專利名稱：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，特別是指一種外腔半導體激光器。
背景技術：
半導體激光器，包括分布反饋(DFB)和外腔半導體激光器是科研和工業中的重要 激光光源。然而通常的外腔半導體激光器輸出譜線非常寬，一般達到幾百千赫甚至幾兆赫， DFB半導體激光器常常具有更寬的線寬，這種寬線寬的存在與許多場合的應用要求相距甚 遠。為解決這一問題，一般常用的半導體激光器采用光電反饋和光學反饋兩種方法來 實現壓窄半導體線寬。光電反饋是將具有較寬線寬的激光束分出一部分，入射到單獨可控 的法布里-珀羅(F-P)腔上，接收經過調制的F-P腔反射光激光信號，與調制信號混頻后得 到誤差信號，利用PDH鎖定方法，使得激光器頻率被鎖定在該F-P腔的某個諧振峰上，從而 實現激光線寬的壓窄。光學反饋方法使半導體激光管與外光路形成光學回路，利用諧振腔 的選頻作用，實現激光線寬的目的。其中，光學反饋方法最常使用的是Littrow結構和Littman結構，如圖1和圖2所
7J\ ο在圖1所示的Littrow結構中，由半導體激光管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9上。衍射光柵9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9上的入 射角θ i等于光柵的衍射角θ d。在圖2所示的Littman結構中，由半導體激光管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9上。衍射光柵9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9上，經衍射光 柵9再次衍射后回到半導體激光管1中。此外，光學反饋方法還可使用在光路中加入F-P腔的方式。經過處理的F-P腔逆 入射光，返回到半導體激光管中形成光學反饋，即形成諧振，利用F-P諧振峰的窄譜光反饋 壓窄線寬。例如B. Dahmani，L. Hollberg，and R. Drullinger提出的諧振反饋半導體激光器， 如圖3所示，利用光路中加入的共焦F-P腔實現光路反饋在半導體激光器外腔中設置一個 由腔鏡306和腔鏡307組成的共焦F-P腔。由半導體激光管1發出的發散光束經非球面準 直透鏡3匯聚為平行光束，入射到分束鏡304，反射光經可變衰減器301、光闌302、匹配透鏡 303到達反射鏡300，經反射鏡300反射后，入射到由腔鏡306和腔鏡307組成的共焦F-P腔 上，反射光中的其中一路光束沿著與原入射光束共線反向的路徑，經反射鏡300再次反射 后被返回到半導體激光管1中。腔鏡307的透射光進入光電探測器309。其中在腔鏡307 上設置有F-P腔調整壓電陶瓷，在反射鏡300上設置有激光相位調整壓電陶瓷，分別用于進 行輸出光頻率和相位的物理調節。此外K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff,S. Schiller, and A. Wicht提出采用透射式光柵和分立元件F-P腔構成半導體激光器可實 現更窄線寬，如圖4所示。在外腔半導體激光器的腔內加入一個由耦合鏡401、反射鏡402 和反射鏡403三個分立鏡片構成的F-P折疊腔，形成F-P腔與半導體激光管的光學反饋，從 而壓窄線寬。半導體激光管1發出的發散光束經非球面準直透鏡3匯聚為平行光束，入射 到透射光柵412，衍射光經1/2波片404到達由耦合鏡401、反射鏡402和反射鏡403組成 的F-P腔，該腔的逆入射反射光束沿著與原入射光束共線反向的路徑，經透射光柵412再次 衍射后被返回到半導體激光管1中；耦合鏡401的鏡反射光進入平衡偏振探測器405，經透 射光柵412透射光進入光電二極管406，如此通過反饋電子學系統，使得該F-P腔的某個諧 振峰被鎖定在半導體外腔激光器的頻率上。在所述使用光學反饋方式壓窄半導體激光器現有技術中，均使用經過處理的F-P 腔逆入射光作為反饋光。不可直接利用F-P腔反射光作為反饋光的原因在于反射光在腔 形成諧振時光強最弱，而在沒有諧振時光強最強，因此無法形成光路反饋，不可直接將F-P 透射光作為反饋光使用。同時，在使用直腔時，若使用F-P腔反射光作為反饋光，由于反射 光與入射光共路反向，會對反射光的探測造成困難。