專利名稱：光柵掠衍射外腔半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器技術，特別是指一種光柵掠衍射外腔半 導體激光器。
背景技術：
光柵反饋外腔半導體激光器是以外加衍射光柵的波長或頻率選擇作
用，實現對普通激光二極管的線寬壓窄和譜線選擇。由圖1和圖2所 示，半導體激光管(LD) 1發出的激光束對衍射光柵(Gt) 12的入射 角為0i,衍射光柵12對該入射光束衍射后，產生的一階衍射光的衍射
角為ed。根據對ei和ea之間的相互關系進行分類，可將現有光柵外腔
半導體激光器分為兩類
第一類6i>ed，入射光接近掠入射。入射角大于衍射角，Littman 結構，如圖2所示。
第二類0i=ed，入射角等于衍射角。Littrow結構，如圖1所示。
參見圖2所示，在Littman結構中，半導體激光管1發出的激光經 非球面準直透鏡(AL) 3準直后，以掠入射的角度入射在衍射光柵12 上。衍射光柵12的一級衍射光正入射在一塊平面反饋反射鏡(M) 5 上，被反饋反射鏡5反射后，沿原路返回到衍射光柵12上，經衍射光 柵12再次衍射后回到半導體激光管1中，這里半導體激光管1發出的 激光入射到衍射光柵12上的入射角0i大于光柵的衍射角6d。
在圖1所示的Littrow結構中，半導體激光管1發出的激光經非球 面準直透鏡3準直后，入射在衍射光柵12上。衍射光柵12的一級衍射 光沿與入射光反向共線的路徑，按原路返回到半導體激光管1中，這里 半導體激光管1發出的激光入射到衍射光柵12上的入射角9i等于光柵
的4汙射角ea。
4在上面所述的兩種光柵外腔半導體激光器的結構中，Littrow結構 簡單，但是同時可變的參數也少，不能對衍射光作進一步處理和操作。 LUtman結構中掠入射的存在，使得參與衍射的光柵刻線數目較多，從 而具有更好的波長選擇或選頻作用，特別是該結構中增加了附加的反饋 反射鏡，有可能對衍射光作進一步處理和操作。然而，不利的是衍射光 柵的一級衍射光斑在子午方向上尺寸較大，在該方向上對反饋反射鏡面 型的要求較高，不利于以其它光學元件取代反饋反射鏡。另外，為了實 現光柵激光諧振腔的同步調諧，需將反饋反射鏡調諧的轉動中心線P位 于光柵表面所在的平面內，且該轉動中心P距反饋反射鏡反射面的垂直 距離應近似等于該轉動中心P距半導體激光管后表面所在等效平面的垂 直距離，并且符號相反。其符號的正負規定為該距離與光線位于平面 的同側為正，反之為負。而Littman結構中，反饋反射鏡M和同步調 諧轉動中心P分別位于半導體激光管發射激光束的兩側，這對于實現同
步調諧的機械結構設計是不利的。
發明內容
有鑒于此，本發明提出一種光柵掠衍射外腔半導體激光器，能夠 減小一級衍射光光斑在子午方向上的尺寸，更易于激光的同步轉動波 長調諧機械結構的設計實現。
基于上述目的本發明提供的光柵掠衍射外腔半導體激光器，包 括半導體激光管、準直透鏡、光柵和反射鏡；
所述半導體激光器內各部件的布設使得半導體激光二極管發出的激 光入射到光柵上的入射角0i小于光柵一 級衍射光的衍射角9d 。
所述半導體激光器內各部件的布設還使得所述光柵的一級衍射光正 入射到反射鏡上；由反射鏡將一級衍射光沿原路返回并沿著與原入射光 束共線反向的路徑，經光柵被返回到半導體激光管中。
所述半導體激光器內各部件的布設使得反射鏡和反射鏡的同步調諧 轉動中心P位于半導體激光管發射激光束的同側。
所述半導體激光器還包括以下至少 一種半導體激光管熱沉，用于半導體激光管的溫度控制； 電流控制裝置，用于控制半導體激光管的輸入電流。 所述半導體激光器還包括反射鏡轉動調節裝置，用于調節所述反 射鏡以反射鏡的同步調諧轉動中心p為軸進行轉動。 所述半導體激光器的所述反射鏡轉動調節裝置包括 反射鏡調整架動板，用于安置反饋反射鏡，在反射鏡調整架動板上 設置有頻率調諧壓電陶瓷；
反射鏡調整架定板，設置有波長/頻率調諧調整螺釘和反射鏡調整 螺釘，并固定在半導體激光器的底板上；通過調整架定板上的微調螺釘 或調整架動板上的壓電陶瓷來改變固定反射鏡的反射鏡調整架動板的角 度，實現對激光頻率或波長的粗略調諧或精細調諧；反射鏡調整螺釘控 制反射鏡調整架動板，用以調整反射鏡的反射面與衍射光垂直，并用于 轉動中心p的定位。
