CN112751260B - 一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ecdl激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光技术领域，涉及一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL(External Cavity Diode Laser)激光器。本发明由激光器外壳、激光器外底板、扇环形导轨底板、控制器接口、控温陶瓷、输出窗口、热敏电阻、电流接口板、激光二极管引脚插座、激光二极管引脚插座、激光二极管压环、激光二极管、激光二极管卡座、准直透镜卡座、准直透镜、反射光栅、直角棱镜、扇环形调谐支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套、高反镜构成；本发明利用扇环形导轨的独特设计满足了ECDL的类同步调谐条件，不仅能实现大范围的无跳模调谐，还能够缩小激光器的外形尺寸、显著提高激光器的可靠性，使其能满足一些特殊环境下如航空、航天、武器装备应用等领域的要求。

Description

一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL激光器

技术领域

本发明涉及一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL(External CavityDiode Laser)激光器，属于外腔半导体激光器技术领域。

背景技术

外腔半导体激光器提供了廉价可靠的可调谐激光源，其通常使用光栅作为外腔提供外部光反馈进入半导体的有源区，能够大为改善半导体激光器的光谱性能，获得了更窄的线宽、更高的光谱纯度和更宽的连续调谐范围，从而为高分辨率光谱学、量子精密测量、光通信和激光雷达等领域提供了理想的相干光源。

同步调谐又称为连续无跳模调谐，其范围是评价外腔半导体激光器性能的一项关键指标，可同步调谐的外腔半导体激光器拥有着广泛的应用前景。在使用镀增透膜激光二级管的外腔半导体激光器中，输出激光的波长由激光谐振腔内的损耗谱与有源区的增益谱共同决定，而在光栅外腔的作用下，满足谐振腔驻波条件和光栅方程的激光波长，由于有更低的损耗而更容易起振。如果有激光波长同时满足这两个条件，那么在腔内模式竞争中将压制其余模式起振从而实现单纵模输出。在Littman式光栅外腔半导体激光器中，需要利用光栅的色散能力进行选模。光栅对波长的选择能力与光栅的入射角和衍射角相关，在对激光器进行波长调谐时，只需转动反射调谐镜的角度就能使得光栅的衍射角发生改变，从而改变反馈波长，最终改变激光器输出进行波长调谐。在转动反射调谐镜时，外腔长度也会随之变化，导致被驻波条件所限定的外腔纵模也会随之移动，当外腔纵模与光栅反馈中心光频率的失谐量大于二分之一的外腔纵模间隔，激光器就会发生跳模。

激光器的跳模行为会大大降低外腔半导体激光器工作时的鲁棒性，同时由于跳模会导致激光器的输出波长不能够连续扫描某一波段内的所有波长，这给其在工程上的应用带来很大的局限性。Littman式光栅外腔半导体激光器的同步调谐可以通过精选反射调谐镜的旋转轴点来实现，该满足同步调谐的旋转点称为最佳调谐点，其位于光栅平面与二极管后端面延长线的角平分线与反射调谐镜的交点上，其位置距离其他光学元件比较远，如果采用传统的悬臂梁结构解决反射调谐镜围绕轴点旋转的问题，通常会因为使用长旋臂而导致结构不够紧凑或是过于复杂。另外，长旋臂对外界的振动和干扰非常敏感，会带来激光器输出波长不稳定和线宽展宽的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL激光器。其利用扇环形调谐支架用以代替传统的悬臂梁结构支架，能够模拟反射调谐镜围绕虚拟轴点旋转，大大缩短了旋臂长度；与支架紧密配合的扇环形导轨，能够引导反射调谐镜的运动轨迹，保证了激光器在调谐时满足同步调谐条件；同时，一体化的线切割设计，使得激光器的抗振、抗干扰能力大大提升，有利于激光器的输出频率稳定和线宽压窄。本发明在保证激光器满足类同步调谐条件、获得宽泛无跳模调谐性能的同时，也使得激光器结构紧凑，有效提升了激光器的抗振性能，获得更高的输出频率稳定性和更优良的线宽指标。本发明可应用于航空航天、武器装备或其它环境恶劣的工业领域。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL激光器，包括激光器外壳、激光器外底板、扇环形导轨底板、控制器接口、控温陶瓷、输出窗口、热敏电阻、电流接口板、激光二极管引脚插座、激光二极管压环、激光二极管、激光二极管卡座、准直透镜卡座、准直透镜、反射光栅、直角棱镜、扇环形调谐支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套、高反镜；

