一种光栅外腔半导体激光器和法布里-珀罗腔

摘要

本发明公开一种外腔半导体激光器和法布里-珀罗腔，半导体激光管和光栅之间设置有单块环形F-P腔；从半导体激光管发出的光线从单块环形F-P腔的输入面上的A点入射进入F-P腔，经过在第一反射面上B点反射后，到达第二反射面的C点，经C点所在的第二反射面反射后回到A点；并且从B点的透射光作为该F-P腔的出射光被所述光栅反馈回半导体激光管。本发明不用腔内和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现光栅外腔半导体激光器谱线宽度小于100kHz的窄线宽激光输出，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是指一种使用高精细度单块进行选模的光栅外腔半导体激光器和法布里-珀罗(F-P)腔。

背景技术

法布里-珀罗(F-P)腔是光学和激光研究中的重要工具。环形F-P腔的透射光具有与F-P腔相同的光谱结构，可以提供窄线宽光反馈。目前环形F-P腔由分立元件构成。例如Yabai He and Brian J.Orr提出的结构，如图1所示，Ring filter的三个反射镜构成等效F-P腔。而分立元件F-P腔的容易受到外界音频、机械振动和温度变化的干扰和影响，腔的体积比较大，系统的稳定性比较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种外腔半导体激光器和F-P腔，实现输出稳定的窄线宽，同时解决分立元件折叠F-P腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题。

基于上述目的本发明提供的一种法布里-珀罗F-P腔，所述F-P腔由单块光学材料制成，在光路上至少包含有三个光学面；

光线从输入面入射进入F-P腔，经过至少两个反射面反射后，回到输入面的入射点；并且从其中一个反射面的透射光作为该F-P腔的出射光。

可选的，所述F-P腔包含有三个光学面：光线从输入面入射进入F-P腔，经过在第一反射面反射后，到达第二反射面，经第二反射面反射后回到输入面的入射点；并且从反射面的透射光作为该F-P腔的出射光，所述从第一反射面的透射光作为该F-P腔的出射光。

可选的，所述F-P腔为等腰梯形六面体单块结构，所述入射面和第一反射面为梯形的两腰所在面，所述第二反射面为梯形的下底所在面；

或者五面体结构，等边三角型三个边所在平面作为所述光学面。

可选的，所述F-P腔为等腰梯形六面体单块结构时，所述入射面和第二反射面夹角为66.42°。

可选的，所述F-P腔入射面利用光学镀膜技术镀有合适反射率Ra的反射膜，所述第一反射表明为高反射面，该表面高反射率Rb＝Ra；所述第二反射表明为全反射面。

可选的，所述F-P腔入射面反射率Ra＝0.9至0.99。

可选的，所述F-P腔的光学面均为微凸面型或均为平面；

或者所述F-P腔的光学面为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

基于上述目的本发明还提供了一种光栅外腔半导体激光器，包括：半导体激光管和光栅之间设置有上述的单块环形F-P腔；

并且半导体激光器中各部件的布设使得从半导体激光管发出的光线从单块环形F-P腔的输入面入射进入单块环形F-P腔，经过至少两个反射面反射后，回到输入面的入射点；并且从其中一个反射面的透射光作为该F-P腔的出射光被所述光栅反馈回半导体激光管。

可选的，所述半导体激光器包括有以下调节设备中的一种或一种以上组合：

单块环形F-P腔的调节设备，通过改变单块环形F-P腔的内部光程来调节单块环形F-P腔决定的谐振频率；或者通过旋转单块环形F-P腔，来改变入射光线、出射光线的角度；

外腔的调节设备，通过改变光栅外腔长度、光学性能来调节激光频率；

半导体激光管的调节设备，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；或者通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。

可选的，所述半导体激光器的外腔调节设备，包括：通过改变入射至单块环形F-P腔的衍射光的衍射角来调节光栅选频决定的激光振荡频率；或者通过改变光栅到单块环形F-P腔或光栅到半导体激光管的距离来调节光栅选频决定的激光振荡频率的设备。

