CN115603172B - 一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，包括在光路上依次设置：增益芯片、第一准直镜、温度相位补偿器件、闪耀光栅、微会聚透镜、至少一个可变角度反射器、第二准直镜、振动相位补偿器件、光隔离器，还包括微位移驱动器，微位移驱动器带动闪耀光栅在其光线传播方向上做直线运动；可变角度反射器绕其中心做旋转运动。本发明通过微位移驱动器带动闪耀光栅在其光线传播方向上直线运动和可变角度反射器绕其中心的旋转运动代替现有技术中反射元件的摆动的运动方式，及通过多个可变角度反射器相互配合的旋转反射，缩小Littman结构外腔激光器整体结构尺寸，提高了扫频频率。

Description

一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别是一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器。

背景技术

可调谐半导体激光器具有单模性质稳定、能量转换效率高、易于封装集成和光谱可调谐范围广等诸多优势，在光纤通信传输、超精密测量、光学相干层析成像、激光雷达测距和生物环境监控等领域有着广泛的应用。Littman型激光器是一种可调谐半导体激光器，是基于光栅分光效应和激光谐振原理的典型外腔可调谐波长元件，经过几十年的数据迭代，已经具有较大的技术成熟度，但是仍处于实验室研究阶段。

传统Littman结构激光器的结构，如图1所示，其组成包括：激光芯片101，准直镜102、闪耀光栅103、第一反射镜104、轴点105、摆臂106。波长调谐时，需要通过摆臂106带动第一反射镜104绕轴点105摆动，才能激发输出稳定连续的光谱信息，如图2所示。

第一反射镜104摆动方式，可分解为旋转运动和直线运动。反射镜单一旋转的外腔激光器结构，如图3所示，与如图1所示的传统Littman结构激光器的结构相比，唯一的变化为：第二反射镜114只绕其中心做旋转运动，通过模拟实验发现：当第二反射镜114连续旋转，激发的光谱信息类型为非连续性的阶梯式，如图4所示。反射镜单一直线运动的外腔激光器结构，如图5所示，与如图1所示的传统Littman结构激光器的结构相比，唯一的变化为：第三反射镜124只沿着其光线传播方向做往复直线运动，通过模拟实验发现：第三反射镜124往复直线运动时，激发的光谱信息类型为重复的锯齿形，如图6所示。

传统Littman结构激光器的反射镜的移动方式为摆动，这种移动方式占用空间大，且抗干扰能力不足。此外，在一些特殊的应用场合，如医学领域，需要体积更小，扫频速率更快的可调谐半导体激光器。

发明内容

为了解决现有技术不足，本发明提供一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，缩小整体结构尺寸，提高扫频速度。

本发明采用的技术方案如下：一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，包括在光路上依次设置：增益芯片、第一准直镜、温度相位补偿器件、闪耀光栅、微会聚透镜、反射元件、第二准直镜、振动相位补偿器件、光隔离器，其中，所述闪耀光栅与微位移驱动器机械连接，所述微位移驱动器带动所述闪耀光栅在其光线传播方向上做往复直线运动；所述反射元件为至少一个可变角度反射器，光依次通过每个所述可变角度反射器；所述可变角度反射器绕其中心做旋转运动。