所述激光器外壳包含前板、后板、两块侧板和顶盖，与输出窗口一起用于保护、隔离激光器内部元件，使内部光学元件处于相对稳定的工作环境；

所述输出窗口是一片镀有相关激光波长增透膜的玻璃，对激光器起到防尘保护与隔离的作用；

所述控制器接口连接半导体激光器控制箱，将压电陶瓷驱动电压、激光二极管驱动电流、热敏电阻检测信号和控温陶瓷电压通过导线分别作用于压电陶瓷、电流接口板、热敏电阻和控温陶瓷；

所述电流接口板将驱动电流信号的杂波与噪声滤去后，用以驱动激光二极管激射发光；

所述ECDL激光器内部元件包含电流接口板、激光二极管引脚插座、激光二极管压环、激光二极管、激光二极管卡座、准直透镜卡座、准直透镜、反射光栅、直角棱镜、扇环形调谐支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套与高反镜，其中激光二极管卡座和扇环形调谐支架以螺丝紧固的方式安装在扇环形导轨底板上，反射光栅利用粘合剂紧固在扇环形导轨底板上；

所述激光二极管通过激光二极管压环安装在激光二极管卡座上，用螺丝进行紧固，激光二极管卡座上用导热硅胶粘合上热敏电阻，用以监测激光二极管的工作温度；控温陶瓷位于扇环形导轨底板和激光器外底板之间，用以维持激光二极管工作环境温度稳定；

所述准直透镜卡座用螺丝紧固的方式安装在激光二极管卡座上；准直透镜的外表面有螺纹能够直接安装至准直透镜卡座上的螺纹孔中，准直透镜卡座的螺纹孔内嵌有橡胶圈，保证准直透镜与螺纹孔的紧密配合不会松动，通过调整螺纹拧进量的大小，能够改变准直透镜与激光二级管的工作距离，保证激光二极管的发光面处于准直透镜的焦点位置；

所述扇环形导轨底板承载着激光器内部元件，为了保证其抗振性能，其采用了一体化式的结构，并将内部元件整合为一个整体；扇环形导轨的内壁做了光滑处理，与扇环形调谐支架呈紧密配合，使得扇环形调谐支架能够沿着扇环形导轨滑动，扇环形的圆心位于最佳调谐点沿着反射光栅一级衍射光的方向偏离了一段距离，为类同步调谐点；

所述扇环形调谐支架前端安装着直角棱镜，后端利用压电陶瓷安装套安装压电陶瓷；

所述直角棱镜作为调谐镜以保证出射光线能平行于入射光线；

所述压电陶瓷两端加电压后伸长，推动着扇环形调谐支架前端的直角棱镜围绕着扇环形导轨的圆心进行转动，以达到类同步调谐条件，扇环形调谐支架采用线切割的一体化设计以提升其抗振性能；

所述激光器工作时，激光二极管输出的激光经准直透镜后输出平行光束，然后激光入射至反射光栅上，所产生的一级衍射光垂直射向直角棱镜，然后被重新反射至反射光栅上发生第二次衍射，二次衍射的一级衍射光作为外部光反馈返回至激光二极管的有源区；反射光栅一次衍射产生的零级衍射光作为输出光，经高反镜反射后透过输出窗口成为激光器系统的输出光；扇环形调谐支架搭载着直角棱镜围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

