CN112260056A - 一种快速频率调谐外腔半导体激光器 - Google Patents

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刘涛
陈龙
焦东东
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董瑞芳
张首刚
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Abstract

本发明公开了一种快速频率调谐外腔半导体激光器，包括半导体激光二极管和依次设置在所述半导体激光二极管输出光光路上的第一准直透镜、电光晶体、窄带干涉滤光片和平面部分反射镜，其中，所述半导体激光二极管输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向；所述窄带干涉滤光片用于调节激光器输出激光的中心波长，激光器装调过程中通过绕其中心点转动来改变入射角来调节波长；本发明的半导体激光器设计合理、结构稳定、能够实现激光频率快速调谐。

Description

一种快速频率调谐外腔半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种快速频率调谐外腔半导体激光器。
背景技术
外腔半导体激光器具有工作稳定、寿命长、输出激光线宽窄、易于调谐等优点，广泛应用于冷原子物理、原子频标、激光通讯等领域。
目前，常见的外腔半导体激光器Littrow结构和Littman-Metcalf结构采用光栅作为频率调谐器件，通过压电陶瓷PZT来改变光栅的位移或角度来实现激光频率的调谐。这种采用机械式调谐的方式，激光器的频率调谐速度一般被限制在几kHz，而且激光频率可重复性差，无法满足一些对激光频率调谐速度有较高要求的应用。
发明内容
本发明的主要目的是针对上述问题，提供一种快速频率调谐外腔半导体激光器，该外腔半导体激光器设计合理、结构稳定、能够实现激光频率快速调谐。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种快速频率调谐外腔半导体激光器，包括半导体激光二极管和依次设置在所述半导体激光二极管输出光光路上的第一准直透镜、电光晶体、窄带干涉滤光片和平面部分反射镜，其中，所述半导体激光二极管输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向；所述窄带干涉滤光片用于调节激光器输出激光的中心波长，激光器装调过程中通过绕其中心点转动来改变入射角来调节波长。
进一步的，所述第一准直透镜为非球面透镜，用于对所述半导体激光二极管发射的激光进行准直。
进一步的，所述电光晶体为铌酸锂晶体，采用z切。
进一步的，所述电光晶体的上下两个表面为镀金电极。
进一步的，所述平面部分反射镜垂直于所述窄带干涉滤光片出射光的光路，所述平面部分反射镜的前端面镀反射膜，所述平面部分反射镜的前端面与所述半导体激光二极管的后端面形成激光器的外腔，所述平面部分反射镜将一部分光反馈到半导体激光二极管实现外腔光学反馈。
进一步的，还包括聚焦透镜以及第二准直透镜，所述聚焦透镜为非球面透镜，设于所述窄带干涉滤光片的出射光光路上，保证所述平面部分反射镜位于所述聚焦透镜的焦点所在的竖直平面内。
进一步的，所述第二准直透镜为与所述聚焦透镜参数相同的非球面透镜，用于将所述聚焦透镜聚焦后的激光重新准直。
进一步的，所述半导体激光二极管的出光端面镀有增透膜，所述激光二极管的后端面镀有高反膜。
进一步的，还包括用于对所述半导体激光二极管进行温度控制的半导体制冷片，使所述半导体激光二极管工作在恒定的温度22℃。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，通过将电光晶体插入到基于窄带干涉滤光片来选模的外腔半导体激光器的外腔中，利用电光晶体的电光效应，通过改变电光晶体两极的电压来改变晶体的折射率，从而改变激光器外腔的有效腔长，实现激光频率的快速调谐，激光频率调谐速度快，频率重复性好，可以应用于激光稳频、原子频标、波分复用光通讯等领域；本发明的半导体激光二极管输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向，保证光的偏振方向与电光晶体上加的电场方向一致。
附图说明
图1为本发明的快速频率调谐外腔半导体激光器的结构示意图。
附图中，10-半导体激光二极管，11-后端面，12-前端面，20-第一准直透镜，30-电光晶体，40-窄带干涉滤光片，41-窄带干涉滤光片的中心，50-聚焦透镜，60-平面部分反射镜，70-第二准直透镜
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，包括半导体激光二极管10和依次设置在所述半导体激光二极管10输出光光路上的第一准直透镜20、电光晶体30、窄带干涉滤光片40和平面部分反射镜60，所述半导体激光二极管10输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向，保证光的偏振方向与电光晶体上加的电场方向一致，所述半导体激光二极管10的出光端面镀有增透膜，所述激光二极管10的后端面11镀有高反膜；所述第一准直透镜20为非球面透镜，用于对所述半导体激光二极管10发射的激光进行准直；所述窄带干涉滤光片40用于调节激光器输出激光的中心波长，激光器装调过程中通过绕其中心点转动来改变入射角来调节波长。
所述平面部分反射镜60垂直于所述窄带干涉滤光片40出射光的光路，所述平面部分反射镜60的前端面61镀反射膜，所述平面部分反射镜60的前端面61与所述半导体激光二极管10的后端面11形成激光器的外腔，所述平面部分反射镜60将一部分光反馈到半导体激光二极管10实现外腔光学反馈。
