CN213753441U - 一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体激光技术领域，涉及一种类同步调谐光栅反馈式外腔半导体激光器。本发明由激光器外壳、激光器外底板、激光器内盖、激光器内底板、控制器接口、控温陶瓷、热敏电阻、输出窗口、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、反射光栅或直角棱镜、柔性机械结构支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套、高反镜构成；在普通外腔式半导体激光器的基础上，使用了柔性机械结构支架搭载着反射光栅或直角棱镜，不仅能够满足其围绕最佳调谐点旋转，从而满足无跳模调谐条件，实现大范围无跳模调谐，还能够缩小激光器的外形尺寸、优化激光器的抗振性能，使其能满足一些特殊环境下如武器装备、航空航天等领域的要求。

Description

一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及一种类同步调谐光栅反馈式外腔半导体激光器，属于半导体激光技术领域。

背景技术

光栅反馈式外腔半导体激光器提供了廉价可靠的可调谐激光源。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、非线性光学和光纤传感等领域提供了理想的相干光源。

连续无跳模调谐范围是可调谐激光器的一项关键性能指标，如何增大连续无跳模调谐范围一直是研究的热点。激光输出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纵模，由于有更低的损耗而更容易起振。如果有激光纵模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。通过同时改变外腔腔长与光栅衍射角使其二者在光谱上的作用同步进动，在理论上能够实现激光器的超大范围无跳模调谐。

工程上通常使用的光栅外腔结构有Littrow和Littman两种，本质上都是利用了光栅的色散能力来实现纵模选择。激光二极管出射的激光打在光栅上，通过调节光栅的衍射角，使得衍射光的指定模式的光作为光反馈射入激光二极管的有源区，以增强该模式的受激辐射，如果该模式同时满足谐振腔的驻波条件，则能够实现激光器的单模输出。此时再微调光栅的角度，这将改变衍射光波长与腔长，而腔长对应的驻波条件随之改变，如果腔长和光栅衍射角的进动不同步，就会出现激光器跳模，使得调谐性能大打折扣。这个问题可以通过精心选择光栅或直角棱镜的旋转点来实现。而这个最佳旋转点位于光栅平面与平行于二极管后端面延长线之间的交点，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光栅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非常敏感，会带来激光器波长抖动和线宽展宽的缺点。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器。柔性机械结构支架用以代替传统的悬臂梁结构支架，其能够模拟反射光栅或直角棱镜围绕虚拟轴点旋转，并且大大缩短了旋臂长度。本实用新型在保证激光器满足同步调谐条件，获得宽泛无跳模调谐性能的同时，也使得激光器外形小巧、结构紧凑，抗振性能得到有效提升，可应用于航空航天、武器装备或其它环境恶劣的工业领域，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器，包括激光器外壳、激光器外底板、控制器接口、控温陶瓷、热敏电阻、输出窗口、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、柔性机械结构支架、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、顶盖和激光器内底板，与输出窗口一起用于保护、隔离激光器内部光学元件，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、激光二极管、热敏电阻和控温陶瓷；

所述激光器内部的光学元件包含激光二极管压环、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、柔性机械结构支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套与高反镜，其中激光二极管卡座、准直透镜卡座和柔性机械结构支架以螺丝紧固的方式安装在激光器内底板上；

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；控温陶瓷位于激光器内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；

所述准直透镜的外表面有螺纹以直接安装至准直透镜卡座上，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；

所述柔性机械结构支架前端安装反射光栅，后端安装压电陶瓷，使反射光栅能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，柔性机械结构支架采用线切割的一体化设计以提升抗振性能；

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Littrow式光栅外腔中，所述Littrow式光栅外腔由反射光栅组成；激光照射在反射光栅上产生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；柔性机械结构支架搭载着反射光栅围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

作为本实用新型的进一步改进，所述一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器的光栅外腔为Littman式，所述Littman式光栅外腔由反射光栅和直角棱镜构成；所述柔性机械结构支架前端安装直角棱镜，后端安装压电陶瓷，使直角棱镜能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，反射光栅固定安装在内底板上；

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Littman式光栅外腔中，激光照射在反射光栅上产生的一级衍射光垂直射入直角棱镜中，经直角棱镜反射后，作为外部光反馈返回至激光二极管的有源区；反射光栅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；柔性机械结构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。

本实用新型的有益效果是：在普通外腔式半导体激光器的基础上，使用了一种柔性机械结构支架搭载着光栅、直角棱镜，不仅能够满足光栅、直角棱镜围绕最佳调谐点旋转，从而满足无跳模调谐条件，实现大范围无跳模调谐，还能够缩小激光器的外形尺寸、优化激光器的抗振性能，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是本实用新型的光栅反馈式类同步调谐半导体激光器整体结构示意图；