本发明的有益效果是：

一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL激光器，其使用了扇环形调谐支架搭载着直角棱镜，配合着扇环形导轨实现直角棱镜围绕扇环形导轨的圆心旋转。本发明不仅能够满足外腔半导体激光器的类同步调谐条件，通过调节压电陶瓷施加的电压大小以进行输出波长的大范围无跳模调谐，还能够缩小激光器的外形尺寸、优化激光器的抗振性、显著提高激光器的可靠性，使其能满足一些特殊环境下如武器装备应用、航空航天等领域的要求。

附图说明

图1是本发明所述ECDL激光器的整体结构示意图；

图2是本发明所述ECDL激光器的爆炸拆解图；

图3是本发明所述ECDL激光器内部元件的爆炸拆解图；

图4是本发明所述ECDL激光器内部元件的俯视图；

图5是本发明所述ECDL激光器的类同步调谐示意图。

图中所示：1-激光器外壳(图1、图2)，2-激光器外底板(图1)，3-扇环形导轨底板(图2、图3、图4)，4-控制器接口(图1、图2)，5-控温陶瓷(图2)，6-输出窗口(图1、图2、)，7-电流接口板(图3、图4、图5)，8-激光二极管引脚插座(图3、图4、图5)，9-激光二极管压环(图3、图4)，10-激光二极管(图3、图4)，11-激光二极管卡座(图3、图4、图5)，12-准直透镜卡座(图3、图4、图5)，13-准直透镜(图3、图4)，14-反射光栅(图3、图4、图5)，15-直角棱镜(图3)，16-扇环形调谐支架(图3、图4、图5)，17-压电陶瓷(图3)，18-压电陶瓷安装套(图3)，19-高反镜(图3、图4、图5)。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1展示了本发明所述ECDL激光器的整体外观示意图。

图2所示本发明所述ECDL激光器的爆炸拆解图：包括激光器外壳1、激光器外底板2、扇环形导轨底板3、控制器接口4、控温陶瓷5、输出窗口6、热敏电阻、电流接口板7、激光二极管引脚插座8、激光二极管压环9、激光二极管10、激光二极管卡座11、准直透镜卡座12、准直透镜13、反射光栅14、直角棱镜15、扇环形调谐支架16、压电陶瓷17、压电陶瓷安装套18、高反镜19；

所述激光器外壳1包含前板、后板、两块侧板和顶盖，与输出窗口6一起用于保护、隔离激光器内部元件，使内部光学元件处于相对稳定的工作环境；

所述输出窗口6是一片镀有相关激光波长增透膜的玻璃，对激光器起到防尘保护与隔离的作用；

所述控制器接口4连接半导体激光器控制箱，将压电陶瓷驱动电压、激光二极管驱动电流、热敏电阻检测信号和控温陶瓷电压通过导线分别作用于压电陶瓷17、电流接口板7、热敏电阻和控温陶瓷5；

所述电流接口板7将驱动电流信号的杂波与噪声滤去后，用以驱动激光二极管10激射发光；

所述ECDL激光器内部元件的爆炸拆解图如图3所示，其俯视图如图4所示：包含电流接口板7、激光二极管引脚插座8、激光二极管压环9、激光二极管10、激光二极管卡座11、准直透镜卡座12、准直透镜13、反射光栅14、直角棱镜15、扇环形调谐支架16、压电陶瓷17、压电陶瓷安装套18、高反镜19。其中激光二极管卡座11和扇环形调谐支架16以螺丝紧固的方式安装在扇环形导轨底板3上，反射光栅14利用粘合剂紧固在扇环形导轨底板3上；

所述激光二极管10通过激光二极管压环9安装在激光二极管卡座11上，用螺丝进行紧固，激光二极管卡座11上用导热硅胶粘合上热敏电阻，用以监测激光二极管10的工作温度；控温陶瓷5位于扇环形导轨底板3和激光器外底板2之间，用以维持激光二极管10工作环境温度稳定；