因此在所述B. Dahmani，L. Hollberg，and R. Drullinger 的方案中，采用與共焦 F-P腔軸線方向有微小角度的方式入射F-P腔中，使光線在共焦F-P腔中以V形簡并方式 往返傳播，當形成振蕩時，腔內透射光束沿入射光方向返回，形成反饋，但是這樣的方案造 成光路調節困難。所述 K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff, S. Schiller, and A. Wicht等人提出的分離元件折疊F-P腔方案中，利用折疊F-P腔的逆入射反射光具有與 F-P腔相反的光譜結構，從而可以使用作為反饋光。但是現有分立元件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，系統的穩定性比較差。而如果設計成一體化的 單塊折疊F-P腔需要更高的精度要求，對工藝要求較高。
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，以較簡單的方式解決 解決常規外腔半導體激光器譜線較寬的問題。基于上述目的本發明提供的一種外腔半導體激光器，在半導體激光器外腔的主光 路中布設有光學諧振腔、光學隔離器和1/2波片；半導體激光器的布設使得所述半導體激光管發出的光束能夠經第一 1/2波片正 向通過光學隔離器，并且透射過所述諧振腔的光束能夠經第二 1/2波片后反向通過光學隔 離器，使此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。可選的，在半導體激光器外腔的主光路中還布設光柵；主光路的光束經過光柵形 成的零階衍射光作為輸出光，一階衍射光作為半導體激光器的反饋光；或者在半導體激光器外腔的主光路中還布設光柵以外的其他分光器件，主光路的 光束入射在該分光器件后的分出的部分作為半導體激光器的輸出光，剩余部分作為反饋 光。可選的，該半導體激光器中所述光柵為反射光柵或者透射光柵；所述其他分光器件為部分反射鏡或者分光棱鏡，并進一步與分光器件配合的在主 光路的反饋光路部分設置選頻器件。
可選的，該半導體激光器中所述諧振腔為F-P腔結構或環形腔結構。可選的，該半導體激光器中所述F-P腔為直腔結構或者折疊腔結構。可選的，該半導體激光器中所述諧振腔為分離元件結構或者單塊結構。可選的，該半導體激光器中所述諧振腔為F-P腔時，在透射過所述諧振腔的光束 進入所述第二 1/2波片之前進一步設置另一個光學隔離器。可選的，該半導體激光器中還包括如下一種或一種以上調制設備對諧振腔諧振頻率進行調制的設備，對半導體激光器外腔進行調節的設備，對半 導體激光管輸出光頻率調節的設備。可選的，該半導體激光器中所述對諧振腔諧振頻率進行調制的設備包括諧振腔 上粘接壓電陶瓷、或設置控溫裝置、或二者組合；所述對半導體激光器外腔進行調節的設備包括以下一種或一種以上組合電光調 制器和腔鏡控制器，電光調制器用于在主光路的光束中加入調制信號，通過探測器探測主 光路中的光信號，轉換為電信號后經電學處理，得到誤差信號，反饋給腔鏡控制器，控制所 述外腔腔長，實現外腔對F-P腔頻率的跟蹤或同步；所述對半導體激光管輸出光頻率調節的設備包括以下一種或一種以上組合通過 對半導體激光管驅動電流加入調制信號，實現對激光頻率的調制的電流調制設備；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的設備。可選的，該半導體激光器的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片、 分光器件和標準具；從所述半導體激光管發出的出射光束經過第一 1/2波片進入所述光 學隔離器，從光學隔離器的出射光束入射到分光器件，經分光器件分束后進入標準具，經標 準具透射進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的出射光束經第二 1/2波片反向通過光學隔離 器，此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。可選的，該半導體激光器的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片 和光柵；從所述半導體激光管發出的出射光束經過第一 1/2波片進入所述光學隔離器，從 光學隔離器的出射光束入射到光柵，經光柵衍射后進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的透 射光束經第二 1/2波片反向通過光學隔離器，此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回 到半導體激光管中。