作为其中一个优选方案，所述可变角度反射器为MEMS扫描镜、机械振镜或镀膜反射镜中的一种。

进一步优选地，所述微位移驱动器为机电驱动器、电磁驱动器、压电伸缩驱动器、电致伸缩驱动器或磁致伸缩驱动器中的一种。

进一步优选地，还包括数据处理器，所述数据处理器分别与所述增益芯片、所述温度相位补偿器件、所述微位移驱动器、所述可变角度反射器和所述振动相位补偿器件电连接。

进一步优选地，还包括光谱监测单元，所述光谱监测单元设置于所述闪耀光栅反射出的零级光的光路上，并与所述数据处理器电连接。

进一步优选地，所述的光谱监测单元包括在光路上依次设置：标准具模块和光电探测器。

进一步优选地，所述的光谱监测单元还包括在光路上依次设置：透射光栅器件和光电探测器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明通过微位移驱动器带动闪耀光栅在其光线传播方向上直线运动和可变角度反射器绕其中心的旋转运动代替现有技术中反射镜摆动运动方式，因不使用占据大量空间的摆臂，减少Littman结构外腔激光器的整体结构尺寸；又因将一种摆动驱动方式变为直线和旋转两种驱动方式，及通过多个可变角度反射器的相互配合旋转反射，减小了可变角度反射器的摆动范围，从而提高Littman结构外腔激光器的扫频频率，同时也提高抗干扰性。

附图说明

图1传统Littman结构激光器的光学原理示意图。

图2传统Littman结构激光器的光谱信息图。

图3反射镜单一旋转的外腔激光器的光学原理示意图。

图4反射镜单一旋转的外腔激光器的光谱信息图。

图5反射镜单一直线运动外腔激光器的光学原理示意图。

图6反射镜单一直线运动的外腔激光器的光谱信息图。

图7为本发明的实施例1提供的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器示意图。

图8为本发明的实施例2提供的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器示意图。

图9 ZEMAX系统模拟具有1个和2个MEMS扫描镜的光路图。

图10 ZEMAX系统模拟具有1个和2个MEMS扫描镜的光路图的数据表。

图11为本发明实施例2中电流为120mA时的光谱线图。

背景技术的附图标记含义如下：101、激光芯片；102、准直镜；103、闪耀光栅；104、第一反射镜；105、轴点；106、摆臂；114、第二反射镜；124、第三反射镜。

实施例的附图标记含义如下：1、增益芯片；2、第一准直镜；3、温度相位补偿器件；4、第一闪耀光栅；5、机电驱动器；6、标准具模块；7、第一光电探测器；8、微会聚透镜；9、第一MEMS扫描镜；10、第二MEMS扫描镜；11、第二准直镜；12、振动相位补偿器件；13、光隔离器；14、光纤；15、数据处理器；16、光谱监测单元；17、第二光电探测器；18、透射光栅器件；S1、第二闪耀光栅；M1、第三MEMS扫描镜；M2、第四MEMS扫描镜。

具体实施方式

本发明的实施例1提供一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，如图7所示，包括在光路上依次设置：增益芯片1、第一准直镜2、温度相位补偿器件3、第一闪耀光栅4、微会聚透镜8、第一MEMS扫描镜9、第二准直镜11、振动相位补偿器件12、光隔离器13。