所述准直透镜卡座12用螺丝紧固的方式安装在激光二极管卡座11上；准直透镜13的外表面有螺纹能够直接安装至准直透镜卡座12上的螺纹孔中，准直透镜卡座12的螺纹孔内嵌有橡胶圈，保证准直透镜13与螺纹孔的紧密配合不会松动，通过调整螺纹拧进量的大小，能够改变准直透镜13与激光二级管10的工作距离，保证激光二极管10的发光面处于准直透镜13的焦点位置；

所述扇环形导轨底板3承载着激光器内部元件，为了保证其抗振性能，其采用了一体化式的结构，并将内部元件整合为一个整体；扇环形导轨的内壁做了光滑处理，与扇环形调谐支架16呈紧密配合，使得扇环形调谐支架16能够沿着扇环形导轨滑动，扇环形的圆心位于最佳调谐点沿着反射光栅14一级衍射光的方向偏离了一段距离，为类同步调谐点；

所述扇环形调谐支架16前端安装着直角棱镜15，后端利用压电陶瓷安装套18安装压电陶瓷17；

所述直角棱镜15作为调谐镜以保证出射光线能平行于入射光线；

所述压电陶瓷17两端加电压后伸长，推动着扇环形调谐支架16前端的直角棱镜15围绕着扇环形导轨的圆心进行转动，以达到类同步调谐条件，扇环形调谐支架16采用线切割的一体化设计以提升其抗振性能；

所述激光器工作时，激光二极管10输出的激光经准直透镜13后输出平行光束，然后激光入射至反射光栅14上，所产生的一级衍射光垂直射向直角棱镜15，然后被重新反射至反射光栅14上发生第二次衍射，二次衍射的一级衍射光作为外部光反馈返回至激光二极管10的有源区；反射光栅14一次衍射产生的零级衍射光作为输出光，经高反镜19反射后透过输出窗口6成为激光器系统的输出光；扇环形调谐支架16搭载着直角棱镜15围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

图5是本发明所述ECDL激光器的类同步调谐示意图：Q点为最佳调谐点。当扇环形调谐支架16搭载着直角棱镜15转动对激光器进行调谐时，想要满足同步调谐条件必须保持反射光栅14与外腔的选模条件同步进动，对Littman式光栅外腔结构而言，光栅方程为与外腔驻波条件为：

式中，θ为入射角，

是光栅的一级衍射角，m为衍射角，d为光栅常数，L为腔长，m为波数，在调谐过程中，需要保持λ_g与λ_m的同步移动，它们都是调谐旋转角α的函数，通过简单的几何关系，将λ_g与λ_m对调谐旋转角α的微分对等，即可得到最佳调谐点的坐标，如图5的Q点所示，为：

其中h为点Q至直角棱镜的距离，可取包含0在内的任何合理值。在光线几何中，最佳调谐点Q位于激光二极管10后端面与直角棱镜15反射平面的角平分线与反射光栅14平面的交点处

在设计激光器时，为了保证虚拟转轴点Q'处于最佳调谐点，在确定了激光二极管10、反射光栅14以及直角棱镜15位置后，最佳调谐点至直角棱镜平面的距离h以及旋臂长度R都能够唯一确定。此时再给定扇环形调谐支架16的h'的大小以及压电陶瓷14顶压作用点P的位置，即可得到同步调谐条件。在本发明中，由于使用了扇环形导轨作为引导，调谐点总是处于直角棱镜15的反射平面上，故h'为0。

为使得外腔半导体激光器获得良好的无跳模调谐范围，实际调谐点Q'沿着反射光栅13一级衍射光的方向偏离Q点一段距离r，有文献指出，相比于其他方向，调谐点在该方向上的偏移，激光器调谐性能的下降要缓慢得多。因此，在本发明的设计上，将实际调谐点Q'沿着该方向偏离适当的距离r，同样得到了可观的无跳模调谐范围。