可选的，所述半导体激光器的F-P腔的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：

所述单块环形F-P腔上粘接的压电陶瓷，进行F-P腔谐振频率的快速小范围细调；

设置于所述单块环形F-P腔的温控器件，进行F-P腔谐振频率的慢速大范围粗调；

设置于所述单块环形F-P腔微调螺钉或压电陶瓷，用于改变单块环形F-P腔的对光栅的反馈角度；

所述外腔的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：

用于固定非球面准直透镜及进行激光束准直的调整的非球面准直透镜调整架；

用于调整光栅角度的调节装置；

所述半导体激光管的调节设备包括以下一种或一种以上的组合：

半导体激光管热沉，通过改变半导体激光管的温度，改变半导体激光管输出光频率范围。

可选的，该半导体激光器为Littrow结构光栅外腔激光器；或者Littman结构光栅外腔激光器；或者掠衍射结构光栅外腔激光器。

从上面所述可以看出，本发明提供的外腔半导体激光器和F-P腔，采用单块谐振腔构成的激光器，通过把单块环形F-P腔加入到半导体激光管与光栅之间，不用腔内和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现光栅外腔半导体激光器谱线宽度小于100kHz的窄线宽激光输出，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制。

附图说明

图1为现有Yabai He and Brian J.Orr采用的分立元件环形F-P腔示意图；

图2为本发明第一个实施例的单块环形F-P腔示意图；

图3为本发明第二个实施例的单块环形F-P腔示意图；

图4为本发明实施例单块应用在Littrow结构光栅的外腔激光器示意图；

图5为本发明实施例单块应用在Littman结构光栅的外腔激光器示意图；

图6为本发明实施例单块应用于掠衍射结构光栅的外腔激光器示意图；

图7为本发明实施例带有调节部件的Littrow衍射结构光栅的单块环形F-P腔增强外腔半导体激光器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为解决现有技术的问题，本发明提出了一种单块环形F-P腔，该F-P腔由单块光学材料制成，在光路上至少包含有三个光学面；

光线从输入面入射进入F-P腔，经过在第一反射面反射后，到达第二反射面，经第二反射面反射后回到输入面的入射点；并且从反射面的透射光作为该F-P腔的出射光。

本发明一个实施例的单块环形F-P腔的结构，如图2所示。A为环形F-P腔一端的光束反射点，A点所在的(垂直于纸面的)平面作为输入面同时兼作单块环形F-P腔输出耦合面，B所在的(垂直于纸面的)平面为高反射面，C所在的(垂直于纸面的)平面为全反射面。

光线从输入面上的A点入射进入环形F-P腔，经过在镀有高反射膜的反射表面上B点反射后，到C点，经C点所在的平面全反射后回到A点，形成环形腔。其B点的透射光被光栅反馈回半导体激光管，由于单块F-P腔所具有更好的选频作用，使得整个光栅外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。

在本发明较佳实施例中，单块环形F-P腔可利用低传输损耗的光学石英玻璃作为材料。对于图2所示的单块环形F-P腔，可通过光学加工使其形成包含3个光学面的梯形六面体单块结构形式。该梯形体底边长度15mm，梯形侧边长12mm，厚度为6mm。在该6面体上的2个光学表面中，A点所在表面为输入输出耦合面，该表面为平面，利用光学镀膜技术镀有合适反射率Ra的反射膜，例如反射率Ra＝0.9至0.99。A点所在的表面单独构成等效F-P腔的两端反射面。该表面可为平面，B点所在平面为高反射面，该表面高反射率Rb＝Ra，即与A点所在平面的反射率相同。C点所在平面为折叠面，该面可不镀膜，通过内全反射原理实现光束的折叠。A点和C点所在的表面夹角为66.42°。光学加工中90°的角度公差和3个光学表面的塔差得到严格保证。

本发明另一个一个实施例中，单块环形F-P腔的结构可采用三个光学面的等边三角型五面体结构形式，如图3所示。A为环形F-P腔一端的光束反射点，A点所在的(垂直于纸面的)平面作为输入面同时兼作单块环形F-P腔输出耦合面，B所在的(垂直于纸面的)平面为高反射面，C所在的(垂直于纸面的)平面为全反射面。

三角型五面体结构形式的具体参数举例如下：

入射到单块晶体的入射角49.3°，设计晶体长12×12×12mm³，每个内角都为60°。

本发明单块环形F-P腔除了可做成如图2所示三个光学面的梯形六面体结构，及图3所示的三角型五面体结构以外，还可以做成其他形状，也不一定必须是等边或等角的对称结构，也可以由三个以上的光学面组成，例如除入射面外还包含有三个、四个或更多的反射面，只要是能在内部形成环形谐振就可以。