所述半導體激光器的所述光柵為衍射光柵或透射光柵。 所述半導體激光器的所述衍射光柵為閃耀衍射光柵或全息光柵。 從上面所述可以看出，本發明提出了光柵外腔半導體激光器的第
三種結構，即光柵掠衍射外腔半導體激光器，該結構入射角ei〈衍射角 ed，衍射光接近掠衍射。該半導體激光器的半導體激光管發出的激光 入射到光柵上的入射角ei小于光柵的衍射角ed，因此能夠減小一級 衍射光斑尺寸，從而易于用其它光學元件取代反饋反射鏡。使得光柵 的衍射光斑在子午方向上被壓縮，其尺寸小于入射光斑尺寸，且反饋 反射鏡m和同步調諧轉動中心p位于半導體激光管發射激光束的同 側，從而更易于設計實現激光的同步轉動波長調諧。
圖1為現有Littrow結構外腔半導體激光器示意圖2為現有Littman結構外腔半導體激光器示意圖3為本發明實施例掠衍射結構外腔半導體激光器示意圖4為本發明實施例帶有調節部件的掠衍射結構外腔半導體激光器示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明進行更全面的描述，其中說明本發明的示例 性實施例。
本發明的技術方案如圖3和圖4所示，該光柵掠衍射外腔半導體激 光器包括半導體激光管1、準直透鏡3、光柵12和反射鏡5。與 Littman結構不同的是，半導體激光管1發出的激光入射到光柵12上的 入射角0i小于光柵的衍射角0d。通過上述結構可以使得光柵12的衍射 光斑在子午方向上被壓縮，其尺寸小于入射光斑尺寸，且反射鏡5和同 步調諧轉動中心P更容易被選擇在位于半導體激光管發射激光束的同 側。光柵12選頻可通過繞同步轉動中心P轉動反射鏡5實現，例如 設置反射鏡轉動調節裝置，調節所述反射鏡5以反射鏡5的同步調諧轉 動中心P為軸進行轉動。
下面結合圖3所示，舉例對本發明光柵掠衍射外腔半導體激光器 工作原理進行說明。如圖3所示，功率30mW波長為689nm的半導體 激光管1發出的激光光束，經過焦距為4mm，數值孔徑為0.6的非球面 準直透鏡3準直后，入射在刻線密度為1800g/mm、具有合適的衍射效 率、刻線面積大小為12.5mmxl2.5mm、厚度為6mm的閃耀衍射光柵 12上，例如入射角為21.2°，衍射角為63.5。。衍射光柵12的零級衍射 光或直接鏡反射光作為激光器的輸出光束。衍射光柵12的一級衍射光 正入射到反饋反射鏡5上。衍射光柵12、半導體激光管1和反射鏡5組 成光柵外腔。由反射鏡5將一級衍射光沿原路返回。該反饋光沿著與原 入射光束共線反向的路徑，經衍射光柵12再次衍射后，被返回到半導 體激光管1中。由于光柵外腔的選頻作用，使得激光振蕩的頻率噪聲被 壓縮，從而實現激光線寬的壓窄。
參見圖4所示，為本發明設置了調節部件的掠衍射結構外腔半導體 激光器示意圖，包括半導體激光管1、半導體激光管熱沉2、準直透 鏡3、準直透鏡調整架4、反饋反射鏡5、反射鏡調整架動 6、反射鏡調整架定板7、波長或頻率調諧調整螺釘8、反射鏡調整螺釘9、頻率調 諧壓電陶瓷IO、光柵固定架ll、衍射光柵12以及底板13。其中，
半導體激光管熱沉2，用于半導體激光管1的溫度控制，可采用溫 度傳感器和半導體制冷器實現該溫度控制，進而可以控制半導體激光管 1的輸出波長等參數。
準直透鏡調整架4,用于安置準直透鏡3，還可以通過微調螺釘等 對準直透鏡調整架4的角度、位置進行微調。
反射鏡調整架動板6，用于安置反饋反射鏡5,在反射鏡調整架動 板6上設置有頻率調諧壓電陶瓷10 。
反射鏡調整架定板7上設置有波長/頻率調諧調整螺釘8以及反射 鏡調整螺釘9，并固定在底板13上。波長/頻率調諧調整螺釘8與反射 鏡調整架動板6的頻率調諧壓電陶瓷10接觸，波長/頻率調諧調整螺釘 8用于粗調，頻率調諧壓電陶瓷10用于較細致的調節。通過調整架定板 上的微調螺釘8或調整架動板上的壓電陶瓷10來改變固定反射鏡5的 反射鏡調整架動板6的角度，實現對激光頻率或波長的粗略調諧或精細 調諧。反射鏡調整螺釘9控制反射鏡調整架動板6，用以調整反射鏡5 的反射面與衍射光垂直，并用于轉動中心P的定位，使得反射鏡5能夠 保持以轉動中心P為軸轉動。
光柵固定架11，用于安置衍射光柵12,還可以通過微調螺釘、壓 電陶瓷等對光柵固定架ll的角度、位置進行微調。
