CN113131336A - 一种半导体激光器波长锁定方法 - Google Patents

一种半导体激光器波长锁定方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体激光器波长锁定方法，包括：在半导体激光器在工作电流以及散热板在工作温度下测试半导体激光器的第一中心波长，若第一中心波长在体光栅的波长锁定范围内时，调节半导体激光器中的电流至第一电流，第一电流小于半导体激光器的工作电流，并保持散热板处于工作温度的条件下，测试半导体激光器的第二中心波长；之后调节半导体激光器底部的散热板至测试温度，使得半导体激光器发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值；之后调节体光栅的角度至从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。在波长锁定调节工艺中避免发生腔面灾变损伤且波长锁定状态的稳定性提高、波长锁定调节难度降低。

Description

一种半导体激光器波长锁定方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器波长锁定方法。
背景技术
光纤激光器和固体激光器通常因为其吸收峰较窄，会对其泵源也就是半导体激光器提出严苛的指标要求。因此需要使用波长锁定技术保证半导体激光器压窄输出光谱宽度、实现波长锁定。目前主要采用体光栅或面光栅外腔锁定技术，实现波长锁定效果。然而波长锁定调节精度高，锁定难度大，运输和使用过程中导致的模块碰撞、形变，都有可能导致激光器的失锁。且在目前的波长锁定调节工艺中，通常需要在较高工作电流下调节光栅，这极容易导致腔面灾变损伤(COD)。
因此，需要解决现有技术中波长锁定状态的稳定性较差，波长锁定调节难度大且在波长锁定调节工艺中容易发生腔面灾变损伤的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中波长锁定状态的稳定性较差、波长锁定调节难度大且在波长锁定调节工艺中容易发生腔面灾变损伤的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半导体激光器波长锁定方法，包括：第一步骤：提供半导体激光器和体光栅，半导体激光器底部设置有散热板；第二步骤：在半导体激光器在工作电流以及散热板在工作温度下，测试半导体激光器的第一中心波长，若第一中心波长在体光栅的波长锁定范围内时，则进行第三步骤；第三步骤：调节半导体激光器中的电流至第一电流，第一电流小于半导体激光器的工作电流，并保持散热板处于工作温度的条件下，测试半导体激光器的第二中心波长；第四步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流的条件下，调节半导体激光器底部的散热板的温度至测试温度，使得半导体激光器发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值；第五步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流且散热板的温度为测试温度的条件下，调节体光栅的角度直至从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。
可选的，所述第一阈值为0纳米～0.5纳米。
可选的，第三中心波长位于所述波长锁定范围的一个边界。
可选的，所述体光栅的波长锁定范围为(λ0－K)～(λ0+K)；λ0为体光栅锁定的中心波长；第三中心波长为λ0－K；当第三中心波长为λ0－K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure BDA0003014128350000021
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器发出激光的中心波长的变化与散热板温度变化的比值。
可选的，所述体光栅的波长锁定范围为(λ0－K)～(λ0+K)；λ0为体光栅锁定的中心波长；第三中心波长为λ0+K；当第三中心波长为λ0+K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure BDA0003014128350000031
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器发出激光的中心波长的变化与散热板温度变化的比值。
可选的，所述半导体激光器具有阈值电流，所述第一电流为所述阈值电流的3倍～4倍。
可选的，还包括：第六步骤：进行第五步骤之后，将散热板的温度调节至工作温度，将半导体激光器的电流调节至工作电流。
可选的，还包括：第七步骤：进行第六步骤之后，测试波长锁定效果，若第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中出现旁瓣，则重复第三步骤至第六步骤，直至第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。
可选的，所述体光栅具有峰值衍射效率；所述半导体激光器的前腔面适于出射激光；根据所述前腔面的反射率和所述峰值衍射效率获取K的取值。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明技术方案提供的半导体激光器波长锁定方法，在半导体激光器在工作电流以及散热板在工作温度下，测试半导体激光器的第一中心波长，若第一中心波长在体光栅的波长锁定范围内时，则进行后续的调节步骤，也就是说，当半导体激光器和所述体光栅相互匹配时，才会进行后续的调节步骤。之后，调节半导体激光器中的电流至第一电流，第一电流小于半导体激光器的工作电流，并保持散热板处于工作温度的条件下，测试半导体激光器的第二中心波长；当调节半导体激光器中的电流至第一电流时且保持散热板处于工作温度的条件下，第二中心波长会超出体光栅的波长锁定范围。之后在半导体激光器中的电流为第一电流的条件下，调节半导体激光器底部的散热板的温度至测试温度，使得半导体激光器发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值，第三中心波长位于所述波长锁定范围的边界的附近，该步骤中利用了温度波长漂移特征实现半导体激光器接近波长锁定状态。之后，在在半导体激光器中的电流为第一电流且散热板的温度为测试温度的条件下，调节体光栅的角度直至从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失，也就是调节体光栅的角度直至达到最佳锁定效果。而在达到最佳锁定效果的过程中，由于在较小的第一电流下使得半导体激光器接近锁定状态且调节好体光栅的角度，因此，避免了在波长锁定调节过程中发生腔面灾变损伤的问题。且该方法能达到最佳的波长锁定效果，即使半导体激光器在运输和使用过程中发生模块碰撞、形变，也不会发生失锁的问题，因此波长锁定状态的稳定性得到提高。其次，上述方法操作的难度降低，容易进行波长锁定调节。