本发明中，所述单块环形F-P腔的光学面除均为平面外，还可以均为微凸面型；或者所述F-P腔的光学面为平面与微凸面组合、或微凸与平面及微凹面的组合。

单块环形F-P腔决定的谐振频率可通过粘接压电陶瓷方法和控温技术分别实现快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控制，而光栅选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块环形F-P腔实现。例如通过微调螺钉或另外的压电陶瓷改变单块F-P腔的角度。经过这些途径，可将光栅选频决定的激光频率与单块F-P腔决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块F-P腔的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块温度和粘接在单块上的压电陶瓷片调整控制激光频率。并可通过改变支配单块环形F-P腔转动的压电陶瓷电压或微调调节螺钉实现光栅外腔对单块环形F-P腔频率的跟踪或同步。

本发明提出的光栅外腔半导体激光器，主要包括：半导体激光管、光栅和单块环形F-P腔；

半导体激光管和光栅之间设置上述的单块环形F-P腔；并且半导体激光器中各部件的布设使得从半导体激光管发出的光线从单块环形F-P腔的输入面入射进入F-P腔，经过在第一反射面反射后，到达第二反射面，经第二反射面反射后回到输入面的入射点；并且从反射面的透射光作为该F-P腔的出射光被所述光栅反馈回半导体激光管。

以下是几种可选的实施例：

参见图4所示，为采用本发明单块环形F-P腔的Littrow结构光栅外腔激光器，包括：半导体激光管(LD)1、准直透镜(AL)3、1/2波片(HW)401、衍射光栅(GT)14和单块环形F-P腔5。其中，这里加入1/2波片401的作用是改变反馈回半导体激光管1的光强，以此选择合适的反馈。

半导体激光管1发射的光束经准直透镜3准直和1/2波片401后进入单块环形F-P腔5，经环形反射谐振后大部分的光经单块环形F-P腔5的B点透射，入射到衍射光栅14上，其一级衍射作为反馈光原路返回，进入单块环形F-P腔5后的从A点射出的折射光反馈到半导体激光管1，以此实现选模。

参见图5所示，为采用本发明单块环形F-P腔的Littman结构光栅外腔激光器，包括：半导体激光管(LD)1、准直透镜(AL)3、1/2波片(HW)401、衍射光栅(GT)14、反射镜501和单块环形F-P腔5。

半导体激光管1发射的光束经准直透镜3准直和1/2波片401后进入单块环形F-P腔5，经环形反射谐振后大部分的光经单块环形F-P腔5的B点透射，入射到衍射光栅14上，其一级衍射光被高反射的反射镜501原路反射回衍射光栅14，所形成的一级衍射光原路返回，进入单块环形F-P腔5后的从A点射出的折射光反馈到半导体激光管1，以此实现选模。

参见图6所示，将本发明单块环形F-P腔应用于本申请人早先提出的掠衍射结构光栅外腔激光器(本申请人于2008年5月12日提交的申请号为“200810097085.4”发明名称为《光栅掠衍射外腔半导体激光器》的中国专利申请)的结构示意图。包括：半导体激光管(LD)1、准直透镜(AL)3、1/2波片(HW)401、衍射光栅(GT)14、反射镜501和单块环形F-P腔5。

半导体激光管1发射的光束经准直透镜3准直和1/2波片401后进入单块环形F-P腔5，经环形反射谐振后大部分的光经单块环形F-P腔5的B点透射，入射到衍射光栅14上，其中入射到衍射光栅14上光束的入射角小于衍射光栅14一级衍射光的衍射角，其一级衍射光被高反射的反射镜501原路反射回衍射光栅14，所形成的一级衍射光原路返回，进入单块环形F-P腔5后的从A点射出的折射光反馈到半导体激光管1，以此实现选模。

本发明提供的半导体激光器中，还可以设置各种调节设备，主要包括如下几种：

F-P腔的调节设备，通过改变单块环形F-P腔的内部光程来调节单块环形F-P腔决定的谐振频率；或者通过旋转单块环形F-P腔，来改变入射光线、出射光线的角度；

外腔的调节设备，通过改变光栅外腔长度、光学性能等来调节激光频率，例如：通过改变入射至单块环形F-P腔的衍射光的衍射角来调节光栅选频决定的激光振荡频率；或者通过改变光栅到单块环形F-P腔或光栅到半导体激光管的距离来调节光栅选频决定的激光振荡频率；