可選的，該半導體激光器的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片 和光柵；從所述半導體激光管發出的出射光束入射到光柵，經光柵衍射后，經過第一 1/2波 片進入所述光學隔離器，從光學隔離器的出射光束，進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的出 射光束經第二 1/2波片反向通過光學隔離器，此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回 到半導體激光管中。從上面所述可以看出，本發明提供的基于諧振腔反饋增強的外腔半導體激光器， 利用法拉第磁光效應，在半導體激光器中使用光學隔離器和諧振腔，通過光學反饋，使激光 線寬壓窄。
圖1為現有技術Littrow結構外腔半導體結構示意圖；圖2為現有技術Littman結構外腔半導體結構示意圖3為現有技術B. Dahmani, L. Hollberg, and R. Drullinger等人提出的諧振反饋 半導體極光器結構示意圖；圖 4 為現有技術 K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff, S. Schiller, and A. Wicht等人提出的F-P腔增強透射光柵Littman結構外腔半導體結構示意圖；圖5為本發明光柵外腔半導體激光器第一個實施例的結構示意圖；圖6為本發明光柵外腔半導體激光器第二個實施例的結構示意圖；圖7為本發明光柵外腔半導體激光器第三個實施例的結構示意圖；圖8為本發明不采用光柵的外腔半導體激光器的結構示意圖；圖9為本發明帶有完整調節設備的光柵外腔半導體激光器實施例的結構示意圖；圖10本發明實施例的單塊折疊F-P腔的結構示意圖；圖11為本發明光柵外腔半導體激光器第四個實施例的結構示意圖；圖12為本發明光柵外腔半導體激光器第五個實施例的結構示意圖。
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。本發明提供的外腔半導體激光器，在半導體激光器外腔的主光路中主要布設有 光學諧振腔、光學隔離器和1/2波片；并且，所述半導體激光管發出的光束能夠經第一 1/2波片正向通過光學隔離器， 透射過所述諧振腔的光束能夠經第二 1/2波片后反向通過光學隔離器，使此后沿著與原出 射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。這里所述主光路也就是指半導體激光器中激光在外腔中振蕩所經過的光路。本發明在半導體激光器外腔的主光路中可以布設光柵；所述半導體激光管發出的 光束能夠經過光柵，光柵的零階衍射光作為輸出光，光柵的一階衍射光作為半導體激光器 的反饋光；或者在半導體激光器外腔的主光路中布設有分光器件，所述半導體激光管發出的 光束能夠經過該分光器件，光束入射在該分光器件后的分出的部分可作為半導體激光器的 輸出光，剩余部分可作為反饋光。并且為了保證激光器輸出為單模，優選還需要在反饋光路 中加入選頻器件，如標準具等。本發明的設計利用光學隔離器中法拉第旋光器的磁光效應，使半導體激光器同時 具備駐波場和行波場。利用半導體激光器中的駐波部分，可以使用價格便宜的駐波型半導 體激光管，同時在主光路行波場部分加入諧振腔，利用諧振腔透射光實現光學反饋增強，替 代繁雜的電學反饋，使得反饋光的波長或頻率選擇作用通過諧振腔的諧振作用而極大地增 強。并且所使用的諧振腔只需具有透射光，無其他特殊要求。其中，所述行波場部分在本 發明的結構中是指光學隔離器出射一側的光路部分，即光線從光學隔離器的出射端的透射 面透射后，到從光學隔離器出射端的偏振分光棱鏡入射進光學隔離器前，所經過的光路部 分。另外，使用第一個光學隔離器的后端PBS實現諧振腔透射光返回半導體激光管中，使用 任何腔型的諧振腔的透射光實現光學反饋和線寬壓窄，只要具有透射光就可以應用于該設 計，使獲得窄線寬半導體激光器的實現更加簡單。