图2是本实用新型提供的Littrow式的爆炸拆解图；

图3是本实用新型提供的Littman式的爆炸拆解图；

图4是本实用新型所述的柔性机械结构支架的细节图；

图5是本实用新型所述的柔性机械结构支架的工作原理图；

图6是本实用新型所涉及的Littrow式光栅外腔半导体激光器的最佳调谐点示意图；

图7是本实用新型所涉及的Littman式光栅外腔半导体激光器的最佳调谐点示意图。

图中所示：1-激光器外壳(图1)，2-激光器外底板(图1)，3-控制器接口J30(图1)，4-控温陶瓷(图1)，5-输出窗口(图1、图2、图3)，6-激光二极管压环(图2、图3)，7-激光二极管(图2、图3)，8-激光二极管卡座(图2、图3)，9-准直透镜卡座(图2、图3)，10-准直透镜(图2、图3)，11-反射光栅(图2、图3、图6、图7)，12-直角棱镜(图3、图4)，13-柔性机械结构支架(图2、图3、图4、图5、图7)，14-压电陶瓷(图2、图3、图4、图5、图7)，15-压电陶瓷安装套(图2、图3、图4)，16-高反镜(图2、图3、图4、图5、图7)。

具体实施方式

下面将通过实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1展示了本实用新型的整体外观。

实施例一：

一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器，包括激光器外壳1、激光器外底板2、控制器接口3、控温陶瓷4、热敏电阻、输出窗口5、激光二极管压环6、激光二极管7、激光二极管卡座8、准直透镜卡座9、准直透镜10、反射光栅11、柔性机械结构支架13、压电陶瓷14、压电陶瓷安装套15、高反镜16；

所述激光器外壳1包含前板、后板、两块侧板、顶盖和激光器内底板，与输出窗口5一起用于保护、隔离激光器内部光学元件，使内部光学元件处于相对稳定的工作环境；

所述输出窗口5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3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5、激光二极管7、热敏电阻和控温陶瓷4；

所述激光器内部的光学元件包含激光二极管压环6、激光二极管7、激光二极管卡座8、准直透镜卡座9、准直透镜10、反射光栅11、柔性机械结构支架13、压电陶瓷14、压电陶瓷安装套15与高反镜16，其中激光二极管卡座8、准直透镜卡座9和柔性机械结构支架13以螺丝紧固的方式安装在激光器内底板上；

所述激光二极管7通过激光二极管压环6安装在激光二极管卡座8上，用螺丝进行紧固，激光二极管卡座8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4位于激光器内底板和激光器外底板2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10的外表面有螺纹以直接安装至准直透镜卡座9上，准直透镜卡座9用螺丝紧固的方式安装在激光二极管卡座8上，准直透镜卡座9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10与激光二级管7的工作距离，保证激光二极管7的发光面处于准直透镜的焦点位置；

所述柔性机械结构支架13前端安装反射光栅11，后端安装压电陶瓷14，使反射光栅11能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，柔性机械结构支架13采用线切割的一体化设计以提升抗振性能；

所述激光器工作时，激光二极管7输出的激光经准直透镜10准直后输出平行光束，然后激光入射至Littrow式光栅外腔中，所述Littrow式光栅外腔由反射光栅11组成，激光照射在反射光栅11上产生的一级衍射光作为外部光反馈返回至激光二极管7的有源区；反射光栅11产生的零级衍射光作为输出光，经高反镜16反射后透过输出窗口5成为激光器系统的输出光。柔性机械结构支架13搭载着反射光栅11围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

实施例二：

一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器，包括激光器外壳1、激光器外底板2、控制器接口3、控温陶瓷4、热敏电阻、输出窗口5、激光二极管压环6、激光二极管7、激光二极管卡座8、准直透镜卡座9、准直透镜10、反射光栅11、直角棱镜12、柔性机械结构支架13、压电陶瓷14、压电陶瓷安装套15、高反镜16；

所述激光器外壳1包含前板、后板、两块侧板、顶盖和激光器内底板，与输出窗口5一起用于保护、隔离激光器内部光学元件，使内部光学元件处于相对稳定的工作环境；

所述输出窗口5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3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5、激光二极管7、热敏电阻和控温陶瓷4；

所述激光器内部的光学元件包含激光二极管压环6、激光二极管7、激光二极管卡座8、准直透镜卡座9、准直透镜10、反射光栅11、柔性机械结构支架13、压电陶瓷14、压电陶瓷安装套15与高反镜16，其中激光二极管卡座8、准直透镜卡座9和柔性机械结构支架13以螺丝紧固的方式安装在激光器内底板上；

所述激光二极管7通过激光二极管压环6安装在激光二极管卡座8上，用螺丝进行紧固，激光二极管卡座8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4位于激光器内底板和激光器外底板2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10的外表面有螺纹以直接安装至准直透镜卡座9上，准直透镜卡座9用螺丝紧固的方式安装在激光二极管卡座8上，准直透镜卡座9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10与激光二级管7的工作距离，保证激光二极管7的发光面处于准直透镜的焦点位置；

所述柔性机械结构支架13前端安装直角棱镜12，后端安装压电陶瓷14，使直角棱镜12能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，直角棱镜12的特点为入射光始终与出射光保持平行，这样不仅更方便激光器的调试，也能够在遇到外界振动时保证激光器光反馈稳定，柔性机械结构支架13采用线切割的一体化设计以提升抗振性能；