第一闪耀光栅4与机电驱动器5机械连接，机电驱动器5带动所述第一闪耀光栅4在其光线传播方向上做往复直线运动。

第一闪耀光栅4的闪耀角为26.45°，闪耀波长为1530nm，线数为600g/mm。

微位移驱动器为机电驱动器5，驱动范围为±0.5mm，谐振频率为3KHz。

反射元件为第一MEMS扫描镜9，第一MEMS扫描镜9通过自己驱动装置绕其中心旋转。

第一MEMS扫描镜9的谐振频率为5KHz，扫描角度范围为±2.5°。

光谱监测单元16位于第一闪耀光栅4射出零级光路上，且与数据处理器15电连接。

光谱监测单元16由标准具模块6和第一光电探测器7组成。第一闪耀光栅4射出零级光经过标准具模块6到达第一光电探测器7。

标准具模块6的工作波长范围为1500nm至1620nm。第一光电探测器7的分辨率为4800×4800，像素尺寸为10微米。

数据处理器15控制增益芯片1从透过率为99.5%的一侧射出宽谱发散光束，该光束的宽谱波段范围在1300nm至1600nm之间，X轴发散角为18°，Y轴发散角为41°，施加的外部电流为120mA，经过焦距为0.55mm的第一准直镜2时，通过调整其空间位置，改变输出光束的发散角，使其变成准直光束，准直后的光束经过数据处理器15控制的温度相位补偿器件3时，其初始温度阈值为20摄氏度，其使得光束不受温度的影响而改变其光谱信息，其对光束进行波长的校准，校准后的光束传播至第一闪耀光栅4时，通过其光栅色散效应将光束分解成为多级衍射光，包括：一级衍射光、零级光和其他级次的衍射光 ，其中一级衍射光经过焦距为20mm的微会聚透镜8时，其对光束进行矫正，改变光束的会聚程度，减小了谐振时的能量损耗，矫正后的光束经过第一MEMS扫描镜9时，数据处理器15控制第一MEMS扫描镜9旋转一定角度后，将一级衍射光反射到微会聚透镜8，其对光束再次矫正，矫正后的一级衍射光再次经过第一闪耀光栅4时，数据处理器15控制的机电驱动器5带动第一闪耀光栅4在光线传播方向上移动一定距离后，再将一级衍射光反射出去，反射出一级衍射光依次经过温度相位补偿器件3、第一准直镜2后，进入增益芯片1中进行能量放大，其放大功率倍数为50倍，放大后的一级衍射光会从增益芯片1透过率为90%的一侧射出，进入焦距为8mm的第二准直透镜11时，其对一级衍射光的发散角进行矫正，被矫正一级衍射光经过数据处理器15控制的振动相位补偿器件12时，其对一级衍射光进行波长校准，校准后的一级衍射光传播至光隔离器13，其对一级衍射光的方向进行筛选，保证了光束传播方向的一致性，最后将方向一致的一级衍射光耦合进去光纤14中。

被第一闪耀光栅4分解成为零级光进入标准具模块6，零级光在标准具模块6内部发生干涉效应，形成的干涉条纹，并会在数据处理器15控制的第一光电探测器7上显示，利用条纹间距和强度的变化，可计算出其对应的光谱波段，进而可对零级光进行波长监测，提高了输出波段的准确性。

当数据处理器15控制第一MEMS扫描镜9连续旋转时，等效背景技术中的传统Littman型激光器的反射镜单一旋转，产生光谱信息为非连续性的阶梯式光谱信息。当数据处理器15控制机电驱动器5带动第一闪耀光栅4在光线传播方向上往复直线运动时，等效背景技术中的传统Littman型激光器的反射镜在其光线传播方向上直线运动，产生光谱信息为重复的锯齿形光谱信息。当连续性的阶梯式光谱信息和重复的锯齿形光谱信息合并后得到连续的光谱信息，与背景技术中的传统Littman型激光器的反射镜摆动时产生连续的光谱信息相同。

通过第一MEMS扫描镜9旋转运动和机电驱动器5带动第一闪耀光栅4做直线运动代替的现有技术中的摆动的运动方式，因不用使用占据大量空间的摆臂，所以缩小了整体结构尺寸。同时，通过机电驱动器和第一MEMS扫描镜的本身驱动器调节，相对于现有技术中的一个摆动的驱动装置调节，具有更快的调节速度，使得Littman型激光器的扫频频率得到有效提升。

用旋转运动和直线运动两种运动方式代替一种摆动的运动方式，相对于现有技术，提高Littman结构外腔激光器的抗干扰性。

零级光在标准具模块6内部发生干涉效应，形成的干涉条纹会在第一光电探测器7上显示，利用条纹间距和强度的变化，可计算出对应的光谱波段，进而可对零级光进行波长监测，提高了输出波段的准确性。

本发明的实施例2与实施例1主要的不同之处在于：具有2个可变角度反射器。

本发明的实施例2提供一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，如图8所示，包括在光路上依次设置：增益芯片1、第一准直镜2、温度相位补偿器件3、第一闪耀光栅4、微会聚透镜8、第一MEMS扫描镜9、第二MEMS扫描镜10、第二准直镜11、振动相位补偿器件12、光隔离器13。