进一步，进行第五步骤之后，将散热板的温度调节至工作温度，将半导体激光器的电流调节至工作电流。由于半导体激光器自由运转的中心波长会随着温度与电流的变化而变化，因此在将散热板的温度调节至工作温度，将半导体激光器的电流调节至工作电流之后，也能保证较好的波长锁定状态。
进一步，第六步骤之后，测试波长锁定效果，若第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中出现旁瓣，则重复第三步骤至第六步骤，直至第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失，这样使得半导体激光器实际工作过程中也能保证最佳的锁定效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明一实施例的半导体激光器波长锁定过程的流程图；
图2是本发明一实施例实现波长锁定的结构示意图。
具体实施方式
在此基础上，本发明实施例提供一种半导体激光器波长锁定方法，参考图1，包括：
S01：第一步骤：提供半导体激光器和体光栅，半导体激光器底部设置有散热板；
S02：第二步骤：在半导体激光器在工作电流以及散热板在工作温度下，测试半导体激光器的第一中心波长，若第一中心波长在体光栅的波长锁定范围内时，则进行第三步骤；
S03：第三步骤：调节半导体激光器中的电流至第一电流，第一电流小于半导体激光器的工作电流，并保持散热板处于工作温度的条件下，测试半导体激光器的第二中心波长；
S04：第四步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流的条件下，调节半导体激光器底部的散热板的温度至测试温度，使得半导体激光器发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值；
S05：第五步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流且散热板的温度为测试温度的条件下，调节体光栅的角度直至从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。
参考图2，半导体激光器10出射的光经过透镜20准直后入射至体光栅30，体光栅30会将符合其衍射波长的部分激光反馈回半导体激光器10内，并且反馈回半导体激光器10的光将在模式竞争中获胜，最终实现波长锁定。半导体激光器10底部具有散热板40。在图2中实线A表示从半导体激光器10出射的光，虚线B表示从体光栅30反馈的光。
本实施例中，所述半导体激光器10为半导体激光器芯片，所述散热板40为热沉。所述散热板40的底部具有底壳50，底壳50的底部设置有控温台60。
所述第一阈值为0纳米～0.5纳米，如0纳米、0.1纳米、0.2纳米、0.3纳米、0.4纳米或0.5纳米。
优选的，所述第一阈值为0纳米。第三中心波长位于所述波长锁定范围的一个边界。
本实施例中，所述体光栅30的波长锁定范围为(λ0－K)～(λ0+K)；λ0为体光栅30锁定的中心波长。
本实施例中，所述体光栅30具有峰值衍射效率。所述半导体激光器10的前腔面适于出射激光。根据所述前腔面的反射率和所述峰值衍射效率获取K的取值。通常，在波长锁定调节之前，就能获知体光栅30的峰值衍射效率以及前腔面的反射率，而根据体光栅30的峰值衍射效率以及前腔面的反射率就能计算出K的取值，因此在波长锁定调节之前，能获知体光栅30的波长锁定范围为(λ0－K)～(λ0+K)。具体的，前腔面的反射率小于等于2％。
所述半导体激光器10还具有后腔面，所述后腔面和前腔面相对设置，所述后腔面的反射率大于95％，前腔面的反射率小于等于2％。
在一个实施例中，当体光栅30的峰值衍射效率为10％，前腔面的反射率为1％时，K为3纳米。
若第一中心波长在体光栅30的波长锁定范围内时，则进行后续的调节步骤，也就是说，当半导体激光器10和所述体光栅30相互匹配时，才会进行后续的调节步骤。
所述第一电流小于所述工作电流。所述半导体激光器具有阈值电流，所述第一电流为所述阈值电流的3倍～4倍，如3倍、3.5倍、4倍。第一电流采用该范围有效降低腔面灾变损伤发生概率。
在半导体激光器10中的电流为第一电流的条件下，调节半导体激光器10底部的散热板40的温度至测试温度，使得半导体激光器10发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值，第三中心波长位于所述波长锁定范围的边界的附近，该步骤中利用了温度波长漂移特征实现半导体激光器10接近波长锁定状态。之后，在在半导体激光器10中的电流为第一电流且散热板40的温度为测试温度的条件下，调节体光栅30的角度直至从体光栅30出射的光的光谱图中旁瓣消失，也就是调节体光栅30的角度直至达到最佳锁定效果。而在达到最佳锁定效果的过程中，由于在较小的第一电流下使得半导体激光器10接近锁定状态且调节好体光栅30的角度，因此，避免了在波长锁定调节过程中发生腔面灾变损伤的问题。且该方法能达到最佳的波长锁定效果，即使半导体激光器10在运输和使用过程中发生模块碰撞、形变，也不会发生失锁的问题，因此波长锁定状态的稳定性得到提高。其次，上述方法操作的难度降低，容易进行波长锁定调节。
本实施例中，采用该方法进行波长锁定后能够实现全电流、宽温度范围的波长锁定。
在一个实施例中，第三中心波长为λ0－K，当第三中心波长为λ0－K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure BDA0003014128350000081
