CN112018597A - 外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种外腔半导体激光器，涉及激光技术领域。外腔半导体激光器包括激光源、准直透镜、干涉滤光片、分束器、聚焦透镜和全反射镜；准直透镜、干涉滤光片、分束器、聚焦透镜和全反射镜沿激光源的传播光路方向上依次分布；准直透镜用于将激光源发出的激光转换为平行激光束，干涉滤光片用于选择性透过特定波长的激光；入射至分束器的激光束被分束器分成两束激光，其中的第一激光束经分束器反射后作为输出光束，第二激光束经分束器透射后入射至聚焦透镜，并经聚焦透镜聚焦在全反射镜上，反射后的激光沿原路返回至激光源，形成光学外腔。本申请公开的外腔半导体激光器具有结构简单、稳定性好、易调试等优点。

Description

外腔半导体激光器

技术领域

本申请涉及激光技术领域，尤其涉及一种外腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器因其独特的芯片化结构，具有光电直接转换、体积小、寿命长、集成度高等优势，在光通信、光存储、光传感、检测等领域有广泛应用。但半导体激光器的线宽通常比较大，通常都在MHz量级以上，大大限制了其在相干光通信、光纤传感、冷原子等领域的应用。为了压窄半导体激光器的线宽，外腔半导体激光器应运而生，外腔半导体激光器通过外加反馈腔选模并压窄激光的线宽实现窄线宽激光输出。

目前应用最为广泛的外腔半导体激光器是光栅结构的外腔半导体激光器，如Littrow结构和Littman结构等，其基于光栅的衍射原理形成外腔反馈，光栅同时具有外腔反馈和模式选择的功能，因此光栅的结构稳定性直接决定了这种激光器的稳定性。

然而，由于外界环境导致的微小振动都足以改变光栅的工作位置，使光栅失去功能，导致外腔半导体激光器的稳定性极差，且由于光栅反馈型外腔半导体激光器结构复杂，调试也存在一定难度。

发明内容

本申请实施例采用下述技术方案：

本申请实施例提供了一种外腔半导体激光器，包括：激光源、准直透镜、干涉滤光片、分束器、聚焦透镜和全反射镜；

所述准直透镜、所述干涉滤光片、所述分束器、所述聚焦透镜和所述全反射镜沿所述激光源的传播光路方向上依次分布；

所述准直透镜用于将所述激光源发出的激光转换为平行激光束，所述干涉滤光片用于选择性透过特定波长的激光束；

入射至所述分束器的激光束分为两束，其中的第一激光束经所述分束器反射后作为输出光源，第二激光束经所述分束器透过后入射至所述聚焦透镜，并经所述聚焦透镜聚焦在所述全反射镜上，反射后的激光沿原路返回至激光源，形成光学外腔。

可选的，所述准直透镜为双凸透镜，且激光入射面的曲率半径大于激光出射面的曲率半径，且所述准直透镜的数值孔径NA大于0.5。

可选的，所述干涉滤光片包括第一干涉滤光片和第二干涉滤光片，所述准直透镜、所述第一干涉滤光片、所述第二干涉滤光片和所述分束器沿所述激光源的传播光路方向上依次分布。

可选的，所述第一干涉滤光片允许透过的波长与所述第一干涉滤光片的透过率之间的关系满足洛伦兹线型或者高斯线型，所述第二干涉滤光片允许透过的波长与所述第二干涉滤光片的透过率之间的关系满足洛伦兹线型或者高斯线型。

可选的，入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角与所述激光束的波长之间的关系为

其中λ₁为透过所述第一干涉滤光片的激光束的波长，θ1为入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角，n₁为第一干涉滤光片的有效折射率，λ₀₁为入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角为零度时，第一干涉滤光片的峰值透过率对应的波长；

入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角与所述激光束的波长之间的关系为

其中λ₂为透过所述第二干涉滤光片的激光束的波长，θ2为入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角，n₂为第二干涉滤光片的有效折射率，λ₀₂为入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角为零度时，第二干涉滤光片的峰值透过率对应的波长。

可选的，外腔半导体激光器还包括压电陶瓷管，所述压电陶瓷管位于所述聚焦透镜与所述全反射镜之间，所述聚焦透镜的焦平面、所述全反射镜的反射面与所述压电陶瓷管的端面三者共面重合，所述聚焦透镜聚焦后的激光束穿过所述压电陶瓷管入射至所述全反射镜。