第一闪耀光栅4与机电驱动器5机械连接，机电驱动器5带动所述第一闪耀光栅4在其光线传播方向上做往复直线运动。

第一闪耀光栅4的闪耀角为26.45°，闪耀波长为1530nm，线数为600g/mm。

微位移驱动器为机电驱动器5，驱动范围为±0.5mm，谐振频率为3KHz。

反射元件由第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10组成。光束依次通过第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10。

第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10通过自身驱动装置绕其中心旋转。第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10的谐振频率都均为5KHz，扫描角度范围均为±2.5°。

光谱监测单元16位于第一闪耀光栅4射出零级光路上，且与数据处理器15电连接。

光谱监测单元16由透射光栅器件18和第二光电探测器17组成。第一闪耀光栅4射出零级光经过透射光栅器件18到第二达光电探测器17。

透射光栅器件18的工作波长范围为1300nm至1600nm；第二光电探测器18的分辨率为45×9600，像素尺寸为10微米。

数据处理器15控制增益芯片1从透过率为99.5%的一侧射出宽谱发散光束，该光束的宽谱波段范围在1300nm至1600nm之间，X轴发散角为18°，Y轴发散角为41°，施加的外部电流为120mA，经过焦距为0.55mm的第一准直镜2时，通过调整其空间位置，改变输出光束的发散角，使其变成准直光束，准直后光束经过数据处理器15控制的温度相位补偿器件3时，其初始温度阈值为20摄氏度，使得该光束不受温度的影响而改变其光谱信息，其对光束进行波长的校准，校准后的光束传播至第一闪耀光栅4时，通过其光栅色散效应将校准的光束分解成为多级衍射光，包括：一级衍射光、零级光和其他级次的衍射光 ，其中一级衍射光经过焦距为20mm的微会聚透镜8时，其对光束进行矫正，改变光束的会聚程度，减小了谐振时的能量损耗。

矫正后的一级衍射光进入第一MEMS扫描镜9时，数据处理器15控制第一MEMS扫描镜9旋转一定角度后，将入射一级衍射光反射到第二MEMS扫描镜10，之后，数据处理器15控制第二MEMS扫描镜10旋转一定角度后，将入射的一级衍射光反射到第一MEMS扫描镜9，之后，数据处理器15再次控制第一MEMS扫描镜9将入射的一级衍射光反射到微会聚透镜8。

通过第一MEMS微扫描镜9和第二MEMS扫描镜10相互配合的旋转反射，相对于用一个MEMS扫描镜旋转反射，减小了MEMS扫描镜的摆动范围。

图9为ZEMAX系统模拟具有1个和2个MEMS扫描镜的光路图，图a为：从第二闪耀光栅S1上m点射出的光束，经第三MEMS扫描镜M1和第四MEMS扫描镜M2依次反射到第二闪耀光栅S1上m点的光路图。图b为：从第二闪耀光栅S1上m点射出的光束，经第三MEMS扫描镜M1和第四MEMS扫描镜M2依次反射到第二闪耀光栅S1上n点的光路图。图c为：从第二闪耀光栅S1上m点射出的光束，经第三MEMS扫描镜M1反射到第二闪耀光栅S1上m点的光路图。图d为从第二闪耀光栅S1上m点射出的光线，经第三MEMS扫描镜M1反射到第二闪耀光栅S1上n点的光路图。

通过图10可知：经第三MEMS扫描镜M1和第四MEMS扫描镜M2依次反射到第二闪耀光栅上n点，第三MEMS扫描镜M1和第四MEMS扫描镜 M2分别旋转1.5°。经第三MEMS扫描镜M1反射到第二闪耀光栅上n点，第三MEMS扫描镜M1旋转8°。

通过ZEMAX系统模拟可知：使用2个MEMS扫描镜将光反射到n点比使用1个MEMS扫描镜将光反射到n点的调节角度小。即可证明：使用2个MEMS扫描镜的系统调节范围小于使用1个MEMS扫描镜的系统调节范围。

