CN114899704A - 基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，属于激光技术领域，包括位于同一直线光路上的半导体激光管、准直透镜、干涉滤光片和角锥阵列外腔反射镜；半导体激光管输出光经过准直透镜投射在角锥阵列外腔反射镜上形成反馈激光，半导体激光管与角锥阵列外腔反射镜之间形成谐振腔；角锥阵列外腔反射镜包括相对的平面和角锥面，角锥面由角锥阵列构成，角锥阵列外腔反射镜的平面或角锥面面向干涉滤光片，通过角锥阵列的内表面或外表面反射一部分激光作为反馈激光，以及透射一部分激光。本激光器结构简单、抗环境干扰能力强，能够实现高频率稳定性的窄线宽激光输出。

Description

基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器。

背景技术

半导体激光器通过电注入方式将电子注入有源区的导带，空穴注入价带，实现激光输出，但是由于输出激光发散角大且光谱谱线较宽的缺点限制了其应用；为了优化半导体激光器的性能，外腔半导体激光器通过将谐振腔延伸到半导体激光器外面，使激光线宽压窄到百kHz量级以下，稳定性好、光束相干性有所提高且波长调谐范围宽，已广泛应用于高分辨率光谱分析、光纤通信、光存储及光频标等领域。

现有外腔半导体激光器中干涉片外腔半导体激光器的实现方法通常是半导体激光管输出光通过准直透镜进行准直，准直后的激光通过窄带干涉滤光片进行选模，由聚焦透镜聚焦到反射腔镜上，再由透镜准直输出，其中反射镜上固定压电陶瓷，半导体制冷器(TEC)安置在激光器的底部，通过电压调节微调激光器的腔长和改变激光器的温度来改变激光输出频率。其中外腔反射镜采用平面镜或单角锥，这种外腔反射镜会带来一些弊端：1)入射激光经过平面镜或单个角锥反射后只有一种角度的光投射到出射激光管导致安装难度大，其对平面镜或单角锥的机械固定方式要求极高，从而加大安装难度；2)由平面镜或单角锥做外腔反射镜的干涉片激光器对外界环境极为敏感，固定器件老化、机械振动及固定器件不紧都极易引起谐振腔内模式的抖动，影响激光波长的稳定性；3)平面反射腔镜的角度敏感性极强，安装过程中或器件老化的原因都会不同程度地导致激光角度的偏折，影响激光增益介质抽运的不均匀性，影响激光波长的稳定性。

2017年，量子光学与光量子器件国家重点实验室刘金玉等研究了利用平面高反镜作为外腔反射腔镜，其中平面高反镜粘贴在空心圆柱形压电陶瓷上，这种平面反射镜及固定方式安装难度大且极易受环境(振动、温度等)的影响，导致输出激光波长的不稳定性。

发明内容

针对现有技术中由于平面镜或单角锥的外腔反射镜的角度敏感性、固定腔镜器件老化、机械振动、固定不紧及安装难度大造成的输出激光频率不稳定的技术瓶颈，为了解决现有技术中由于外腔反射镜的不稳定性导致激光频率稳定性差的问题，本发明提出了一种新型的角锥阵列作为反射镜的干涉片激光器，本发明实现的激光器结构简单、抗环境干扰能力强，能够实现高频率稳定性的窄线宽激光输出。

本发明提供的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器的新颖性和创造性体现在：本发明基于角锥阵列外腔反射镜的高机械稳定性的优势，提供一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，可以克服现有技术利用平面外腔反射镜易受环境影响及器件老化降低激光频率稳定性的不足，本发明利用简易的光学器件实现了一种对环境要求较低且性能指标更稳定的干涉片激光器。本发明创新性地提出在角锥阵列外腔反射镜的单个角锥的反射面设计不平整的反射面，当激光管输出激光通过角锥阵列的逆向平行反射，激光管输出的激光经过角锥阵列内不同角锥面的反射将激光以平行入射光线的方向返回，即便角锥阵列外腔反射镜角度由于环境因素发生变动也有激光经过角锥阵列的多面反射形成谐振激光，本发明选择角锥阵列作为谐振腔的外腔反射镜，其结构简单、易于实现应用且可靠性高，同时整套装置原理明晰、设备简单、价格低廉且工作稳定，得到的高稳定窄线宽干涉片激光器对激光稳频、高精密光谱测量和生物医学检测等领域具有重大影响。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，包括位于同一直线光路上的半导体激光管、准直透镜、干涉滤光片和角锥阵列外腔反射镜；其中，半导体激光管输出光经过准直透镜投射在角锥阵列外腔反射镜上形成反馈激光，半导体激光管与角锥阵列外腔反射镜之间形成谐振腔；干涉滤光片位于准直透镜和角锥阵列外腔反射镜之间，并通过旋转一倾斜角度得到目标波长；角锥阵列外腔反射镜包括相对的平面和角锥面，角锥面由角锥阵列构成，角锥阵列外腔反射镜的平面或角锥面面向干涉滤光片，通过角锥阵列的内表面或外表面反射一部分激光作为反馈激光，以及透射一部分激光。