半导体激光管的调节设备，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；或者通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。

参见图7所示，以Littrow衍射结构光栅增强外腔半导体激光器为例，给出了带有调节设备的光栅外腔半导体激光器结构示意图。

功率30mW波长为689nm的半导体激光管1发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜3准直后，以入射角37.34°在兼做输入输出耦合面上的单块环形F-P腔5的A点入射(由一个由单块优质光学石英玻璃材料加工构成的F-P腔5)，入射光在A点发生反射和折射。其中折射进入单块环形F-P腔5的光束部分，入射在镀有高反射膜的反射表面上的B，在该点被反射后，返回到折叠面C点，以大于全反射的角度入射在C点，在C点发生全反射，折回到A点，形成谐振，其B点的透射光以一定的角度入射在刻线密度为2400g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为12.5mm×12.5mm、厚度为6mm的全息衍射光栅14上，其一级衍射原路返回，反馈回半导体激光管1。该光束强度在谐振频率处达到最大值，实现窄线宽激光器。半导体激光管1入射到A点的反射光与经单块环形F-P腔5谐振在A的透射光的总合构成外腔激光器的输出，其输出在谐振时最弱。光栅14、半导体激光器1和环形F-P腔5组成光栅外腔。环形F-P腔5的透射光具有与F-P腔相同的光谱结构，该透射光作为反馈光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅14被返回到半导体激光管1中。由于F-P腔的选频作用，使得光栅外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄，得到短期线宽小于100kHz。

在本实施例中，半导体激光管1上设置有热沉2等温控器件，作为半导体激光管的调节设备，通过热沉2上的温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。

对于F-P腔的调节设备，单块环形F-P腔5上设置有热沉6采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。该单块环形F-P腔5的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷13的方法作快速小范围细调，通过对单块环形F-P腔热沉6精密控温技术作慢速大范围粗调，以实现对激光频率的调谐与控制。而光栅14选频决定的激光振荡频率可通过整体转动单块环形F-P腔5实现，例如：通过微调螺钉10或粘接在动板上的压电陶瓷11改变单块腔5的对光栅14的反馈角度。在改变角度的过程中，固定在粘有压电陶瓷11调节架动板8上的单块环形F-P腔5和单块环形F-P腔热沉6随着动板8一起旋转，进入单块环形F-P腔5的光束方向也随着调节架动板8的转动改变相同的角度，实现对光栅的一级衍射光的波长反馈。经过这些途径，可将光栅14选频决定的激光频率与单块F-P腔5决定的激光频率调成接近一致。利用激光振荡的物理机制，使得在单块F-P腔5的谐振频率上产生激光振荡，并且可通过调整单块热沉6的温度和粘接在单块上的压电陶瓷片13调整控制激光频率。可通过改变支配单块环形F-P腔5转动的压电陶瓷11的电压或微调调节螺钉10，带动单块环形F-P腔5随着动板8一起旋转，实现光栅外腔对单块F-P腔频率的跟踪或同步。

对应外腔的调节设备，非球面准直透镜调整架4用于固定非球面准直透镜3及激光束准直的调整，单块环形F-P腔5通过热沉6固定在调节架动板8上，调节架动板8可通过定板9上的微调螺钉10调整，调节架定板9、半导体激光管热沉2、非球面准直透镜调整架4、光栅固定架均被固定在半导体激光器的底板上；光栅14也可以通过在光栅固定架上设置调节装置来调整光栅角度。

半导体激光管的调节设备，通过调节半导体激光管热沉2来改变半导体激光管的温度，进而改变半导体激光管输出光频率范围；另外也可以在半导体激光管的输入电流中加入调制信号来改变半导体激光管输出光频率范围。

上述方案中的腔体也可选用其它形状，尺寸大小也可选用其它尺寸，单块环形F-P腔也可以采用其他形状，激光波长可选用其它波长数值，材料也可选用其它光学或激光材料，镀膜参数也可选用其它数值。

以上所述的具体实施例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。