经过第三MEMS扫描镜M1和第四MEMS扫描镜M2两次反射后的光束为窄线宽的单模激光，如图11所示，在调谐波长1485nm至1595nm的范围内，其边模抑制比均在-25dB以上。

进入微会聚透镜8的一级衍射光进行再次矫正，矫正后的一级衍射光再次经过第一闪耀光栅4时，数据处理器15控制的机电驱动器5带动第一闪耀光栅4在光线传播方向上移动一定距离后，将一级衍射光再次反射出去，反射出一级衍射光依次经过温度相位补偿器件3、第一准直镜2后，再次进入增益芯片1进行能量放大，放大功率倍数为50倍，放大后的一级衍射光会从增益芯片1透过率为90%的一侧射出，进入焦距为8mm的第二准直镜11时，其对一级衍射光的发散角进行矫正，被矫正一级衍射光经过数据处理器15控制的振动相位补偿器件12时，其对一级衍射光进行波长校准，校准后的一级衍射光传播至光隔离器13时，其对一级衍射光的方向进行筛选，保证了光束传播方向的一致性，最后将方向一致的一级衍射光耦合进去光纤14中。

被第一闪耀光栅4分解成为零级光经过透射光栅器件18时，其将不同波段的零级光形成分布位置不同的衍射光，最后照射在第二光电探测器17的不同位置上，每一个光斑位置对应着不同的光谱波段，利用其线性关系式便可以计算出相应的光谱信息，进而可对零级光进行波长监测，提高了输出波段的准确性。

通过第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10相互配合旋转运动和机电驱动器5带动第一闪耀光栅4做直线运动代替现有技术中的摆动的运动方式，所以简缩小整体结构尺寸，加快调节速度。

同时，通过第一MEMS扫描镜9和第二MEMS扫描镜10相互配合，致使一级衍射光经过了多次传播，从而增加了谐振腔长，获得较窄线宽的激射光谱，相对于实施例1方案，减少了MEMS扫描镜的摆动范围，提高了其谐振频率，实现快速调谐波长。

本发明通过微位移驱动器带动闪耀光栅在其光线传播方向上直线运动和可变角度反射器绕其中心的旋转运动代替现有技术中反射镜摆动运动方式，因不使用占据大量空间的摆臂，减少Littman结构外腔激光器的整体结构尺寸；又因将一种摆动驱动方式变为直线和旋转两种驱动方式，及通过多个可变角度反射器的相互配合旋转反射，减少了可变角度反射器的摆动范围，从而提高Littman结构外腔激光器的扫频频率，同时也提高抗干扰性。

Claims (7)

1.一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，包括在光路上依次设置：增益芯片、第一准直镜、温度相位补偿器件、闪耀光栅、微会聚透镜、反射元件、第二准直镜、振动相位补偿器件、光隔离器，其特征在于：所述闪耀光栅与微位移驱动器机械连接，所述微位移驱动器带动所述闪耀光栅在其光线传播方向上做往复直线运动；所述反射元件为至少两个可变角度反射器，光束依次通过每个所述可变角度反射器；多个所述可变角度反射器相互配合绕其中心做旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：所述可变角度反射器为MEMS扫描镜、机械振镜或镀膜反射镜中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：所述微位移驱动器为机电驱动器、电磁驱动器、压电伸缩驱动器、电致伸缩驱动器或磁致伸缩驱动器中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：还包括数据处理器，所述数据处理器分别与所述增益芯片、所述温度相位补偿器件、所述微位移驱动器、所述可变角度反射器和所述振动相位补偿器件电连接。

5.根据权利要求4所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：还包括光谱监测单元，所述光谱监测单元设置于所述闪耀光栅反射出的零级光的光路上，并与所述数据处理器电连接。

6.根据权利要求5所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：所述的光谱监测单元包括在光路上依次设置：标准具模块和光电探测器。

7.根据权利要求5所述的一种快速调谐的小型Littman结构外腔激光器，其特征在于：所述的光谱监测单元还包括在光路上依次设置：透射光栅器件和光电探测器。