本發明中，為避免半導體激光管出射激光經諧振腔前表面反射后直接反饋回半導 體激光管，造成對半導體激光管的損害，一般將諧振腔設置于光學隔離器之后，即半導體激 光管發出的光束經過光學隔離器后再經過諧振腔。而所述光柵在光路中的位置可以任意， 比如可以使半導體激光管發出的光束依次經過光學隔離器、光柵和諧振腔；或者依次經 過光學隔離器、諧振腔和光柵；或者依次經過光柵、光學隔離器和諧振腔等。而為了避免諧 振腔對輸出光功率的影響，一般將諧振腔置于光柵之后，以保證僅光柵的一階衍射光經過 諧振腔作為反饋光，而作為輸出光的光柵零階衍射沒有經過諧振腔，以保證輸出功率不被 諧振腔衰減。其中，所述諧振腔可以為F-P腔、或者環形腔等結構。以下參照附圖，對本發明實施例進行詳細說明。參見圖5所示，本發明第一個實施例的光柵外腔半導體激光器主要包括半導體 激光管(LD)1、準直透鏡(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光柵(Gt)9、光學隔離器(01)7和F-P腔 19。半導體激光管1發出的激光依次經過準直透鏡3、第一 1/2波片5、光學隔離器7后，在 光柵9上的一階衍射光束被入射在F-P腔19上，F-P腔19透射光經反射鏡504反射后，通 過第二 1/2波片8，從光學隔離器7出射一側的監視口入射，利用光學隔離器7的磁光效應， 使F-P腔19的透射光經過光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射，反向通過光學隔 離器7，返回到半導體激光管1，從而使得F-P腔透射光形成光路回路。光柵9的零階衍射光 作為輸出光，光柵9的一階衍射光作為半導體激光器的反饋光。從圖5中可以看出，從光學 隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022出射面到經過F-P腔等后又達到光學隔離器7出射端 的偏振分光棱鏡5022反射面，這部分光路是行波場部分，將F-P腔設置于此，可以利用F-P 腔透射光實現光學反饋增強，替代繁雜的電學反饋。由于F-P腔所具有更好的選頻作用，使 得整個光柵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。在半導體激光器中使用光學隔離器和諧振腔，使該激光器形 成光學反饋的同時使激光器具備駐波場和行波場的優點。在激光器行波部分使用諧振腔， 利用諧振腔透射光實現光學反饋，利用駐波場部分，使用駐波型半導體激光管，避免使用價 格昂貴的行波型半導體激光管。使得外腔半導體激光器不用反饋鎖定電子系統，實現輸出 激光的譜線寬度小于100kHz。解決了常規外腔半導體激光器譜線較寬的問題，同時解決了 使用價格便宜的駐波型半導體激光管時，利用諧振腔壓窄半導體激光線寬的應用中光學反 饋的難題，并且無需對F-P腔腔型進行特殊設計和復雜的加工，不用腔內和腔外復雜龐大 昂貴的反饋鎖定電子系統，并且激光器的頻率更加穩定、容易調諧和控制，避免了使用復雜 高速的鎖定電路。本發明上述優選實施例是將光柵設置于諧振腔之前，即從半導體激光管射出的光 束先經過光柵再經過諧振腔，這樣可以減少光線強度的損耗。不過其他的設計方案也是可 以的，例如參見圖6所示，本發明第二個實施例的光柵外腔半導體激光器中，半導體激光管1 發出的激光依次經過準直透鏡3、第一 1/2波片5、光學隔離器7后，被反射鏡504反射進入 F-P腔19，經F-P腔19透射的光束入射在光柵9上，一階衍射光束通過第二 1/2波片8，從 光學隔離器7出射一側的監視口入射，利用光學隔離器7的磁光效應，使F-P腔19的透射 光經過光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射，反向通過光學隔離器7，返回到半導體激光管1，從而使得F-P腔透射光形成光路回路。光柵9的零階衍射光作為輸出光，光柵 9的一階衍射光作為半導體激光器的反饋光。另外，本發明也可以將光柵置于光學隔離器和諧振腔之前。參見圖7所示，本發明第三個實施例的光柵外腔半導體激光器中，半導體激光管1 發出的激光經過準直透鏡3準直后，先入射到光柵9上，一階衍射光束通過第一 1/2波片5、 光學隔離器7后，被反射鏡701反射進入F-P腔19，經F-P腔19透射的光束經另一反射鏡 702反射，經第二 波片8，從光學隔離器7出射一側的監視口入射，利用光學隔離器7的 磁光效應，使F-P腔19的透射光經過光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射，反向 通過光學隔離器7，返回到半導體激光管1，從而使得F-P腔透射光形成光路回路。光柵9 的零階衍射光作為輸出光，光柵9的一階衍射光作為半導體激光器的反饋光。