯片、带间级联激光芯片，其输出光束波长可以但不限于为紫外、可见光、近红外、中红外、远红外、太赫兹波段，但需确保腔内准直器、MEMS反射镜、光栅和腔外准直器的工作波段能覆盖芯片输出光束波长。此外，半导体激光芯片可以但不限于为宽谱芯片、法布里-珀罗芯片，其具有不同的自发辐射荧光谱线宽度，对激光器所能实现的波长调谐范围有所影响。另外，半导体激光芯片的两个端面可以但不限于镀增透膜、增反膜、特定透过率膜或者不镀膜，不同的光学膜层对激光器性能会产生不同的影响。
本发明公开的外腔腔型中，激光输出途径可以但不限于从激光芯片腔外端输出(需要腔外准直器实现准直光束输出)、以光栅零级衍射光作为输出(本身为准直光束，不需要准直器)或者通过光学元器件分光输出(不需要准直器)；激光输出形式可以但不限于为空间光输出或者光纤耦合输出，后者需要另外的光学系统以实现高耦合效率。
本发明公开的外腔腔型中，使用的光栅衍射级次可以但不限于为±1级、±2级、±3级等；光栅工作方式可以但不限于为反射式或透射式；光栅种类可以但不限于为刻线光栅、全息光栅、阶梯光栅；光栅面型可以但不限于为平面或曲面；光栅表面光学膜层可以但不限于为增透膜、增反膜。
本发明公开的外腔腔型中，MEMS反射镜的驱动原理可以但不限于为电磁驱动、静电驱动；MEMS反射镜的反射面形状可以但不限于为圆形、椭圆形、方形；MEMS反射镜的反射面镀膜可以但不限于为镀金、镀铝。
本发明公开的外腔腔型中，腔内、外准直器的工作方式可以但不限于为透射式、反射式；腔内、外准直器的面型可以但不限于为球面、抛物面、复杂非球面；腔内、外准直器的组成可为单片式、多片组合式；腔内、外准直器表面光学膜层可以但不限于为增透膜、增反膜。
实施例：
在本发明的一个实施例中，针对自发辐射荧光谱线覆盖6μm至8μm、输出光束发散角全角为40°的半导体激光芯片1，构建了如图1所示的折叠型Littrow外腔半导体激光器腔型。腔内准直器2和腔外准直器5采用有效焦距为5mm的透射式单片非球面准直透镜，MEMS反射镜3的光束入射角为20°，光栅4采用200刻线的反射式刻线衍射光栅，衍射级次采用+1级，准直光束从MEMS反射镜3传输至光栅4的距离为30mm。根据以上参数可以近似计算得到，为实现激光器调谐范围覆盖6μm至8μm，要求MEMS反射镜3镜面尺寸应≥Φ3.99mm、反射镜转角范围应≥8.13°。
若采用完全相同的元器件及相对位置关系构建如图2所示的传统Littman外腔半导体激光器腔型，则可以计算得到，为实现激光器调谐范围覆盖6μm至8μm，要求MEMS反射镜3镜面尺寸应≥Φ12.21mm、反射镜转角范围应≥16.26°。
可以看出，在实现相同激光波长调谐范围的前提下，本发明提供的折叠型Littrow外腔半导体激光器腔型相比于Littman腔型，对MEMS反射镜转角范围的要求降低50％，对其镜面尺寸的要求也大幅度降低。
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，所应理解的是，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)

1.一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于包括：半导体激光芯片、腔内准直器、MEMS反射镜、腔外准直器和光栅；
半导体激光芯片：用于接收注入电流，输出宽谱自发辐射荧光，为外腔波长选择提供光源；
腔内准直器：用于对激光芯片腔内端输出的发散光束进行准直，减小光束发散角；
MEMS反射镜：用于将经过腔内准直器的准直光束反射至光栅；
光栅：用于对准直光束进行衍射，并选择特定波长的衍射光原路返回激光芯片中形成激光振荡；
腔外准直器：用于对从激光芯片腔外端输出的发散光束进行准直，形成激光器输出光束。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：半导体激光芯片发出的发散光束经腔内准直器准直后，准直光束被MEMS反射镜反射至光栅发生衍射，选取合适的光栅入射角，使特定波长光束的某非零级次衍射角等于入射角，即该波长光束被光栅选中能够沿着入射光束反方向原路返回激光芯片中，形成激光振荡并输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：当MEMS反射镜发生转动时，被其反射的准直光束入射光栅的入射角发生变化，则被光栅选中原路返回激光芯片并形成振荡和输出的光波长也随之改变，即实现了输出激光波长的调谐。
4.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：所述半导体激光芯片为传统半导体激光芯片、量子级联激光芯片或带间级联激光芯片，其输出光束波长为紫外、可见光、近红外、中红外、远红外或太赫兹波段；腔内准直器、MEMS反射镜、光栅和腔外准直器的工作波段能覆盖芯片输出光束波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：所述半导体激光芯片为宽谱芯片或法布里-珀罗芯片；所述半导体激光芯片的两个端面有镀增透膜、增反膜、特定透过率膜或者不镀膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：半导体激光芯片激光输出途径包括从激光芯片腔外端输出、以光栅零级衍射光作为输出或者通过光学元器件分光输出；激光输出形式为空间光输出或者光纤耦合输出。
7.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：所述光栅的衍射级次为±1级、±2级以及±3级；光栅工作方式为反射式或透射式；光栅种类为刻线光栅、全息光栅或阶梯光栅；光栅面型为平面或曲面；光栅表面光学膜层为增透膜或增反膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：所述MEMS反射镜为电磁驱动或静电驱动；MEMS反射镜的反射面形状为圆形、椭圆形或方形；MEMS反射镜的反射面镀膜为镀金或镀铝。
9.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：所述腔内准直器和腔外准直器的工作方式为透射式或反射式，腔内准直器和腔外准直器的面型为球面、抛物面或复杂非球面；腔内准直器和腔外准直器的组成为单片式或多片组合式；腔内准直器和腔外准直器表面光学膜层为增透膜或增反膜。
10.根据权利要求1所述的一种基于光栅和MEMS反射镜的宽调谐外腔半导体激光器腔型，其特征在于：该腔型为折叠Littrow腔型。
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