一种外腔激光器及其调谐方法技术

本发明专利技术提供一种外腔激光器，其沿一光轴依次排布有半导体光增益芯片、准直透镜和一维平面光栅，半导体光增益芯片的一个腔面与一维平面光栅共同组成光学谐振腔，所述一维平面光栅设置为在一维平面光栅所在平面内进行平移，其与一一维驱动机构连接。本发明专利技术还提供了该外腔激光器的调谐方法。本发明专利技术的外腔激光器利用平移一维平面光栅实现调谐功能，一维平动可以利用压电陶瓷或马达进行驱动，简便易行，结构简单、易于设计和实现；而且一维平动仅仅产生相位变化，外腔结构中比如光程等物理量将保持不变，可以有效提高外腔激光器的调谐精度。

【技术实现步骤摘要】
一种外腔激光器及其调谐方法
本专利技术涉及一种激光器，具体涉及一种外腔激光器及其调谐方法。
技术介绍
外腔半导体激光器是以半导体光增益芯片为增益介质，采用外腔反馈和选模技术制作的一类可调谐全固态激光源。其结构通常包含两个部分，一个是半导体光增益芯片(gainchip)(如半导体光放大器、J型波导增益芯片)，另外一个外腔反馈部分。外腔反馈部分通常是用光栅和反射镜等无源光学部件组成。通过光栅的分光作用可以选择用户所需波长的光反馈到半导体发光器件中，从而实现选模功能，实现单模可调谐半导体外腔激光器。该类激光器通过电注入工作，具有体积小、效率高、成本低、线宽窄、波长可大范围调谐等优点。可用于高速光纤通信系统、高分辨率光谱分析、计量检测、生物医学、环境监测等领域，是高分辨分子光谱、量子光学、原子光学等研究领域所必须的高质量光源。该激光技术已经广泛地应用于环境和健康领域的痕量物质光电检测系统中。目前已有的外腔激光器技术主要采用旋转光栅的方式实现调谐功能。由光栅公式得出不同的入射/出射角度的光线和光波波长之间必须满足光栅公式确定的等式，因此在外腔激光器中改变光线相对光栅的入射/出射角度，就可以选择由光栅公式确定的波长，达到波长选择的作用。但是，在机械装置中旋转相对于平动是一种比较复杂的运动，传统的旋转光栅调谐方式将产生光程和相位两个参量的变化，比较难达到很高的精度控制。因此，寻求简易的外腔结构对于外腔激光器的发展和应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于一种外腔激光器及其调谐方法，以提高外腔激光器的调谐精度。为了实现上述目的，本专利技术提供一种外腔激光器，其沿一光轴依次排布有半导体光增益芯片、准直透镜和一维平面光栅，半导体光增益芯片的一个腔面与一维平面光栅共同组成光学谐振腔，所述一维平面光栅设置为在一维平面光栅所在平面内进行平移，其与一一维驱动机构连接。所述光学谐振腔还包括一平面反射镜，所述平面反射镜正对所述一维平面光栅。所述一维平面光栅相对于所述光轴倾斜设置，该一维平面光栅上设有多条平行的光栅刻线，所述光栅刻线垂直于该光轴与光栅法向构成的平面。一维平面光栅通过一维平动基座与一维驱动机构连接，一维平动基座的平移方向平行于所述一维平面光栅所在平面。所述一维驱动机构优选为一压电陶瓷驱动器。半导体光增益芯片为半导体光放大器或J型波导增益芯片。所述半导体光增益芯片上设有增透膜。进一步地，本专利技术还提供一种外腔激光器的调谐方法，包括：步骤S1：搭建根据上文所述的外腔激光器，开启其半导体光增益芯片并发射激光；步骤S2：沿步骤S1所述的外腔激光器的一维平面光栅所在的平面平移该一维平面光栅；步骤S3：所述外腔激光器得到经过调谐的激光并输出。所述步骤S2还包括记录所述一维平面光栅沿垂直于其光栅刻线方向的位移分量Δx。所述的经过调谐的激光的波长λ或频率ν或频率变化量Δν满足：其中L为所述外腔激光器的光学谐振腔的光程，单位是m；，Δφ为一维平面光栅位移导致的相位变化量，k为衍射级数,k＝0,±1,±2…,d为所述一维平面光栅的光栅常数，单位是m；；λ0为模式阶数为m的纵模的激光在一维平面光栅未移动时的波长，单位是m；N为激光在光学谐振腔内一次往返发生衍射的次数。本专利技术的外腔激光器利用平移一维平面光栅实现调谐功能，一维平动可以利用压电陶瓷或马达进行驱动，简便易行，结构简单、易于设计和实现；而且一维平动仅仅产生相位变化，外腔结构中比如光程等物理量将保持不变，可以有效提高外腔激光器的调谐精度。在调谐功能上，本专利技术的外腔激光器的调谐方法由于没有光栅的转动，非常有利于实现小范围的无跳模调谐，且调谐范围超出了传统观点限定的、小于一个光学腔模式间隔的范围，所以，本专利技术在实现无跳模调谐功能方面具有突出的优点。附图说明图1是根据本专利技术的实施例1的Littrow结构的外腔激光器的原理图。图2是实施例1中光栅位移与外腔激光器激射频率变化的关系。图3是根据本专利技术的实施例2中Littman结构的外腔激光器的原理图。图4是实施例2中光栅位移与外腔激光器激射频率变化的关系。具体实施方式下面结合附图，给出专利技术的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本专利技术的功能、特点。实施例1一种Littrow结构的外腔激光器如图1所示为根据本专利技术的一个实施例的外腔激光器，该外腔激光器为Littrow结构，其沿一光轴I依次排布有半导体光增益芯片1、准直透镜2和一维平面光栅3，半导体光增益芯片1的一个腔面12与一维平面光栅3共同组成光学谐振腔。半导体光增益芯片1用于发射激光，其上设有增透膜11。所述一维平面光栅3相对于所述光轴I倾斜设置，该一维平面光栅3，3’上设有多条平行的光栅刻线31，所述光栅刻线31垂直于该光轴I与光栅法线构成的平面，由此，该一维平面光栅3起到了该外腔激光器的波长调谐元件的作用。所述一维平面光栅3设置为在自身所在平面内进行平移，一维平面光栅3通过由柔性铰链构成的一维平动基座与一维驱动机构4连接，一维平动基座的平移方向平行于一维平面光栅3所在的平面，一维驱动机构4驱动一维平动基座实现精密位移。该一维驱动机构4优选为一压电陶瓷驱动器，用于驱动该一维平面光栅3的平移。在本实施例中，半导体光增益芯片优选为J型波导增益芯片，其增益谱中心波长为1550nm；光栅刻线31’的密度为900线/mm，即对应光栅常数d为1.11um，外腔激光器的光学谐振腔的光程约为17cm，对应的腔模式间隔约为0.88GHz。此外，半导体光增益芯片也可以是半导体光放大器。实施例2：一种Littrow结构的外腔激光器的调谐方法根据上文所述的Littrow结构的外腔激光器，本专利技术还提供了一种Littrow结构的外腔激光器的调谐方法，其包括：步骤S1：搭建如上文所述的Littrow结构的外腔激光器，开启其半导体光增益芯片1并发射激光；由此，半导体光增益芯片1开启使得外腔激光器工作，由半导体光增益芯片1发射的激光沿光轴I穿透准直透镜2，经过一维平面光栅3衍射之后选取+1级衍射光沿光轴I反馈到半导体光增益芯片1之中，从而半导体光增益芯片1的一个腔面与一维平面光栅3共同组成一个光学谐振腔。由半导体光增益芯片1发射并反馈回半导体光增益芯片1的光在外腔激光器中形成模式阶数为m的纵模的激光，该激光的波长λ0与其模式阶数m满足以下关系式：其中，m为模式阶数，m＝1,2,3…；L为所述光学谐振腔的光程，即所述半导体光增益芯片1的腔面12和一维平面光栅3与光轴I的交点的间距所决定的光程。步骤S2：沿步骤S1所述的外腔激光器的一维平面光栅3所在的平面平移该一维平面光栅3。在本实施例中，改变压电陶瓷电压时，一维平面光栅3在自身所在平面内发生一维平移。此外，还记录该一维平面光栅3沿垂直于其光栅刻线31方向的位移分量Δx，用于验证本专利技术的外腔激光器的波长调谐规律。步骤S3：所述外腔激光器得到经过调谐的激光并输出。理论预期步骤S2所述的平移运动会导致光在一维平面光栅3上的光斑在垂直于光栅刻线31的方向上产生Δx的位移。这个位移会导致光轴I上往返的激光产生一个相位变化Δφ，相位变化Δφ可由以下公式计算：其中，k为衍射级数，k＝0,±1,±2…，在本实施例中，k取+1；Δx为一维平面光栅3沿垂直于光栅刻线31的方向的平移分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外腔激光器，其沿一光轴(I，I’)依次排布有半导体光增益芯片(1，1’)、准直透镜(2，2’)和一维平面光栅(3，3’)，半导体光增益芯片(1，1’)的一个腔面与一维平面光栅(3，3’)共同组成光学谐振腔，其特征在于，所述一维平面光栅(3，3’)设置为在一维平面光栅(3，3’)所在平面内进行平移，其与一一维驱动机构(4，4’)连接。