优选地，角锥阵列外腔反射镜为倾角角锥阵列外腔反射，其平面为一倾斜面，并与干涉滤光片一体成型或粘合一起，其倾斜角度为通过干涉滤光片能够得到目标波长的倾斜角度。

优选地，还包括一压电陶瓷，该压电陶瓷为中空圆柱状，中空区域用于穿过激光，该压电陶瓷与角锥阵列外腔反射镜的平面或角锥面粘合一起，通过电压控制该压电陶瓷轴向长度来改变谐振腔腔长。

优选地，压电陶瓷的不与角锥阵列外腔反射镜粘合的一侧为直面，压电陶瓷的该直面与干涉滤光片相互不接触。

优选地，压电陶瓷的不与角锥阵列外腔反射镜粘合的一侧为倾斜面，压电陶瓷的该倾斜面与干涉滤光片相互粘合，其倾斜角度为通过干涉滤光片能够得到目标波长的倾斜角度。

优选地，角锥阵列外腔反射镜镀膜反射波长与半导体激光管输出的中心波长一致。

优选地，角锥阵列外腔反射镜的最大边界距离为半英寸或一英寸，其中单个角锥的最长边缘尺寸为微米量级。

优选地，角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；通过改变三棱锥镜的高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽。

优选地，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的三棱锥镜为正三棱锥，其三个侧面为互相垂直的等腰直角三角形，底面为等边三角形。

本发明的实现步骤如下：用固体胶将圆柱状压电陶瓷和角锥阵列外腔反射镜紧固在一起，其中圆柱状压电陶瓷采用中空圆柱状，以便于激光可以穿过压电陶瓷投射在角锥阵列外腔反射镜上；半导体激光管输出光经过准直透镜投射在角锥阵列外腔反射镜上形成反馈激光，其输出光为宽光谱激光，峰值波长为半导体激光管中心波长；将干涉滤光片安置在准直透镜和角锥阵列外腔反射镜之间，通过旋转干涉滤光片的角度得到目标波长；微微改变压电陶瓷的控制电压来改变谐振腔腔长，精细调节压电陶瓷的控制电压来精确控制激光波长。

附图说明

图1为本发明提供的第一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器；

图中：1-半导体激光管、2-准直透镜、3-干涉滤光片、4-圆柱状压电陶瓷、5-角锥阵列外腔反射镜。

图2为本发明提供的另一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器；

图中：1-半导体激光管、2-准直透镜、3干涉滤光片、6-倾角角锥阵列外腔反射镜。

图3为本发明提供的再一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器；

图中：1-半导体激光管、2-准直透镜、3-干涉滤光片、5-角锥阵列外腔反射镜、7-倾角压电陶瓷。

图4为实施例中三棱锥角锥阵列外腔反射镜俯视图。

图5为实施例中角锥阵列外腔反射镜侧视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明提供的一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，系统包括：半导体激光管1、准直透镜2、干涉滤光片3、圆柱状压电陶瓷4、角锥阵列外腔反射镜5。具体实施时，用固体胶将圆柱状压电陶瓷4和角锥阵列外腔反射镜5粘合在一起，其中圆柱状压电陶瓷4采用中空圆柱状，以便于激光可以穿过压电陶瓷4投射在角锥阵列外腔反射镜5上；半导体激光管1输出光经过准直透镜2投射在角锥阵列外腔反射镜5上形成反馈激光，其输出光为宽光谱激光，峰值波长为半导体激光管中心波长，其将干涉滤光片3安置在准直透镜2和角锥阵列外腔反射镜5之间，通过旋转干涉滤光片3的角度得到目标波长；微微改变压电陶瓷5的控制电压来改变谐振腔腔长，精细调节压电陶瓷5的控制电压来精确控制激光波长。其中在角锥阵列外腔反射镜5的角锥面镀高反膜，利用角锥面内表面对激光进行反射。

图2为本发明提供的另一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，系统包括：半导体激光管1、准直透镜2、干涉滤光片3和倾角角锥阵列外腔反射镜6。倾角角锥阵列外腔反射镜6为平面是斜面的角锥阵列外腔反射镜，具体实施时，在倾角角锥阵列外腔反射镜6的角锥面镀高反膜，利用角锥面内表面对激光进行反射，平面端与激光入射面垂直方向呈8-12度倾角，倾角角锥阵列外腔反射镜6与干涉滤光片3为一体成型或二者粘合一起，若为一体成型，可通过在平面端加工干涉条纹来实现干涉滤光片3和倾角角锥阵列外腔反射镜6一体化，增强系统的稳定性。半导体激光管1输出光经过准直透镜2投射在干涉滤光片3和倾角角锥阵列外腔反射镜6上，微调干涉滤光片3和倾角角锥阵列外腔反射镜6的角度来实现窄线宽高稳定干涉片激光输出。