上述各實施例中，所述準直透鏡3用于將半導體激光管1發出的光線匯聚為準直 光束，一般常用非球面準直透鏡實現。所述反射鏡用于改變光線方向，優選采用高反射率平 面鏡，可通過壓電陶瓷(PZT)改變外腔腔長，實現外腔對F-P腔的跟蹤鎖定。本發明半導體激光器的外腔中也可以不使用光柵，參見圖8所示實施例，在圖5所 示的外腔結構基礎上，用具有部分反射功能的部分反射鏡801來替代光柵9，光束入射在該 部分反射鏡801后的透射部分可作為半導體激光器的輸出光束，反射部分可作為反饋光。 除采用部分反射鏡以外還可使用其它分光器件，如分光棱鏡等替代。當然其他實施例半導 體外腔中的光柵也可以用如部分反射鏡、分光棱鏡等分光器件替代，這樣光束入射在該分 光器件后的分出的部分可作為半導體激光器的輸出光，剩余部分可作為反饋光。為了保證 激光器輸出為單模，還在反饋光路中的部分反射鏡801和F-P腔19之間加入了一個標準具 (Etalon)802。本發明實施例中，所述諧振腔決定的諧振頻率可通過在諧振腔腔鏡上粘接壓電陶 瓷，通過壓電陶瓷帶動諧振腔腔長的改變，以及通過控溫技術通過熱脹冷縮效應來改變諧 振腔腔長，從而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。在本發明優選的，還可在半導體激光管的電流中加入調制信號，實現對激光的調 制。所述諧振腔的透射光經光柵的衍射后與入射光相反方向入射到光學隔離器，由于光學 隔離器7的磁光作用，經過光學隔離器法拉第旋光部分，反饋光的偏振態與入射光垂直，被 光學隔離器出射端的偏振分光棱鏡反射后，可作為鎖定監測光，經探測器探測轉換為電信 號后經電學處理，得到誤差信號，反饋給調制設備實現外腔對諧振腔頻率的跟蹤或同步，比 如通過改變所述反射鏡后的壓電陶瓷(PZT)的電壓，實現外腔對諧振腔頻率的跟蹤或同 步鎖定。其中對于圖7所示的實施例，壓電陶瓷可放置于反射鏡701或其他反射鏡702、703 任意一個之后。另外，還有一種方案是在主光路中(優選在反饋光部分)布設電光調制器(EOM)， 用于在主光路的光束中加入調制信號，經探測器探測轉換為電信號后經電學處理，得到誤 差信號，反饋給調制設備實現外腔對F-P腔頻率的跟蹤或同步。本發明中，可選用的調諧與控制設備包括對諧振腔諧振頻率進行調諧與控制的 設備，比如諧振腔上粘接壓電陶瓷實現快速小范圍細調，在諧振腔上設置熱沉等控溫裝置 實現慢速大范圍粗調；對半導體激光器外腔進行調節的設備，比如上述在光路中布設的電光調制器的方案；以及對半導體激光管輸出光頻率調節的設備，比如電流調制設備，通過 對半導體激光管驅動電流加入調制信號，實現對激光頻率的調制。歸納起來，本發明提供的半導體激光器設置的調節設備，主要包括如下幾種類 型對諧振腔的調節設備，通過改變F-P腔的內部光程來調節諧振腔決定的諧振頻 率，例如所述在諧振腔上設置的壓電陶瓷、控溫裝置等；對外腔的調節設備，通過改變外腔長度、光學性能等來調節激光頻率，例如上面 所述在主光路中設置電光調制器、并在外腔腔鏡(反射鏡504、701、702、703等都屬于外腔 腔鏡)后設置壓電陶瓷等腔鏡控制器用于控制外腔腔長。電光調制器在主光路的光束中加 入調制信號，通過探測器對主光路中的光信號進行探測，轉換為電信號后經電學處理，得到 誤差信號，反饋給腔鏡控制器，控制所述外腔腔長，實現外腔對諧振腔頻率的跟蹤或同步。對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，例如上述電流調制設備；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，例如在半導體激光管上設置熱沉，控制其溫度。下面參見圖9所示，對本發明的具有調節設備的外腔半導體激光器實施例進行具 體說明。其中，包括半導體激光管1、半導體激光管熱沉2、非球面準直透鏡3、非球面準直 透鏡調整架4、第一 1/2波片5、探測器6、光學隔離器7、第二 1/2波片8、光柵9、光柵固定 架10、第三1/2波片11、透鏡Ll 12、電光調制器13、透鏡L2 14、高反射率腔鏡Ml 15、匹配 透鏡L3 16、光闌17、高反射率腔鏡M2 18、F-P腔19、F-P腔真空腔20、匹配透鏡L4 21、壓 電陶瓷22、高反射率腔鏡M3 23、λ/4波片24、第四1/2波片25、高反射率腔鏡M4 26、高反 射率腔鏡Μ5 27、高反射率腔鏡Μ6 28、底板30。