專利名稱：一種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領域，特別是指新型的單模大范圍調諧的窄線寬 外腔半導體激光器。
背景技術：
目前，Yabai He and Brian J.Orr提出采用分立元件折疊F-P腔結構的外腔半導體
激光器，其結構參見圖1所示，環形濾波器(Ringfilter)的三個反射鏡構成等效F-P腔， 半導體激光管(LD，Laserdiode)發射出的激光光束通過準直透鏡、分光棱鏡、部分反射 鏡Ml等光學器件入射到Ring filter構成的F_P腔中振蕩后，透射出的光經部分反射鏡M2 后最終入射到光折變晶體(Photo-refractive crystal)上，其相位共軛光原路返回，經F_P腔 后的折射光反饋到TA，以此進行選模。然而，而分立元件F-P腔的容易受到外界音頻、機械振動和溫度變化的干擾和 影響，腔的體積比較大，系統的穩定性比較差。另外，以光折變晶體作為反饋元件的外腔半導體激光器。在Littrow和Littman 結構中，激光波長或頻率的調諧是通過轉動光折變晶體或者反射鏡，從而改變光線的衍 射角實現的。然而，在此過程中，光折變晶體的選頻作用和經過光折變晶體與半導體激 光管構成的F-P外腔的選頻作用同時被改變。一般而言，上述改變不是同步的，從而將 引起激光模式的跳模變化，中斷了激光頻率的調諧，使得可得到的激光頻率連續不跳模 調諧范圍非常小，例如1至2個GHz。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提出一種外腔半導體激光器，實現波長或頻率的 大范圍的同步調諧，得到大的不跳模的連續調諧頻率范圍。基于上述目的本發明提供的外腔半導體激光器，包括半導體激光管、單塊環 形F-P腔和光折變晶體；所述半導體激光器中各部件的布設使得從半導體激光管發出的光束從所述單塊 環形F-P腔的輸入面入射進入所述單塊環形F-P腔，經過至少兩個反射面反射后，回到輸 入面的入射點；從所述單塊環形F-P腔其中一個反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔 的出射光入射到所述光折變晶體，并被按原路徑反饋回半導體激光管。可選的，該半導體激光器中所述單塊環形F-P腔包含有三個光學面光線從輸 入面入射進入單塊環形F-P腔，經過在第一反射面反射后，到達第二反射面，經第二反 射面反射后回到輸入面的入射點；并且從反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔的出射 光，所述從第一反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔的出射光。可選的，該半導體激光器中所述單塊環形F-P腔為等腰梯形六面體單塊結構， 所述入射面和第一反射面為梯形的兩腰所在面，所述第二反射面為梯形的下底所在面；或者所述單塊環形F-P腔為等邊三角型五面體結構，等邊三角型三個邊所在平面作為所述光學面。可選的，該半導體激光器中所述單塊環形F-P腔為等腰梯形六面體單塊結構 時，所述入射面和第二反射面夾角為66.42。可選的，該半導體激光器中所述入射面利用光學鍍膜技術鍍有合適反射率Ra的 反射膜，所述第一反射表明為高反射面，該表面高反射率Rb = Ra;所述第二反射表明 為全反射面。可選的，該半導體激光器中所述單塊環形F-P腔的 光學面均為微凸面型或均為 平面；或者所述單塊環形F-P腔的光學面為平面與微凸面組合、或微凸與平面及微凹 面的組合。可選的，該半導體激光器中還包括準直透鏡，所述半導體激光管發出的光束 首先經過準直透鏡準直后再入射到其他光學器件；半波片，所述半導體激光管發出的光束通過半波片后，入射到單塊環形F-P腔。可選的，該半導體激光器中還包括有以下調節設備中的一種或一種以上組合單塊環形F-P腔的調節設備，通過改變單塊環形F-P腔的內部光程來調節單塊環 形F-P腔決定的諧振頻率；或者通過旋轉單塊環形F-P腔，來改變入射光線、出射光線 的角度；外腔的調節設備，通過改變半導體激光器外腔長度、光學性能來調節激光頻 率；半導體激光管的調節設備，通過改變半導體激光管的輸入電流來改變半導體激 光管輸出光頻率范圍；或者通過改變半導體激光管的溫度來改變半導體激光管輸出光頻 率范圍。