图3为本发明提供的再一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，系统包括：半导体激光管1、准直透镜2、干涉滤光片3、角锥阵列外腔反射镜5和倾角压电陶瓷7。具体实施时，在角锥阵列外腔反射镜5的角锥面镀高反膜，利用角锥面外表面对激光进行反射，再将角锥阵列外腔反射镜5粘合在倾角压电陶瓷7的平面端，干涉滤光片3粘合在倾角压电陶瓷7的斜面端，干涉滤光片、倾角压电陶瓷7和角锥阵列外腔反射镜5为一体化器件；半导体激光管1输出光经过准直透镜2投射在角锥阵列外腔反射镜5上，微调倾角压电陶瓷7的角度来改变谐振腔中心输出波长，精细调节倾角压电陶瓷7的控制电压来精确控制激光波长。其中在角锥阵列外腔反射镜5的角锥面镀高反膜，利用角锥面外表面对激光进行反射。

角锥阵列外腔反射镜可以选择使用三棱锥型。三棱锥型角锥阵列外腔反射镜如图4所示，为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列。正三棱锥角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的一种，其三个侧面为互相垂直的等腰直角三角形，底面为等边三角形。无论是哪一种形状的角锥阵列外腔反射镜，其都是具有一平面侧和一相对的锥面侧，如图5所示，锥面侧的锥面的外侧和内侧都可以对激光进行一定程度的反射和透射，即激光垂直射在平面侧时，锥面内侧对激光进行反射和透射，激光垂直射在锥面侧时，锥面外侧对激光进行反射和透射，反射的激光沿原路返回。这样无论是从哪一面射在角锥阵列外腔反射镜上，其都可以对激光进行一部分的原路反射和一部分的透射输出。通过改变三棱锥镜高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽，具体实施时通过更换实现。

最后需要注意的是，上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，为了提供简易稳定的干涉片激光器，本发明将角锥阵列作为外腔反射镜，即便在震动性较强的环境中，只要有激光透射在角锥阵列外腔反射镜上就会有谐振模式输出，极大地提高激光模式的稳定性。本领域技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。

Claims (9)

1.一种基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，包括位于同一直线光路上的半导体激光管、准直透镜、干涉滤光片和角锥阵列外腔反射镜；其中，半导体激光管输出光经过准直透镜投射在角锥阵列外腔反射镜上形成反馈激光，半导体激光管与角锥阵列外腔反射镜之间形成谐振腔；干涉滤光片位于准直透镜和角锥阵列外腔反射镜之间，并通过旋转一倾斜角度得到目标波长；角锥阵列外腔反射镜包括相对的平面和角锥面，角锥面由角锥阵列构成，角锥阵列外腔反射镜的平面或角锥面面向干涉滤光片，通过角锥阵列的内表面或外表面反射一部分激光作为反馈激光，以及透射一部分激光。

2.如权利要求1所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜为倾角角锥阵列外腔反射，其平面为一倾斜面，并与干涉滤光片一体成型或粘合一起，其倾斜角度为通过干涉滤光片能够得到目标波长的倾斜角度。

3.如权利要求1所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，还包括一压电陶瓷，该压电陶瓷为中空圆柱状，中空区域用于穿过激光，该压电陶瓷与角锥阵列外腔反射镜的平面或角锥面粘合一起，通过电压控制该压电陶瓷轴向长度来改变谐振腔腔长。

4.如权利要求3所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，压电陶瓷的不与角锥阵列外腔反射镜粘合的一侧为直面，压电陶瓷的该直面与干涉滤光片相互不接触。

5.如权利要求3所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，压电陶瓷的不与角锥阵列外腔反射镜粘合的一侧为倾斜面，压电陶瓷的该倾斜面与干涉滤光片相互粘合，其倾斜角度为通过干涉滤光片能够得到目标波长的倾斜角度。

6.如权利要求1所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜镀膜反射波长与半导体激光管输出的中心波长一致。

7.如权利要求1所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜的最长边缘长度为半英寸或一英寸，其中单个角锥的最长边缘长度为微米量级。

8.如权利要求1所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；通过改变三棱锥镜高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽。

9.如权利要求8所述的基于角锥阵列外腔反射镜的干涉片激光器，其特征在于，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的三棱锥镜为正三棱锥，其三个侧面为互相垂直的等腰直角三角形，底面为等边三角形。

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