標號29所指示的是光柵9的零級衍射光， 可作為外腔半導體激光器的輸出光束，該光柵9的一階衍射光作為反饋光繼續在外腔內振 蕩。其中，所述探測器6，為光電探測器，用于探測F-P腔反射光，實現外腔對F-P腔的 跟蹤鎖定；匹配透鏡L3 16，用于實現LD輸出光束對F-P腔的匹配；光闌17，用于空間濾波； F-P腔真空腔20，用于增加F-P腔穩定性(隔聲和隔熱)；匹配透鏡L4 21，用于實現外腔與 F-P腔的匹配；光柵9通過光柵固定架10固定在底板30上，另外若需要也可以設置成活動 的，以調節光柵9角度。本實施例中，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，透射過689nm30dB光學隔離器7，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. 5mmX12. 5mm、厚度 為6mm的閃耀衍射光柵9上，例如入射角為20. 2°，衍射角為63. 5°。光柵9的零階衍射 光作為激光器的輸出光束。光柵9 一階衍射光模式匹配地入射到由優質光學石英玻璃材料 加工構成的F-P腔19上，將光柵9、半導體激光管1、光學隔離器7和F-P腔19等共同組成 外腔。光路中的光學隔離器7起到隔離F-P腔反射回半導體激光管的光和實現F-P腔19 透射光形成光學回路的作用。F-P腔透射光通過光學隔離器7的出射端監測口入射，經光學 隔離器7出射端的偏振分光棱鏡反射后反向通過，返回到半導體激光管1中。由于F-P腔 19的選頻作用，使得光柵9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。本發明上述各實施例中所述的F-P腔除為直腔結構外，也可以是折疊腔等結構。 另外，所述F-P腔既可以采用分離結構(如兩個具有一定反射率的反射鏡)，也可以是單塊 結構(如鍍膜的單塊石英玻璃)。例如，可采用如圖10所示的單塊折疊腔結構。其中Sl面 為輸入耦合面，S2面為全反射面作為F-P腔的折疊面，S3面為輸出耦合面。入射光從Sl面 進入F-P腔，在三個面之間經多次振蕩后，從S3面輸出。這種單塊結構使得諧振腔穩定性 大大提高，不易受外界干擾。在上述采用F-P腔的各實施例中，為了達到更佳的效果可以再增加另一個光學隔 離器，設置在反饋光束通過光學隔離器7之前的位置，以濾除雜質光，防止不希望的反饋 光。優選所述另一個光學隔離器可以設置在透射過所述諧振腔的光束進入到第二 1/2波片 8之前。本發明優選，諧振腔采用高純度和均勻性，優質光學石英玻璃作為材料。F-P腔選 擇為平凹腔型的直腔結構，其兩反射鏡按照超光滑光學加工工藝仔細加工，表面的粗糙度 低于0.5nm。光學鍍膜的吸收系數小于50ppm。諧振腔優選采用高Q (品質因數)值，具體 數值針對不同的腔型、材料和應用等可能不同，范圍可以為幾十到幾萬，例如對于以上各 實施例，可以選擇Q值可以選擇5000。本發明實施例中，除了采用F-P腔以外，也可以采用環形腔等其他結構的諧振腔。參見圖11所示，本發明第四個實施例的光柵外腔半導體激光器主要包括半導體 激光管(LD) 1、準直透鏡(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光柵(Gt)9、光學隔離器(01)7以及由三 個分立鏡片組成的環形腔(Cavity) 19a。半導體激光管1發出的激光依次經過準直透鏡3、 第一 1/2波片5、光學隔離器7后，在光柵9上的一階衍射光束一衍射角θ d被入射在環形 腔19a上，在環形腔19a內部三個鏡片之間經過環形振蕩后輸出的透射光經反射鏡504反 射后，通過第二 1/2波片8，從光學隔離器7出射一側的監視口入射，利用光學隔離器7的磁 光效應，使環形腔19a的透射光經過光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射，反向 通過光學隔離器7，返回到半導體激光管1，從而使得環形腔19a透射光形成光路回路。光 柵9的零階衍射光作為輸出光，光柵9的一階衍射光作為半導體激光器的反饋光。從圖11 中可以看出，從光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022出射面到經過環形腔19a等后又 達到光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射面，這部分光路是行波場部分，將環形 腔19a設置于此，可以利用環形腔透射光實現光學反饋增強和線寬壓窄，替代繁雜的電學 反饋。