可選的，該半導體激光器中所述外腔的調節設備，包括用于通過改變入射至 光折變晶體的光束角度來調節光折變晶體選頻的調節裝置；或者通過改變光折變晶體到 單塊環形F-P腔或光折變晶體到半導體激光管的距離來調節光折變晶體選頻決定的激光 振蕩頻率的調節裝置。可選的，該半導體激光器中所述單塊環形F-P腔的調節設備包括以下一種或一 種以上的組合所述單塊環形F-P腔上粘接的壓電陶瓷，用于進行F-P腔諧振頻率的快速小范圍 細調；設置于所述單塊環形F-P腔的溫控器件，用戶進行F-P腔諧振頻率的慢速大范圍 粗調；設置于所述單塊環形F-P腔微調螺釘或壓電陶瓷，用于改變單塊環形F-P腔的對 光折變晶體的反饋角度；所述外腔的調節設備為用于調整分光器件角度的調節裝置；所述半導體激光管的調節設備包括以下一種或一種以上的組合半導體激光管熱沉，通過改變半導體激光管的溫度，改變半導體激光管輸出光 頻率范圍。
從上 面所述可以看出，本發明提供的外腔半導體激光器，通過把單塊環形F-P 腔加入到LD與光折變晶體之間，實現了輸出穩定的窄線寬，另外由于激光器外腔由激 光管的后表面與相位共軛的光折變晶體組成，當改變光折變晶體的位置以改變外腔長度 時，無轉動軸因素的影響，故能實現單模的大范圍調諧。同時解決了分立元件F-P腔 穩定性不好，易受到外界干擾，體積過大和系統復雜等問題。該外腔半導體激光器不 用腔內和腔外復雜龐大昂貴的反饋鎖定電子系統，實現外腔半導體激光器譜線寬度小于 IOOkHz的窄線寬激光輸出，單模調諧范圍不小于IOG的大幅度調節，并且激光器的頻率 更加穩定、容易調諧和控制。
圖1為現有Yabai He and Brian J.Orr外腔半導體激光器結構示意圖；圖2為單塊環形F-P腔示意圖；圖3為另一單塊環形F-P腔示意圖；圖4為本發明光折變晶體的示意圖；圖5為本發明實施例的外腔半導體激光器結構示意圖；圖6為本發明實施例帶有調節部件的外腔半導體激光器結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明的外腔半導體激光器主要包括半導體激光管(LD) 1、準直透鏡3、光折 變晶體14和單塊環形F-P腔(MFC) 5。本發明一個實施例如圖5所示，LD 1發射的光經準直透鏡3準直后，通過半波 片(HW)501，光線輸入面上的A點入射進入單塊環形F-P腔5，經過在鍍有高反射膜的 反射表面上B點反射后，到C點，經C點所在的平面全反射后回到A點，形成環形腔， 其B點射出的透射光被光折變晶體14反饋回LD 1。由于單塊環形F-P腔5所具有更好 的選頻作用，使得整個外腔的選頻作用被極大地增強，其效果表現為激光振蕩的頻率噪 聲被進一步壓縮，從而實現激光線寬的壓窄。該單塊環形F-P腔決定的諧振頻率可通過粘接壓電陶瓷方法和控溫技術分別實 現快速小范圍細調和慢速大范圍粗調，實現對激光頻率的調諧與控制。而光折變晶體與 LD形成的腔的激光振蕩頻率可通過整體調節光折變晶體的位置實現，例如通過在光折變 晶體14后面設置壓電陶瓷502改變位置。經過這些途徑，可將光折變晶體選頻決定的激 光頻率與單塊環形F-P腔決定的激光頻率調成接近一致。利用激光振蕩的物理機制，使 得在單塊環形F-P腔的諧振頻率上產生激光振蕩，并且可通過調整單塊溫度和粘接在單 塊環形F-P腔上的壓電陶瓷片調整控制激光頻率。并可通過改變支配光折變晶體的壓電 陶瓷502電壓實現外腔對單塊環形F-P腔頻率的跟蹤或同步。發明的一個實施例中所述環形F-P腔的結構，如圖2所示。光線輸入面上的A 點入射進入環形F-P腔，經過在鍍有高反射膜的反射表面上B點反射后，到C點，經C點 所在的平面全反射后回到A點，形成環形腔，其B點的透射光被光折變晶體反饋回LD。