在所述电光晶体30上施加外加电压时，其折射率会发生改变，且其变化值会随着外加电压的变化而变化，从而引起激光器等效腔长的变化，实现对激光频率的快速调谐。本发明采用电光晶体具有响应带宽大，速度快的优点。
还包括聚焦透镜50以及第二准直透镜70，所述聚焦透镜50为非球面透镜，设于所述窄带干涉滤光片40的出射光光路上，保证所述平面部分反射镜60位于所述聚焦透镜50的焦点所在的竖直平面，所述第二准直透镜70为与所述聚焦透镜50参数相同的非球面透镜，用于将所述聚焦透镜50聚焦后的激光重新准直。
在本发明的某一实施例中，电光晶体30采用铌酸锂晶体(LiNbO3)，采用z切，上下两个表面均采用镀金电极，在电光晶体30上施加外加电压时，其折射率会发生改变，且其变化值会随着外加电压的变化而变化，从而引起激光器等效腔长的变化为dL＝λV/(2Vπ)，其中λ为激光器的波长，V为施加在电光晶体上的电压，Vπ为电光晶体的半波电压；进而引起激光器输出光频率变化为：
Figure BDA0002738083130000041
其中，c为真空中的光速，通过改变电压可实现对激光频率的快速调谐。
在本发明的某一实施例中，半导体激光二极管的后端面11镀有反射率大于99％的高反膜，前端面12镀有AR增透膜，反射率为10-3量级。所述半导体激光二极管10使用半导体制冷片(TEC)将其温度控制在22℃，控温精度达到1mk。调整半导体激光二极管10，保证其输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向；准直透镜20为短焦非球面透镜，焦距为4.02mm，用于将激光二极管发射激光准直为平行光，电光晶体30为铌酸锂晶体(LiNbO3)，采用z切。晶体沿光路方向的长度为7mm，入光面和出光面尺寸为4mm×4mm，镀有透射率大于99.8％的增透膜。上下两个表面为镀金电极，在电光晶体电极上施加外加电压时，其折射率会发生改变，且其变化值会随着外加电压的变化而变化，从而引起激光器等效腔长的变化，实现对激光频率的快速调谐。
窄带干涉滤光片40用于调节激光中心波长，其带宽为0.3～0.4nm，中心波长透过率大于90％，其可以绕中心41转动来改变入射光的角度，从而调节激光器输出光的中心波长。
聚焦透镜50为非球面透镜，焦距为15.29mm，用于将平行光聚焦到平面部分反射镜50前端面上，聚焦透镜50和平面部分反射镜60组成“猫眼”结构，可以降低外腔反馈的敏感度，提高激光器的稳定性。
平面部分反射镜60垂直于所述窄带干涉滤光片出射光的光路，其前端面镀反射率为30％的部分反射膜，与半导体激光二激管10的后端面11形成激光器的外腔，将一部分光反馈到激光二极管，实现外腔光学反馈，压窄激光线宽。
第二准直透镜70的所有参数与聚焦透镜50相同，用于将前一步聚焦后的激光重新准直输出。
在本发明的某一优选实施例中，还包括用于对所述半导体激光二极管10进行精密温度控制的半导体制冷片，使所述半导体激光二极管10工作在恒定的温度22℃。
本发明的外腔半导体激光器使用窄带干涉滤光片40来选模、平面部分反射镜60来构成外腔光反馈，相比使用光栅的设计，结构稳定；并且通过使用电光晶体30来代替传统的机械运动部件压电陶瓷(PZT)来实现激光频率的快速调谐，具有调谐速度快、频率重复率高的优点。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，包括半导体激光二极管(10)和依次设置在所述半导体激光二极管(10)输出光光路上的第一准直透镜(20)、电光晶体(30)、窄带干涉滤光片(40)和平面部分反射镜(60)，其中，所述半导体激光二极管(10)输出的线偏振光的偏振方向为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述第一准直透镜(20)为非球面透镜，用于对所述半导体激光二极管(10)发射的激光进行准直。
3.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述电光晶体(30)为铌酸锂晶体，采用z切。
4.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述电光晶体(30)的上下两个表面为镀金电极。
5.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述平面部分反射镜(60)垂直于所述窄带干涉滤光片(40)出射光的光路，所述平面部分反射镜(60)的前端面(61)镀反射膜，所述平面部分反射镜(60)的前端面(61)与所述半导体激光二极管(10)的后端面(11)形成激光器的外腔，所述平面部分反射镜(60)将一部分光反馈到半导体激光二极管(10)实现外腔光学反馈。
6.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，还包括聚焦透镜(50)以及第二准直透镜(70)，所述聚焦透镜(50)为非球面透镜，设于所述窄带干涉滤光片(40)的出射光光路上，保证所述平面部分反射镜(60)位于所述聚焦透镜(50)的焦点所在的竖直平面内。
7.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述第二准直透镜(70)为与所述聚焦透镜(50)参数相同的非球面透镜，用于将所述聚焦透镜(50)聚焦后的激光重新准直。
8.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光二极管(10)的出光端面镀有增透膜，所述激光二极管(10)的后端面(11)镀有高反膜。
9.根据权利要求1所述的一种快速频率调谐外腔半导体激光器，其特征在于，还包括用于对所述半导体激光二极管(10)进行温度控制的半导体制冷片，使所述半导体激光二极管(10)工作在恒定的温度22℃。
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