可选的，所述全反射镜的反射率大于99％。

可选的，所述激光源为前端面镀抗反膜的激光二极管、前端面无抗反膜的激光二极管或分布反馈激光管。

可选的，所述激光源接近所述准直透镜的端面与所述全反射镜的反射面形成半导体激光器的外腔，所述外腔的长度与激光线宽之间的关系为

其中Δv为所述激光源所发出激光的线宽，λ为所述激光源发出的激光的波长， L为所述外腔的长度，F为所述外腔的精细结构常数。

可选的，所述聚焦透镜为平凸透镜，所述聚焦透镜的激光入射面为凸面，所述聚焦透镜的激光出射面为平面，所述聚焦透镜的焦距为15-20mm

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例提供的外腔半导体激光器大大降低了对环境振动的敏感性，稳定性更好，且由于使用不同的光学元器件实现外腔反馈和模式选择，其结构更简单，降低了调试难度，便于工程化生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请较佳实施例提供的外腔半导体激光器的结构示意图。

图2为本申请较佳实施例提供的另一外腔半导体激光器的结构示意图。

图3为本申请较佳实施例提供的外腔半导体激光器的干涉滤光片的透射率曲线测量结果的示意图。

图4为本申请较佳实施例提供的外腔半导体激光器的线宽实验测量结果的示意图。

图标：100-激光源；200-准直透镜；300-干涉滤光片；310-第一干涉滤光片；320-第二干涉滤光片；400-分束器；500-聚焦透镜；600-全反射镜；700- 压电陶瓷管。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

请参阅图1，本申请实施例提供了一种外腔半导体激光器，外腔半导体激光器包括有激光源100、准直透镜200、干涉滤光片300、分束器400、聚焦透镜500和全反射镜600。其中，准直透镜200、干涉滤光片300、分束器400、聚焦透镜500和全反射镜600沿激光源100的传播光路方向上依次分布。其中，图中的虚线用于表示激光束。

准直透镜200用于将激光源100发出的激光转换为平行激光束，干涉滤光片300用于透过特定波长的激光束。入射至分束器400的激光束被分束器分为两束，为便于描述该两束激光束分别称之为第一激光束和第二激光束，其中的第一激光束经所述分束器400反射后作为输出光源，第二激光束经所述分束器 400透射后入射至聚焦透镜500，并经聚焦透镜500聚焦在全反射镜600上，反射后激光沿原路返回激光源100形成外腔。

本申请实施例中，激光源100用于提供光源，激光源100可以采用，但不限于前端面镀抗反膜的激光二极管、无端面抗反膜的激光二极管或分布反馈激光管，本申请实施例中不做具体限定。

激光源100的激光射出面朝向准直透镜200，且激光源100的发光点位于准直透镜200的焦点处。准直透镜200用于将激光源100发出的激光转换为平行的激光束，准直透镜200可采用双凸透镜，准直透镜200的激光入射面(朝向激光源100的一面)的曲率半径大于准直透镜200的激光出射面(背离激光源100的一面)的曲率半径，且准直透镜200的数值孔径NA大于0.5。

干涉滤光片300位于准直透镜200的激光出射面与分束器400的激光入射面之间，用于选择性透过特定波长(对应特定窄线宽)的激光束，从而实现窄线宽激光输出。本申请实施例中，干涉滤光片300为2个，包括第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320，准直透镜200、第一干涉滤光片310、第二干涉滤光片320和分束器400沿激光源100的传播光路方向上依次分布。可以理解的，在其他的一些实施例中，干涉滤光片300的数量也可以为1个或2个以上，具体可根据实际情况进行调整。

第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320可以采用宽带干涉滤光片，也可以采用窄带干涉滤光片，本申请实施例中不做具体限定。

第一干涉滤光片310允许透过的波长与第一干涉滤光片310的透过率之间的关系满足洛伦兹线型或者高斯线型，且峰值透过率大于90％。第二干涉滤光片320允许透过的波长与第二干涉滤光片320的透过率之间的关系也满足洛伦兹线型或者高斯线型，且峰值透过率大于90％。

第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320用于透过特定波长的激光，并可以通过调节角度调整其透过激光的波长。本申请实施例中，入射至第一干涉滤光片310的激光束与第一干涉滤光片310的法线之间的夹角与激光束的波长之间的关系为

其中λ₁为透过第一干涉滤光片310的激光束的波长，θ1为入射至第一干涉滤光片310的激光束与第一干涉滤光片310的法线之间的夹角，n₁为第一干涉滤光片310的有效折射率，λ₀₁为入射至第一干涉滤光片310的激光束与第一干涉滤光片310的法线之间的夹角为零度时，第一干涉滤光片310的峰值透过率对应的波长。