單塊環形F-P腔除了可做成三個光學面的梯形六面體結構外還可以做成三角型五面體結構如圖3所示，入射到單塊環形F-P腔的入射角為49.3°，設計單塊環形F-P 腔長12X 12X 12mm3，每個內角都為60°。此外還可以做成其他形狀，也不一定必須是 等邊或等角的對稱結構，也可以由三個以上的光學面組成，例如除入射面外還包含有三 個、四個或更多的反射面，只要是能在內部形成環形諧振就可以。所述單塊環形F-P腔的光學面除均為平面外，根據需要還可以制作成光學面均 為微凸面型；或者單塊環形F-P腔的光學面為平面與微凸面組合、或微凸與平面及微凹 面的組合。本發明中，單塊環形F-P腔決定的諧振頻率可通過粘接壓電陶瓷方法和控溫技 術分別實現快速小范圍細調和慢速大范圍粗調，實現對激光頻率的調諧與控制。而光折 變晶體與LD形成的腔的激光振蕩頻率可通過整體調節光折變晶體的位置實現。例如通 過壓電陶瓷改變位置。經過這些途徑，可將光折變晶體選頻決定的激光頻率與單塊環形 F-P腔決定的激光頻率調成接近一致。利用激光振蕩的物理機制，使得在單塊環形F-P 腔的諧振頻率上產生激光振蕩，并且可通過調整單塊溫度和粘接在單塊上的壓電陶瓷片 調整控制激光頻率。并可通過改變支配光折變晶體的壓電陶瓷電壓實現外腔對單塊環形 F-P腔頻率的跟蹤或同步。本發明提供的半導體激光器中，還可以設置各種調節設備，主要包括如下幾 類單塊環形F-P腔的調節設備，可以是通過改變單塊環形F-P腔的內部光程來調節 單塊環形F-P腔決定的諧振頻率的調節設備，例如在所述單塊環形F-P腔上粘接的壓 電陶瓷，進行F-P腔諧振頻率的快速小范圍細調，在所述單塊環形F-P腔上設置熱沉等溫 控器件，進行F-P腔諧振頻率的慢速大范圍粗調。或者通過旋轉單塊環形F-P腔，來改 變入射光線、出射光線的角度的調節設備，例如在單塊環形F-P腔與底板連接部分設 置微調螺釘或壓電陶瓷，來改變單塊環形F-P腔的對光折變晶體的反饋角度。外腔的調節設備，通過改變半導體激光器外腔長度、光學性能等來調節激光頻 率。例如通過改變入射至光折變晶體的光束角度來調節光折變晶體選頻的調節裝置， 例如用于調整光折變晶體角度的調節裝置；或者通過改變光折變晶體到單塊環形F-P腔 或光折變晶體到LD的距離來調節光折變晶體選頻決定的激光振蕩頻率。LD的調節設備，通過改變LD的輸入電流來改變LD輸出光頻率范圍；或者通 過改變LD的溫度來改變LD輸出光頻率范圍，例如熱沉等。圖6給出了帶有調節機構的增強外腔半導體激光器實施例。該外腔半導體激光 器主要包括半導體激光管(LD) 1、半導體激光管的熱沉2、非球面準直透鏡(Col) 3， 非球面準直透鏡調整架4、單塊環形F-P腔(MFC) 5、單塊環形F-P腔熱沉6 (可用于單塊 環形F-P腔5的慢速大范圍頻率調諧)、調節架動板8、調節架定板9、用于單塊環形F-P 腔的整體調整的微調螺釘10、用于單塊環形F-P腔的整體調諧的調節架壓電陶瓷11、粘 在單塊環形F-P腔上的壓電陶瓷13 (可用于環形F-P腔的快速頻率調諧)、光折變晶體14 和光折變晶體固定架15。其中，標號7指示的為外腔半導體激光器輸出，12為光折變晶 體14衍射返回的光在單塊環形F-P腔7的B面的反射光，該光束可作為監測光。本實施例中采用如圖2所示的環形單塊F-P腔結構。利用低傳輸損耗的光學石英玻璃作為材料，通過光學加工使其形成包含3個光學面的梯形六面體單塊結構形式。該 梯形體底邊長度15mm，梯形側邊長12mm，厚度為6mm。在該6面體上的2個光學表面 中，A點所在表面為輸入輸出耦合面，該表面為平面，利用光學鍍膜技術鍍有合適反射 率Ra的反射膜，例如反射率Ra = 0.9至0.99。A點所在的表面單獨構成等效F-P腔的 兩端反射面。該表面可為平面，B點所在平面為高反射面，該表面高反射率Rb = Ra， 即與A點所在平面的反射率相同。C點所在平面為全反射面，該面可不鍍膜，通過內全 反射原理實現光束的折疊。A點和C點所在的表面夾角為66.42°。光學加工中90°的 角度公差和3個光學表面的塔差得到嚴格保證。光折變晶體為RkBaTiO3非鍍膜元件，摻Rh的濃度為6ppm。 尺寸為 6.6mmX5.1mmX8.2mm，晶體光軸c沿著晶體的長邊方向，如圖4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，以入射角37.34°在兼做輸入輸出耦 合面上的單塊F-P腔5的A點入射(由一個由單塊優質光學石英玻璃材料加工構成的單 塊環形F-P腔5)，入射光在A點發生反射和折射。其中折射進入單塊環形F-P腔5的光 束部分，入射在鍍有高反射膜的反射表面上的B，在該點被反射后，返回到折疊面C點， 以大于全反射的角度入射在C點，在C點發生全反射，折回到A點，形成諧振，其B點 的透射光入射在光折變晶體RkBaTiO3 14，光場在晶體內產生電荷重新分布，引起折射 率調制，會在經過的空間形成折射率周期分布，其分布與光波的強度分布一致。