一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器

摘要

本发明提供一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器。技术方案是：包括激光二极管、准直透镜、光栅，其特征在于，还包括一个或一个以上三棱镜组成的棱镜扩束系统，使得激光二极管发出的激光经过准直透镜后，在经过光栅之前，被棱镜扩束系统进行色散放大。每个三棱镜的入射光角度均为激光二极管波长对应的布儒斯特角。每个三棱镜的出射光匀垂直于该三棱镜的出射棱边。本发明加入了棱镜扩束系统后，使激光器线宽进一步压窄。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术，尤其是一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器由于具有电光直接转换、体积小、寿命长等优点，已经广泛应用于许多领域，然而其线宽通常比较大。考虑到激光器的线宽与相位噪声成正比关系，为了保证其相关系统的性能，窄线宽可调谐激光器变得不可或缺。对于半导体激光器来说，受激辐射占据支配地位，但不可避免地存在自发辐射，这会造成频率噪声，使激光频谱发生展宽。窄线宽可调谐激光器是新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件，目前已经实现了宽波长范围的连续或准连续调谐，并有相应的产品投放市场。

可调谐外腔半导体激光器具有线宽窄，调谐范围大，输出功率高、较好的单纵模特性以及稳定性等优点。为了使半导体激光器输出稳定的频率，首先要保证半导体激光器输出的激光是单纵模的。为了使半导体激光器能输出单纵模，就要抑制增益带宽内的其他模式，而只让其中一个模式得到加强。所谓的外腔，是相对于内腔而言的，内腔指的是半导体激光二极管前后端面所构成的谐振腔，外腔是将谐振腔延伸至半导体激光二极管外面，用光学反馈原件实现外部反馈从而形成光振荡，光栅正是实现外部反馈的一种光反馈原件。由于外腔长度远大于内腔，在外腔中振荡的不同激光模式之间的频率间隔，要远小于内腔，一旦实现单一模式输出，半导体激光器线宽也就被大大的压窄了。通常使用外腔结构有Littrow和Littman两种，调节它们的反馈原件，从而改变外腔腔长，使外腔中的某一个振荡模式被选出来，实现单一模式输出。

Littrow结构外腔半导体激光器由激光二极管(输出光面镀有增透膜、另一面镀有高反膜)、准直透镜、光栅三个部分构成，如图1所示。激光二极管出射光经过准直透镜后以一定的角度入射到光栅，选择适当的入射角度，使光栅的输出光只有0级和+1级光，其中0级光作为激光器出射光，+1级光反馈回激光二极管，构成半导体激光器的外腔振荡。

Littman结构外腔半导体激光器由激光二极管、准直透镜、光栅、反射镜四部分构成，如图2所示。在该结构中，激光二极管出射光经准直透镜以一个较好的角度入射到光栅，同样的，0级光作为激光器出射光，+1级光作为反馈光被反射镜反射后，再经过一次光栅沿原路返回，构成半导体激光器的外腔振荡。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器，该激光器具有结构紧凑，装调简单，腔内损耗小增益高，可以同时获得窄线宽、较高的输出能量指标和实现宽波长范围的连续可调谐。

为了解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明采用的技术方案一是：

一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器，包括激光二极管11、准直透镜12、光栅14，其特征在于，还包括二个或两个以上三棱镜13组成的棱镜扩束系统，使得激光二极管11发出的激光经过准直透镜12后，在经过光栅14之前，被棱镜扩束系统进行色散放大。每个三棱镜13的入射光角度均为激光二极管11波长对应的布儒斯特角。每个三棱镜13的出射光匀垂直于该三棱镜13的出射棱边。

本发明采用的技术方案二是：一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器，包括激光二极管21、准直透镜22、光栅24、反射镜25，其特征在于，还包括若干个三棱镜23组成的棱镜扩束系统，使得激光二极管21发出的激光经过准直透镜22后，在经过光栅24之前，被棱镜扩束系统进行色散放大。每个三棱镜23的入射光角度均为激光二极管21波长对应的布儒斯特角。每个三棱镜23的出射光匀垂直于该三棱镜13的出射棱边。棱镜扩束系统出射光为光栅24的入射光，光栅24的1级衍射光经过反射镜25反射回光栅24后，沿原路返回激光二极管21，光栅24的0级光作为可调谐光栅外腔半导体激光器的输出。

本发明的有益效果是：基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器，在普通外腔式半导体的基础上，在外腔反馈的光路中加入了棱镜扩束系统，激光经过棱镜扩束系统后，由于光束的扩大增加了光栅的分辨率，同时三棱镜本身的色散特性使激光器外腔中的振荡光进一步色散分开，从而使激光器线宽进一步压窄。