入射至第二干涉滤光片320的激光束与第二干涉滤光片320的法线之间的夹角与激光束的波长之间的关系为

其中λ₂为透过第二干涉滤光片320的激光束的波长，θ2为入射至第二干涉滤光片320的激光束与第二干涉滤光片320的法线之间的夹角，n₂为第二干涉滤光片320的有效折射率，λ₀₂为入射至第二干涉滤光片320的激光束与第二干涉滤光片320的法线之间的夹角为零度时，第二干涉滤光片320的峰值透过率对应的波长。

分束器400是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置，本申请实施例中，分束器400可将激光分成两束激光，分束器400可反射一部分激光束作为外腔半导体激光器的输出光源，同时分束器400透过另一半部分激光束至聚焦透镜500。为便于描述，本申请实施例中将分束器400反射的激光束称之为第一激光束，分束器400透过的激光束称之为第二激光束。

本申请实施例中，分束器400的透过率为50％-70％，反射率为30％-50％，具体可根据实际需要进行选择。例如，分束器400的透过率可以为50％，反射率为50％。例如，分束器400的透过率可以为60％，反射率为40％。又例如，分束器400的透过率可以为70％，反射率为30％。

聚焦透镜500设置于分束器400的透射面与全反射镜600之间，用于将透过分束器400的第二激光束进行聚焦，因此聚焦透镜500可以采用平凸透镜，聚焦透镜500的激光入射面(朝向分束器400的一面)为凸面，聚焦透镜500 的激光出射面(背离分束器400的一面)为平面，焦距以15-20mm为较佳。

全反射镜600为零度反射镜，其靠近聚焦透镜500的一面镀有反射膜，且反射率大于99％，经聚焦透镜500聚焦后入射至全反射镜600的激光在经全反射镜600反射后依次通过聚焦透镜500、分束器400、第二干涉滤光片320、第一干涉滤光片310和准直透镜200，返回激光源100进而压窄激光线宽。

本申请实施例中，激光源100接近准直透镜200的端面与全反射镜600的反射面形成半导体激光器的外腔，外腔的长度与平行激光束的线宽之间的关系为

其中Δv为激光源100发出的激光的线宽，λ为激光源100发出的激光的波长，L为外腔的长度，F为所述外腔的精细结构常数。

进一步的，请参阅图2，本申请实施例提供的外腔半导体激光器还包括有压电陶瓷管700，压电陶瓷管700位于聚焦透镜500与全反射镜600之间，聚焦透镜500聚焦后的激光束穿过压电陶瓷管700入射至所述全反射镜600，θ 1＝θ2＝6°。

本申请实施例中，聚焦透镜500的焦平面、全反射镜600的反射面与压电陶瓷管700的端面三者共面重合，可通过调节驱动电压精密改变压电陶瓷的位置，从而能够实现全反射镜600位置的精密调节。

外腔半导体激光器的工作过程如下：

激光源100发出的激光经过准直透镜200后准直为平行激光束，该平行激光束经过第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320后得到单模运转的激光，该单模运转的激光经分束器400后一部分反射输出作为外腔半导体激光器的输出光源，供后续使用。而透过分束器400的激光经聚焦透镜500聚焦后入射至全反射镜600，并在经全反射镜600反射后依次通过聚焦透镜500、分束器400、第二干涉滤光片320、第一干涉滤光片310和准直透镜200，返回激光源100 进而压窄激光线宽。

以下以外腔半导体激光器的透射率曲线测量和线宽实验测量进行举例说明：

例如，激光源100提供的激光波长为852nm，准直透镜200为双凸透镜，准直透镜200的激光入射面的曲率半径为3.5mm，准直透镜200的激光出射面的曲率半径为22mm，准直透镜200的焦距为3.1mm，数值孔径NA为0.6。第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320均为宽带干涉滤光片，且θ1＝θ 2＝6°，第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320的峰值透过率对应的波长均为852nm，带宽为3nm，峰值透过率均为98％。分束器400的透过率为60％，反射率为40％。聚焦透镜500为平凸透镜，聚焦透镜500透镜的激光入射面为凸面，曲率半径为20mm，聚焦透镜500透镜的激光出射面为平面，聚焦透镜 500的焦距为18.4mm。全反射镜600为零度反射镜，反射面镀的反射膜的反射率为99.9％。压电陶瓷管700的最大驱动电压为150V，最大调节距离为0.6um。半导体激光器的外腔长度为70mm。

基于上述参数，本申请实施例提供的外腔半导体激光器的干涉滤光片300 的透射率曲线测量结果如图3所示，波长在851-853nm以内的激光具有较高的透过率，波长在850nm以下、854nm以上的激光的透过率较低。本申请实施例提供的外腔半导体激光器的线宽实验测量结果如图4所示，输出的激光线宽达到85kHz，优于100kHz的窄线宽外腔半导体激光器。