因此也 可以把這種折射率周期分布認為是一種光柵，即自相位體全息光柵。光經由自光折變晶 體RkBaTiO3 14后產生相位共軛，光原路返回，反饋回半導體激光管1。該光束強度在 諧振頻率處達到最大值，實現窄線寬激光器。半導體激光管1入射到A點的反射光與經 單塊環形諧振在A的透射光的總合構成外腔激光器的輸出，其輸出在諧振時最弱。將光 折變晶體RkBaTiO3 14，半導體激光器1和環形F-P腔5組成外腔。環形F_P腔5的透 射光具有與單塊環形F-P腔相同的光譜結構，該透射光作為反饋光沿著與原入射光束共 線反向的路徑，經光折變晶體RkBaTiO3 14被返回到半導體激光管1中。由于單塊環形 F-P腔5的選頻作用，使得外腔的選頻作用被進一步增強，其效果表現為激光振蕩的頻率 噪聲被進一步壓縮，從而實現激光線寬的壓窄，得到短期線寬小于100kHz。 半導體激光管1采用溫度傳感器和半導體制冷器2實現溫度控制。環形F-P腔 5采用溫度傳感器和半導體激光管的熱沉2 (半導體激光管的熱沉可以是半導體制冷器等) 實現溫度控制。該單塊環形F-P腔5的諧振頻率可通過粘接在該腔上的壓電陶瓷13的方 法和對單塊環形F-P腔熱沉6精密控溫技術分別作快速小范圍細調和慢速大范圍粗調，實 現對激光頻率的調諧與控制，而光折變晶體RlKBaTiO3 14選頻決定的激光振蕩頻率可通 過整體轉動單塊環形F-P腔5實現。例如通過微調螺釘10或粘接在動板上的壓電陶瓷11 改變單塊腔5的對光折變晶體RkBaTiO3 14的反饋角度。在改變角度的過程中，固定在 粘有壓電陶瓷11調節架動板8上的單塊環形F-P腔5和單塊環形F-P腔熱沉6隨著調節 架動板8 —起旋轉，進入單塊環形F-P腔5的光束方向也隨著調節架動板8的轉動改變相 同的角度，實現波長反饋。經過這些途徑，可將光折變晶體RkBaTiO3 14選頻決定的激 光頻率與單塊環形F-P腔5決定的激光頻率調成接近一致。利用激光振蕩的物理機制， 使得在單塊F-P腔5的諧振頻率上產生激光振蕩，并且可通過調整單塊環形F-P腔熱沉6的溫度和粘接在單塊環形F-P腔上的壓電陶瓷片13調整控制激光頻率。可通過改變支配 單塊環形F-P腔轉動的壓電陶瓷11的電壓或微調調節螺釘10，帶動單塊環形F-P腔5隨 著調節架動板8 —起旋轉，實現外腔對單塊環形F-P腔頻率的跟蹤或同步。非球面準直 透鏡調整架4用于固定非球面鏡及激光束準直的調整，單塊環形F-P腔5通過熱沉6固定 在調節架動板8上，調節架動板8可通過調節架定板9上的微調螺釘調整。調節架定板 9、半導體激光管熱沉2、非球面準直透鏡調整架4、光折變晶體固定架15均被固定在半 導體激光器外腔的底板上。 以上所述的具體實施例僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明。 比如本發明中的LD可選用其他型號；單塊環形F-P腔的腔體也可選用其它形狀，尺寸 大小也可選用其它尺寸，66.42°角也可選用其它角度，單塊環形F-P腔材料也可選用其 它光學或激光材料，鍍膜參數也可選用其它數值；光折變晶體可采用其他晶體，摻雜濃 度可選用其它濃度；LD發出的激光波長可選用其它波長數值等。總之，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種外腔半導體激光器，其特征在于，包括半導體激光管、單塊環形F-P腔和 光折變晶體；所述半導體激光器中各部件的布設使得從半導體激光管發出的光束從所述單塊環形 F-P腔的輸入面入射進入所述單塊環形F-P腔，經過至少兩個反射面反射后，回到輸入面 的入射點；從所述單塊環形F-P腔其中一個反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔的出 射光入射到所述光折變晶體，并被按原路徑反饋回半導體激光管。