附图说明

图1是现有的Littrow型光栅外腔半导体激光器线的原理示意图；

图2是现有的Littman型光栅外腔半导体激光器线的原理示意图；

图3是本发明提供的具体实施方式一；

图4是本发明提供的具体实施方式二；

图5是本发明提供的棱镜扩束系统的某一具体实施方式；

图6是本发明所述棱镜扩束系统的扩大光束原理示意图；

图7是本发明具体实施方式一(即图3)线宽测量对比图；

图8是本发明具体实施方式二线宽测量对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

图3是本发明提供的具体实施方式一。如图3所示，包括激光二极管11、准直透镜12、棱镜扩束系统、光栅14。其中，激光二极管11用于输出激光光束，其在电流的作用下导带中的电子和价带中的空穴复合产生受激辐射，在内腔(激光二极管两个端面之间形成的谐振腔)中谐振产生激光；准直透镜12，有着非常短焦距，用于对激光二极管11输出的光束整形，形成平行光束；棱镜扩束系统，由若干个三棱镜13组成，用于改变准直透镜12输出平行光束光斑大小，同时提高系统色散性能，本具体实施方式中包括两个三棱镜13；光栅14，用于对棱镜扩束系统输出的平行光束进一步色散，同时构成该激光器外腔(激光二极管出射端面与光栅之间形成的谐振腔)的一个谐振面，棱镜扩束系统输出的平行光束打到光栅14上，1级衍射光原路经过棱镜扩束系统与准直透镜12后，返回到激光二极管11，在光栅14和激光二极管11输出端面为腔镜的外部谐振腔内振荡放大；而光栅14的0级光作为实施方式一的输出。

图4是本发明提供的具体实施方式二。如图4所示，包括激光二极管21、准直透镜22、棱镜扩束系统、光栅24与反射镜25。其中，激光二极管21、准直透镜22、棱镜扩束系统的作用与位置关系和具体实施方式一相同；不同之处在于，光栅24入射光的1级衍射光，入射到反射镜25上，经反射镜25反射后又回光栅24，经光栅24再次衍射的1级光原路经过棱镜扩束系统与准直透镜22后，回到激光二极管21，在反射镜25和激光二极管21输出端面为腔镜的谐振腔内振荡放大；光栅24的0级光作为实施方式二的输出。

图5是本发明提供的棱镜扩束系统的某一具体实施方式。如图5所示，棱镜扩束系统由四个三棱镜组成，所述的棱镜扩束系统的棱镜材料为融石英或者氟化钙，各个棱镜的入射角度为所需波长激光的布儒斯特角，出射光垂直于棱镜另外一边。

图6是本发明所述棱镜扩束系统的扩束大原理示意图。如图6所示，该棱镜扩束系统包括一个三棱镜13，i₁,i₂分别为光束对三棱镜13的入射角(即激光二极管11波长对应的布儒斯特角)和折射角，w_a,w_b分别为光束扩束前后横截面尺寸，则棱镜扩束系统的扩束系数M同时也是三棱镜13的扩束系数，为：

>

进一步推广到由n个三棱镜13组成的棱镜扩束系统的扩束系数为：

$>M=M_1\times M_2\times ...\times M_n=\underset{i}{\overset{n}{\Pi }}{M}_i$>

其中，M₁,M₂,···,M_n分别为棱镜1,2,..,n的扩束系数。

参见US20020186741A1，可知由多个三棱镜与光栅组合的激光器系统中，输出激光的线宽的半高宽度Δλ_FWHM可以由下式决定：

>

其中：θ_div为激光二极管光束水平方向的发散角，M为棱镜扩束系统的扩束倍数，α_B为激光入射到光栅的角度。N_R为激光在谐振腔内的往返次数，λ为激光波长。通过上述公式可知，增加棱镜扩束系统的扩束系数M，即可以减小输出激光的线宽，实现激光器的线宽压窄。

图7为本发明具体实施方式一利用延时自外差法测量的线宽对比图。该具体实施方式中，准直透镜12输出直径为3.8mm的平行光束；棱镜扩束系统由两个三棱镜13组成，三棱镜13的入射角为56.5°，扩束倍数为1.59，棱镜扩束系统的扩束倍数为2.53；谐振腔腔长为83.2mm；延时自外差法测量中用的延时光纤长度为13.6Km。图7中，横坐标为频率间隔，纵坐标为信号强度，虚线表示本发明具体实施方式一的线宽数据，实线表示原有半导体激光器的线宽数据。数据的3dB衰减带宽反映了激光的真实线宽，本发明具体实施方式一的3dB衰减带宽为19.4KHz，原有半导体激光器3dB衰减带宽为44.3KHz。故本发明具体实施方式一线宽测量值为19.4KHz/2＝9.7KHz，同时可以得到线宽被压窄了44.3KHz/19.4KHz＝2.28倍。

图8为本发明具体实施方式二利用延时自外差法测量的线宽对比图。该具体实施方式二中，光栅的入射角为79°，其它参数与具体实施方式一基本一致。图7中，横坐标为频率间隔，纵坐标为信号强度，虚线为本发明具体实施方式二线宽数据，实线为原有半导体激光器的线宽数据。本发明具体实施方式二的3dB衰减带宽为1.9KHz，原有半导体激光器3dB衰减带宽为4.2KHz。故本发明具体实施方式二线宽测量值为1.9KHz/2＝9.7KHz，同时可以得到线宽被压窄了4.2KHz/1.9KHz＝2.21倍。可以看出本发明具体实施方式二比实施方式一的线宽又压窄了一个数量级，这是由于光栅的两次衍射造成的线宽压窄。

虽然参照上述具体实施方式详细地描述了本发明，但是应该理解本发明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。