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器10发出激光的中心波长的变化与散热板40温度变化的比值。
在另一个实施例中，第三中心波长为λ0+K，当第三中心波长为λ0+K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure BDA0003014128350000091
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器10发出激光的中心波长的变化与散热板40温度变化的比值。
需要说明的是，A的取值能在波长锁定调节之前就通过测试方法获取到，具体的，在半导体激光器10中通入一定的测试电流，在测试电流固定的条件下，调节散热板40的温度，相应的测试出半导体激光器10发出激光的中心波长，从而获取到一定的测试电流下的半导体激光器10发出激光的中心波长的变化与散热板40温度变化的比值；调节测试电流，在不同的测试电流下测试出半导体激光器10发出激光的中心波长的变化与散热板40温度变化的比值。
在一个实施例中，散热板40的温度每升一度，半导体激光器10出射光的波长向长波方向漂移0.3纳米～0.5纳米，如0.4纳米；半导体激光器10中的电流每升高1A，半导体激光器10出射光的波长向长波方向漂移0.6纳米～0.7纳米，如0.65纳米。
本实施例中，半导体激光器波长锁定方法还包括：
S06：第六步骤：进行第五步骤之后，将散热板40的温度调节至工作温度，将半导体激光器10的电流调节至工作电流；
S07：第七步骤：进行第六步骤之后，测试波长锁定效果，若第六步骤之后从体光栅30出射的光的光谱图中出现旁瓣，则重复第三步骤至第六步骤，直至第六步骤之后从体光栅30出射的光的光谱图中旁瓣消失。
本实施例中，进行第五步骤之后，将散热板40的温度调节至工作温度，将半导体激光器10的电流调节至工作电流。由于半导体激光器自由运转的中心波长会随着温度与电流的变化而变化，因此在将散热板40的温度调节至工作温度，将半导体激光器10的电流调节至工作电流之后，也能保证较好的波长锁定状态。
本实施例中，第六步骤之后，测试波长锁定效果，若第六步骤之后从体光栅30出射的光的光谱图中出现旁瓣，则重复第三步骤至第六步骤，直至第六步骤之后从体光栅30出射的光的光谱图中旁瓣消失，这样使得半导体激光器10实际工作过程中也能保证最佳的锁定效果。
需要说明的是，本实施例中，采用光谱仪测试体光栅30出射的光的光谱图中的旁瓣是否消失。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，包括：
第一步骤：提供半导体激光器和体光栅，半导体激光器底部设置有散热板；
第二步骤：在半导体激光器在工作电流以及散热板在工作温度下，测试半导体激光器的第一中心波长，若第一中心波长在体光栅的波长锁定范围内时，则进行第三步骤；
第三步骤：调节半导体激光器中的电流至第一电流，第一电流小于半导体激光器的工作电流，并保持散热板处于工作温度的条件下，测试半导体激光器的第二中心波长；
第四步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流的条件下，调节半导体激光器底部的散热板的温度至测试温度，使得半导体激光器发出具有第三中心波长的激光，第三中心波长与所述波长锁定范围的一个边界之间的差值小于等于第一阈值；
第五步骤：在半导体激光器中的电流为第一电流且散热板的温度为测试温度的条件下，调节体光栅的角度直至从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，所述第一阈值为0纳米～0.5纳米。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，第三中心波长位于所述波长锁定范围的一个边界。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，所述体光栅的波长锁定范围为(λ0-K)～(λ0+K)；λ0为体光栅锁定的中心波长；第三中心波长为λ0-K；
当第三中心波长为λ0-K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure FDA0003014128340000021
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器发出激光的中心波长的变化与散热板温度变化的比值。
5.根据权利要求3所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，所述体光栅的波长锁定范围为(λ0-K)～(λ0+K)；λ0为体光栅锁定的中心波长；第三中心波长为λ0+K；
当第三中心波长为λ0+K时，所述测试温度与所述工作温度的关系为：
Figure FDA0003014128340000022
Ttesr为测试温度，T0为工作温度，λ2为第二中心波长，A为半导体激光器发出激光的中心波长的变化与散热板温度变化的比值。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，所述半导体激光器具有阈值电流，所述第一电流为所述阈值电流的3倍～4倍。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，还包括：第六步骤：进行第五步骤之后，将散热板的温度调节至工作温度，将半导体激光器的电流调节至工作电流。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，还包括：第七步骤：进行第六步骤之后，测试波长锁定效果，若第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中出现旁瓣，则重复第三步骤至第六步骤，直至第六步骤之后从体光栅出射的光的光谱图中旁瓣消失。
9.根据权利要求4或5所述的半导体激光器波长锁定方法，其特征在于，所述体光栅具有峰值衍射效率；所述半导体激光器的前腔面适于出射激光；根据所述前腔面的反射率和所述峰值衍射效率获取K的取值。
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