【技术特征摘要】
1.一种外腔激光器，其沿一光轴(I，I’)依次排布有半导体光增益芯片(1，1’)、准直透镜(2，2’)和一维平面光栅(3，3’)，半导体光增益芯片(1，1’)的一个腔面与一维平面光栅(3，3’)共同组成光学谐振腔，其特征在于，所述一维平面光栅(3，3’)设置为在一维平面光栅(3，3’)所在平面内进行平移，其与一一维驱动机构(4，4’)连接。2.根据权利要求1所述的外腔激光器，其特征在于，所述光学谐振腔还包括一平面反射镜(5’)，所述平面反射镜(5’)正对所述一维平面光栅(3，3’)。3.根据权利要求1或2所述的外腔激光器，其特征在于，所述一维平面光栅(3，3’)相对于所述光轴(I，I’)倾斜设置，该一维平面光栅(3，3’)上设有多条平行的光栅刻线(31，31’)，所述光栅刻线(31，31’)垂直于该光轴(I，I’)与光栅法线构成的平面。4.根据权利要求1或2所述的外腔激光器，其特征在于，一维平面光栅(3，3’)通过一维平动基座与一维驱动机构(4，4’)连接，一维平动基座的平移方向平行于所述一维平面光栅(3，3’)所在平面。5.根据权利要求1或2所述的外腔激光器，其特征在于，所述一维驱动机构(4)优选为一压电陶瓷驱动器。6.根据权利要求1或2所述的外腔激光器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：严进一，龚谦，王海龙，曹春芳，周长帅，赵旭熠，高金金，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31