2.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述單塊環形F-P腔包含有三 個光學面光線從輸入面入射進入單塊環形F-P腔，經過在第一反射面反射后，到達第 二反射面，經第二反射面反射后回到輸入面的入射點；并且從反射面的透射光作為該單 塊環形F-P腔的出射光，所述從第一反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔的出射光。
3.根據權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述單塊環形F-P腔為等腰梯 形六面體單塊結構，所述入射面和第一反射面為梯形的兩腰所在面，所述第二反射面為 梯形的下底所在面；或者所述單塊環形F-P腔為等邊三角型五面體結構，等邊三角型三個邊所在平面作 為所述光學面。
4.根據權利要求3所述的半導體激光器，其特征在于，所述單塊環形F-P腔為等腰梯 形六面體單塊結構時，所述入射面和第二反射面夾角為66.42°。
5.根據權利要求2-4任意一項所述的半導體激光器，其特征在于，所述入射面利用光 學鍍膜技術鍍有合適反射率Ra的反射膜，所述第一反射表明為高反射面，該表面高反射 率Rb = Ra;所述第二反射表明為全反射面。
6.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述單塊環形F-P腔的光學面 均為微凸面型或均為平面；或者所述單塊環形F-P腔的光學面為平面與微凸面組合、或微凸與平面及微凹面的 組合。
7.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，該半導體激光器還包括準 直透鏡，所述半導體激光管發出的光束首先經過準直透鏡準直后再入射到其他光學器 件；半波片，所述半導體激光管發出的光束通過半波片后，入射到單塊環形F-P腔。
8.根據權利要求1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有以 下調節設備中的一種或一種以上組合單塊環形F-P腔的調節設備，通過改變單塊環形F-P腔的內部光程來調節單塊環形 F-P腔決定的諧振頻率；或者通過旋轉單塊環形F-P腔，來改變入射光線、出射光線的角 度；外腔的調節設備，通過改變半導體激光器外腔長度、光學性能來調節激光頻率；半導體激光管的調節設備，通過改變半導體激光管的輸入電流來改變半導體激光管 輸出光頻率范圍；或者通過改變半導體激光管的溫度來改變半導體激光管輸出光頻率范 圍。
9.根據權利要求8所述的半導體激光器，其特征在于，所述外腔的調節設備，包括 用于通過改變入射至光折變晶體的光束角度來調節光折變晶體選頻的調節裝置；或者通過改變光折變晶體到單塊環形F-P腔或光折變晶體到半導體激光管的距離來調節光折變 晶體選頻決定的激光振蕩頻率的調節裝置。
10.根據權利要求8所述的半導體激光器，其特征在于，所述單塊環形F-P腔的調節 設備包括以下一種或一種以上的組合所述單塊環形F-P腔上粘接的壓電陶瓷，用于進行F-P腔諧振頻率的快速小范圍細調；設置于所述單塊環形F-P腔的溫控器件，用戶進行F-P腔諧振頻率的慢速大范圍粗調；設置于所述單塊環形F-P腔微調螺釘或壓電陶瓷，用于改變單塊環形F-P腔的對光折 變晶體的反饋角度；所述外腔的調節設備為用于調整分光器件角度的調節裝置； 所述半導體激光管的調節設備包括以下一種或一種以上的組合 半導體激光管熱沉，通過改變半導體激光管的溫度，改變半導體激光管輸出光頻率 范圍。
全文摘要
本發明公開一種外腔半導體激光器，包括半導體激光管、單塊環形F-P腔和光折變晶體；所述半導體激光器中各部件的布設使得從半導體激光管發出的光束從所述單塊環形F-P腔的輸入面入射進入所述單塊環形F-P腔，經過至少兩個反射面反射后，回到輸入面的入射點；從所述單塊環形F-P腔其中一個反射面的透射光作為該單塊環形F-P腔的出射光入射到所述光折變晶體，并被按原路徑反饋回半導體激光管。本發明實現了輸出穩定的窄線寬，單模的大范圍調諧。同時解決了分立元件F-P腔穩定性不好，易受到外界干擾，體積過大和系統復雜等問題。
文檔編號H01S5/14GK102025107SQ20091017660
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者彭瑜, 方占軍, 曹建平, 李燁, 臧二軍 申請人:中國計量科學研究院