可以理解的，在前述实施例的基础上，同样还可以使用窄带滤光片或者宽、窄带滤光片的组合，依据相同的结构得到外腔半导体激光器的线宽均可优于 100kHz。它们的技术原理和实验测量结果，于此不再赘述。

综上所述，本申请实施例提供的外腔半导体激光器通过全反射镜600与激光源接近准直透镜的端面形成半导体激光器的外腔能够压窄激光线宽，且第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320的角度可调，能够调节通过第一干涉滤光片310和第二干涉滤光片320的激光波长，输出满足需求的激光波长。与现有的基于光栅反馈的外腔半导体激光器相比，大大降低了对环境振动的敏感性，提升了稳定性，同时由于外腔和激光波长选择由不同的光学元器件实现，其结构更简单，降低了调试难度，便于工程化生产。另外，由于采用两个干涉滤光片300，波长与透过率的关系曲线可以通过调节干涉滤光片300角度实现更窄带宽复合干涉滤光片，不仅可以实现单模式选择，也可以拓展外腔半导体激光器的调谐范围。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种外腔半导体激光器，其特征在于，包括：激光源、准直透镜、干涉滤光片、分束器、聚焦透镜和全反射镜；

所述准直透镜、所述干涉滤光片、所述分束器、所述聚焦透镜和所述全反射镜沿所述激光源的传播光路方向上依次分布；

所述准直透镜用于将所述激光源发出的激光转换为平行激光束，所述干涉滤光片用于选择性透过特定波长的激光；

入射至所述分束器的激光束被分束器分成两束，其中的第一激光束经所述分束器反射后作为输出光源，第二激光束经所述分束器透射后后入射至所述聚焦透镜，并经所述聚焦透镜聚焦在所述全反射镜上，反射后的激光沿原路返回至激光源，形成光学外腔。

2.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜为双凸透镜，激光入射面的曲率半径大于激光出射面的曲率半径，且所述准直透镜的数值孔径NA大于0.5。

3.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述干涉滤光片包括第一干涉滤光片和第二干涉滤光片，所述准直透镜、所述第一干涉滤光片、所述第二干涉滤光片和所述分束器沿所述激光源的传播光路方向上依次分布。

4.根据权利要求3所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述第一干涉滤光片允许透过的波长与所述第一干涉滤光片的透过率之间的关系满足洛伦兹线型或者高斯线型，所述第二干涉滤光片允许透过的波长与所述第二干涉滤光片的透过率之间的关系满足洛伦兹线型或者高斯线型。

5.根据权利要求3所述的外腔半导体激光器，其特征在于，入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角与所述激光束的波长之间的关系为

其中λ₁为透过所述第一干涉滤光片的激光束的波长，θ1为入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角，n₁为第一干涉滤光片的有效折射率，λ₀₁为入射至所述第一干涉滤光片的激光束与所述第一干涉滤光片的法线之间的夹角为零度时，第一干涉滤光片的峰值透过率对应的波长；

入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角与所述激光束的波长之间的关系为

其中λ₂为透过所述第二干涉滤光片的激光束的波长，θ2为入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角，n₂为第二干涉滤光片的有效折射率，λ₀₂为入射至所述第二干涉滤光片的激光束与所述第二干涉滤光片的法线之间的夹角为零度时，第二干涉滤光片的峰值透过率对应的波长。

6.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，还包括压电陶瓷管，所述压电陶瓷管位于所述聚焦透镜与所述全反射镜之间，所述聚焦透镜的焦平面、所述全反射镜的反射面与所述压电陶瓷管的端面三者共面重合，所述聚焦透镜聚焦后的激光束穿过所述压电陶瓷管入射至所述全反射镜。

7.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述全反射镜的反射率大于99％。

8.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光源为前端面镀抗反膜的激光二极管、前端面无抗反膜的激光二极管或分布反馈激光管。

9.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光源接近所述准直透镜的端面与所述全反射镜的反射面形成半导体激光器的外腔，所述外腔的长度与所述激光源所发出激光的线宽之间的关系为

其中Δv为所述激光源发出的激光的线宽，λ为所述激光源发出的激光的波长，L为所述外腔的长度，F为所述外腔的精细结构常数。

10.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述聚焦透镜为平凸透镜，所述聚焦透镜的激光入射面为凸面，所述聚焦透镜的激光出射面为平面，所述聚焦透镜的焦距为15-20mm。

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