本實施例中，利用環形腔入射光和反射光(包括一部分腔內透射光)不共路的特 點。由于不是正入射，即使有激光沿反饋光反方向入射到腔的后端面，經過反射，該光反射 出光路，無法形成反饋光，從而起到較好的隔離作用。即使對于對反饋光非常敏感的半導 體激光器來說也可以達到要求，不需要像采用F-P腔的上述各實施例那樣設置另一光隔離 器，從而使系統更加簡單、穩定。參見圖12所示，本發明第五個實施例的光柵外腔半導體激光器主要包括半導體 激光管(LD) 1、準直透鏡(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光柵(Gt)9、光學隔離器(01)7以及單塊 環形腔(Cavity) 19b。半導體激光管1發出的激光依次經過準直透鏡3、第一 1/2波片5、光 學隔離器7后，在光柵9上的一階衍射光束一衍射角θ d被入射在環形腔19b上，在環形腔19b內部三個鏡片之間經過環形振蕩后輸出的透射光經反射鏡504反射后，通過第二 1/2波 片8，從光學隔離器7出射一側的監視口入射，利用光學隔離器7的磁光效應，使環形腔19a 的透射光經過光學隔離器7出射端的偏振分光棱鏡5022反射，反向通過光學隔離器7，返回 到半導體激光管1，從而使得環形腔1%透射光形成光路回路。光柵9的零階衍射光作為輸 出光，光柵9的一階衍射光作為半導體激光器的反饋光。從圖12中可以看出，從光學隔離 器7出射端的偏振分光棱鏡5022出射面到經過環形腔19b等后又達到光學隔離器7出射 端的偏振分光棱鏡5022反射面，這部分光路是行波場部分，將環形腔19b設置于此，可以利 用環形腔透射光實現光學反饋增強，替代繁雜的電學反饋。本實施例通過將環形腔設置為 單塊的結構，使得諧振腔穩定性大大提高，具有不易受外界干擾，體積小、系統簡單和使用 方便等優點。在本發明上述各實施例中，半導體激光管和諧振腔均采用溫度傳感器和半導體制 冷器實現溫度控制。該諧振腔的諧振頻率可通過粘接在該腔上的壓電陶瓷的方法和對諧 振腔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。上述方案中的半導體激光管也可選用其它波長，其它輸出功率，光學隔離器選擇 相應波長隔離器，并可選擇其他隔離度。光柵也可采用透射光柵，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。光柵還可放置于圖7或圖9中所示的高反射率腔鏡Ml、 M2等位置。準直透鏡也可以采用其它焦距和數值孔徑。F-P腔的材料也可采用其它材料， 可采用其他具有透射光的腔型，如直腔(包括平平、平凹、雙凹等)、折疊腔、單塊一體腔等， 光學鍍膜的反射率也可采用其它數值，Q值可選擇幾十到幾萬之間的其他值。壓電陶瓷還 可放置于腔鏡Ml、M2、M3或M4之后。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，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
一種外腔半導體激光器，其特征在于，在半導體激光器外腔的主光路中布設有光學諧振腔、光學隔離器和1/2波片；半導體激光器的布設使得所述半導體激光管發出的光束能夠經第一1/2波片正向通過光學隔離器，并且透射過所述諧振腔的光束能夠經第二1/2波片后反向通過光學隔離器，使此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。
2.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，在半導體激光器外腔的主光路 中還布設光柵；主光路的光束經過光柵形成的零階衍射光作為輸出光，一階衍射光作為半 導體激光器的反饋光；或者在半導體激光器外腔的主光路中還布設光柵以外的其他分光器件，主光路的光束 入射在該分光器件后的分出的部分作為半導體激光器的輸出光，剩余部分作為反饋光。
3.根據權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述光柵為反射光柵或者透射 光柵；所述其他分光器件為部分反射鏡或者分光棱鏡，并進一步與分光器件配合的在主光路 的反饋光路部分設置選頻器件。
4.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述諧振腔為F-P腔結構或環形 腔結構。