除所述半導體激光管熱沉2外，還可以對半導體激光管1的輸入電 流設置電流控制裝置，控制半導體激光管1的輸出波長等參數。
上面只是為配合說明而給出的具體實施例，本領域技術人員應該知
范圍之內。例如半導體激光管也可選用其它波長，其它輸出功率；光 柵也可采用透射光柵、或全息光柵等，其它刻線密度和大小厚度構成， 選用其它的入射角和衍射角。準直透鏡也可以采用其它焦距和數值孔 徑。
本發明的描述是為了示例和說明起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技 術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理 和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適 于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
權利要求
1.一種光柵掠衍射外腔半導體激光器，其特征在于，包括半導體激光管(1)、準直透鏡(3)、光柵(12)和反射鏡(5)；所述半導體激光器內各部件的布設使得半導體激光二極管(1)發出的激光入射到光柵上的入射角θi小于光柵(12)一級衍射光的衍射角θd。
2. 根據權利要求l所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體 激光器內各部件的布設還使得所述光柵(12)的一級衍射光正入射到反 射鏡(5)上；由反射鏡(5)將一級衍射光沿原路返回并沿著與原入射 光束共線反向的路徑，經光柵(12)被返回到半導體激光管(1)中。
3. 根據權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體 激光器內各部件的布設使得反射鏡(5)和反射鏡(5)的同步調諧轉動 中心P位于半導體激光管(1)發射激光束的同側。
4. 根據權利要求l所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體 激光器還包括以下至少 一種半導體激光管熱沉(2)，用于半導體激光管(1)的溫度控制； 電流控制裝置，用于控制半導體激光管(1)的輸入電流。
5. 根據權利要求1或4所述的半導體激光器，其特征在于，所述半 導體激光器還包括反射鏡轉動調節裝置，用于調節所述反射鏡(5) 以反射鏡(5)的同步調諧轉動中心P為軸進行轉動。
6. 根據權利要求5所述的半導體激光器，其特征在于，所述反射鏡 轉動調節裝置包括反射鏡調整架動板(6),用于安置反饋反射鏡(5 )，在反射鏡調整 架動板(6)上設置有頻率調諧壓電陶瓷(10);反射鏡調整架定板(7)，設置有波長/頻率調諧調整螺釘(8)和反 射鏡調整螺釘(9)，并固定在半導體激光器的底板(13)上；通過調整 架定板上的微調螺釘(8)或調整架動板上的壓電陶瓷(10)來改變固 定反射鏡(5)的反射鏡調整架動板(6)的角度，實現對激光頻率或波長的粗略調諧或精細調諧；反射鏡調整螺釘(9)控制反射鏡調整架動 板(6)，用以調整反射鏡(5)的反射面與衍射光垂直，并用于轉動中 心P的定位。
7. 根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述光柵 為衍射光柵或透射光柵。
8. 根據權利要求7所述的半導體激光器，其特征在于，所述衍射光 柵為閃耀衍射光柵或全息光柵。
全文摘要
本發明公開一種光柵掠衍射外腔半導體激光器，其特征在于，包括半導體激光管(1)、準直透鏡(3)、光柵(12)和反射鏡(5)；所述半導體激光器內各部件的布設使得半導體激光二極管(1)發出的激光入射到光柵上的入射角θi小于光柵(12)的一級衍射光的衍射角θd。通過本發明使得衍射光的光斑小于入射光光斑，可實現子午方向上的光斑壓縮。
文檔編號H01S5/00GK101582561SQ20081009708
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月12日 優先權日2008年5月12日
發明者方占軍, 曹建平, 燁 李, 臧二軍 申請人:中國計量科學研究院