所述激光器工作时，激光二极管7输出的激光经准直透镜10准直后输出平行光束，然后激光入射至Littman式光栅外腔中，所述Littman式光栅外腔由反射光栅和直角棱镜构成；激光照射在反射光栅11上产生的一级衍射光垂直射入直角棱镜12中，经直角棱镜12反射后，作为外部光反馈返回至激光二极管7的有源区；反射光栅11产生的零级衍射光作为输出光，经高反镜16反射后透过输出窗口5成为激光器系统的输出光。柔性机械结构支架13搭载着直角棱镜12围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

所述柔性机械结构支架13围绕虚拟轴点旋转的工作原理如图5所示：压电陶瓷14的压力垂直作用于P点，P至A、B铰链的距离分别为a与b。A、B铰链发生的形变分别为L_a和L_b，使得安装在支架上的直角棱镜12实现围绕着Q'点旋转，Q'点至直角棱镜12反射面距离为h'。这样在没有使用实体长旋臂的情况下，依旧实现了其效果，消除了长旋臂带来的弊端。其虚拟旋臂的长度R满足式1：

本实用新型所采用的实施例一与实施例二分别对应Littrow式光栅外腔和Littman式光栅外腔，具体表现在激光器的反馈光路和内部光学元件不同。但是其实施特点表现利用利用柔性机械结构支架13搭载着调谐元件，调谐元件围绕着所设计的虚拟轴点旋转，进行输出波长的调谐。下面将结合附图进行描述。

实施例一与实施例二的最佳调谐旋转点分别如图6、7的Q点所示，在激光管的输出耦合端面镀了增透膜的情况下，想要获得连续不跳模调谐，必须保持反射光栅11与外腔的选模条件同步进动，对Littrow式光栅外腔结构而言，光栅方程为与外腔驻波条件为：

2dsinθ＝λ_g (2)

式中，θ为入射角，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，通过简单的几何关系，将λ_g与λ_m对调谐角α的微分对等，即可得到最佳调谐点坐标如图6所示，为：

Littman式光栅外腔结构同步调谐条件同理可得，只是将光栅方程改写作：

式中，

是光栅的一级衍射角，最终得到同步调谐点坐标如图7所示，为：

其中h为点Q至调谐镜的距离，可取任何合理值。

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7、反射光栅11以及直角棱镜12位置后，最佳调谐点至调谐镜平面的距离h以及虚拟旋臂长度R都能够唯一确定。此时再给定柔性机械结构支架13h'的大小以及压电陶瓷14顶压作用点P的位置，即可得到最佳调谐条件。

另外，调谐点Q'沿着反射光栅13一级衍射光的方向偏离Q点，相比于其他方向，调谐性能下降的十分缓慢，因此，在设计上可以将Q'沿着该方向偏离适当的距离，在合适的条件下有益于降低工程难度。在实施例二中，以最佳调谐点Q为原点，反射光栅11的一级衍射光方向为ξ轴正向建立笛卡尔坐标系，研究发现直角棱镜12旋转的轴点位于ξ轴上时，激光器的无跳模调谐范围在理论上虽然比不上位于点Q，但是下降得很缓慢，相反在ζ轴方向上则下降得很快。我们称调谐点沿着ξ方向偏离最佳调谐点Q为类同步调谐，在理论上类同步调谐同样可以得到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实用新型，但是应该理解本实用新型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。以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器，其特征在于，包括激光器外壳、激光器外底板、控制器接口、控温陶瓷、热敏电阻、输出窗口、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、柔性机械结构支架、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、顶盖和激光器内底板，与输出窗口一起用于保护、隔离激光器内部光学元件，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、激光二极管、热敏电阻和控温陶瓷；

所述激光器内部的光学元件包含激光二极管压环、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、柔性机械结构支架、压电陶瓷、压电陶瓷安装套与高反镜，其中激光二极管卡座、准直透镜卡座和柔性机械结构支架以螺丝紧固的方式安装在激光器内底板上；

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；控温陶瓷位于激光器内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；

所述准直透镜的外表面有螺纹以直接安装至准直透镜卡座上，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；

所述柔性机械结构支架前端安装反射光栅，后端安装压电陶瓷，使反射光栅能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，柔性机械结构支架采用线切割的一体化设计以提升抗振性能；

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Littrow式光栅外腔中，所述Littrow式光栅外腔由反射光栅组成；激光照射在反射光栅上产生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；柔性机械结构支架搭载着反射光栅围绕虚拟轴点旋转，进行激光器输出波长调谐。

2.如权利要求1所述的一种基于柔性机械结构的类同步调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光器的光栅外腔为Littman式，所述Littman式光栅外腔由反射光栅和直角棱镜构成；所述柔性机械结构支架前端安装直角棱镜，后端安装压电陶瓷，使直角棱镜能够围绕着设计的虚拟旋转轴进行转动，以达到类同步调谐条件，反射光栅固定安装在内底板上；

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Littman式光栅外腔中，激光照射在反射光栅上产生的一级衍射光垂直射入直角棱镜中，经直角棱镜反射后，作为外部光反馈返回至激光二极管的有源区；反射光栅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；柔性机械结构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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