5.根據權利要求4所述的半導體激光器，其特征在于，所述F-P腔為直腔結構或者折疊 腔結構。
6.根據權利要求4所述的半導體激光器，其特征在于，所述諧振腔為分離元件結構或 者單塊結構。
7.根據權利要求4所述的半導體激光器，其特征在于，所述諧振腔為F-P腔時，在透射 過所述諧振腔的光束進入所述第二 1/2波片之前進一步設置另一個光學隔離器。
8.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如下一 種或一種以上調制設備對諧振腔諧振頻率進行調制的設備，對半導體激光器外腔進行調節的設備，對半導體 激光管輸出光頻率調節的設備。
9.根據權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述對諧振腔諧振頻率進行調 制的設備包括諧振腔上粘接壓電陶瓷、或設置控溫裝置、或二者組合；所述對半導體激光器外腔進行調節的設備包括以下一種或一種以上組合電光調制器 和腔鏡控制器，電光調制器用于在主光路的光束中加入調制信號，通過探測器探測主光路 中的光信號，轉換為電信號后經電學處理，得到誤差信號，反饋給腔鏡控制器，控制所述外 腔腔長，實現外腔對F-P腔頻率的跟蹤或同步；所述對半導體激光管輸出光頻率調節的設備包括以下一種或一種以上組合通過對半 導體激光管驅動電流加入調制信號，實現對激光頻率的調制的電流調制設備；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的設備。
10.根據權利要求1-9任意一項所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器 的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片、分光器件和標準具；從所述半導 體激光管發出的出射光束經過第一 1/2波片進入所述光學隔離器，從光學隔離器的出射光 束入射到分光器件，經分光器件分束后進入標準具，經標準具透射進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的出射光束經第二 1/2波片反向通過光學隔離器，此后沿著與原出射光束共線反 向的路徑返回到半導體激光管中。
11.根據權利要求1-9任意一項所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光 器的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片和光柵；從所述半導體激光管發 出的出射光束經過第一 1/2波片進入所述光學隔離器，從光學隔離器的出射光束入射到光 柵，經光柵衍射后進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的透射光束經第二 1/2波片反向通過 光學隔離器，此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。
12.根據權利要求1-9任意一項所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器 的主光路中的布設有光學諧振腔、光學隔離器、1/2波片和光柵；從所述半導體激光管發出 的出射光束入射到光柵，經光柵衍射后，經過第一 1/2波片進入所述光學隔離器，從光學隔 離器的出射光束，進入所述光學諧振腔，光學諧振腔的出射光束經第二 1/2波片反向通過 光學隔離器，此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。
全文摘要
本發明公開一種外腔半導體激光器，在半導體激光器外腔的主光路中主要布設有光學諧振腔、光學隔離器和1/2波片；所述半導體激光管發出的光束能夠經第一1/2波片正向通過光學隔離器，所述半導體激光器的經諧振腔透射的光束經第二1/2波片后反向通過光學隔離器，使此后沿著與原出射光束共線反向的路徑返回到半導體激光管中。本發明通過相對簡單的裝置解決了常規外腔半導體激光器譜線較寬的問題。
文檔編號H01S5/14GK101958510SQ20101022514
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月7日 優先權日2009年7月14日
發明者方占軍, 曹建平, 李燁, 臧二軍, 趙陽 申請人:中國計量科學研究院