虽然参照上述具体实施方式详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。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 (1)

1.一种基于扇环形结构的压电类同步调谐ECDL激光器，其特征在于，包括激光器外壳、激光器外底板、扇环形导轨底板、控制器接口、控温陶瓷、输出窗口、热敏电阻、电流接口板、激光二极管引脚插座、激光二极管压环、激光二极管、激光二极管卡座、准直透镜卡座、准直透镜、反射光栅、直角棱镜、扇环形调谐支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套、高反镜；

所述激光器外壳包含前板、后板、两块侧板和顶盖，与输出窗口一起用于保护、隔离激光器内部元件，使内部光学元件处于相对稳定的工作环境；

所述输出窗口是一片镀有相关激光波长增透膜的玻璃，对激光器起到防尘保护与隔离的作用；

所述控制器接口连接半导体激光器控制箱，将压电陶瓷驱动电压、激光二极管驱动电流、热敏电阻检测信号和控温陶瓷电压通过导线分别作用于压电陶瓷、电流接口板、热敏电阻和控温陶瓷；

所述电流接口板将驱动电流信号的杂波与噪声滤去后，用以驱动激光二极管激射发光；

所述ECDL激光器内部元件包含电流接口板、激光二极管引脚插座、激光二极管压环、激光二极管、激光二极管卡座、准直透镜卡座、准直透镜、反射光栅、直角棱镜、扇环形调谐支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套与高反镜，其中激光二极管卡座和扇环形调谐支架以螺丝紧固的方式安装在扇环形导轨底板上，反射光栅利用粘合剂紧固在扇环形导轨底板上；

所述激光二极管通过激光二极管压环安装在激光二极管卡座上，用螺丝进行紧固，激光二极管卡座上用导热硅胶粘合上热敏电阻，用以监测激光二极管的工作温度；控温陶瓷位于扇环形导轨底板和激光器外底板之间，用以维持激光二极管工作环境温度稳定；

所述准直透镜卡座用螺丝紧固的方式安装在激光二极管卡座上；准直透镜的外表面有螺纹能够直接安装至准直透镜卡座上的螺纹孔中，准直透镜卡座的螺纹孔内嵌有橡胶圈，保证准直透镜与螺纹孔的紧密配合不会松动，通过调整螺纹拧进量的大小，能够改变准直透镜与激光二级管的工作距离，保证激光二极管的发光面处于准直透镜的焦点位置；

所述扇环形导轨底板承载着激光器内部元件，为了保证其抗振性能，其采用了一体化式的结构，并将内部元件整合为一个整体；扇环形导轨的内壁做了光滑处理，与扇环形调谐支架呈紧密配合，使得扇环形调谐支架能够沿着扇环形导轨滑动，扇环形的圆心位于最佳调谐点沿着反射光栅一级衍射光的方向偏离了一段距离，为类同步调谐点；

所述扇环形调谐支架前端安装着直角棱镜，后端利用压电陶瓷安装套安装压电陶瓷；

所述直角棱镜作为调谐镜以保证出射光线能平行于入射光线；

所述压电陶瓷两端加电压后伸长，推动着扇环形调谐支架前端的直角棱镜围绕着扇环形导轨的圆心进行转动，以达到类同步调谐条件，扇环形调谐支架采用线切割的一体化设计以提升其抗振性能；

所述激光器工作时，激光二极管输出的激光经准直透镜后输出平行光束，然后激光入射至反射光栅上，所产生的一级衍射光垂直射向直角棱镜，然后被重新反射至反射光栅上发生第二次衍射，二次衍射的一级衍射光作为外部光反馈返回至激光二极管的有源区；反射光栅一次衍射产生的零级衍射光作为输出光，经高反镜反射后透过输出窗口成为激光器系统的输出光；扇环形调谐支架搭载着直角棱镜围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

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