一种猫眼外腔半导体激光器制造技术

本发明专利技术提供了一种猫眼外腔半导体激光器，激光器主结构内部为一圆筒结构，激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；微变形调节器中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，小端面粘结于部分反射面的透射面，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。本发明专利技术调节方便，结构稳定，能够在外腔快速扫频时降低压电陶瓷因受拉伸力而产生损伤的风险，也能够降低激光器所处环境温度极速升高时压电陶瓷表面绝缘镀层脱落的风险。脱落的风险。脱落的风险。

A cat's eye external cavity semiconductor laser

【技术实现步骤摘要】
一种猫眼外腔半导体激光器


[0001]本专利技术属于激光器
，涉及一种半导体激光器。

技术介绍

[0002]外腔半导体激光具备具有工作寿命长、输出激光线宽窄、易于调谐等优点，广泛应用于冷原子物理、原子频标、激光通讯等领域，其中以衍射光栅作为反馈和调谐器件是最为常见的一种，主要包括Littrow结构和Littman结构，工作原理如专利CN105811236A所述。在光栅反馈外腔半导体激光器的实现过程中，激光二极管端面和衍射光栅一起构成外腔，压电陶瓷垂直于伸缩方向的一端面与光栅安装座粘结，一根与主结构螺纹配合的螺钉挤压着压电陶瓷垂直于伸缩方向的另一端面，压电陶瓷被挤压于光栅安装座与激光器主结构之间，通过改变压电陶瓷的驱动电压实现对激光器外腔腔长的调谐。这种实现方法存在一个潜在的问题，压电陶瓷承受的挤压强度大于抗压强度时容易被损毁，挤压强度太小时无法实现相应的约束，除非额外使用力矩扳手来紧固螺钉，使压电陶瓷受到合适的预紧力。
[0003]随着室外及空间环境科研项目的开展，具有对光路偏移不敏感、机械与热稳定性更好的猫眼外腔半导体激光器，越来越受到研究人员的青睐。常见的猫眼外腔半导体激光器以窄带滤光片为选频器件，以激光二极管端面与粘结在压电陶瓷上的部分反射镜为外腔，其中部分反射镜为反馈器件，通过改变压电陶瓷的工作电压来改变外腔长度进而实现激光频率的调谐。
[0004]对于猫眼外腔半导体激光器而言，激光经过猫眼透镜聚焦于部分反射镜，形成外腔后，还需要使用第二准直透镜对激光进行准直，使其以近乎平行光的形式传递给用户使用。如专利(CN101557076B、CN112260056A、CN113036599A等)所述，通常的做法是直接将部分反射镜粘接在压电陶瓷的一个端面，然后将压电陶瓷的另一个端面粘结在结构件上，压电陶瓷的一端基本处于自由状态，之后再将第二准直透镜固定于激光器主体结构上，对输出激光进行准直。
[0005]为了提升激光器的调谐范围，通常选用伸长量更大的堆叠型压电陶瓷。由于叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷薄片，通过叠层粘结共烧工艺形成的，这种工艺特点使得其抗压强度远远大于其拉伸强度。当激光器外腔的扫频频率小于10Hz时，压电陶瓷可以正常工作。但当外腔处于快速扫描状态，如以kHz量级的扫频频率获取饱和吸收谱色散信号时，即压电陶瓷材料不断进行双向加速度运动，压电陶瓷既会受到压缩力，也会受到拉伸力。由于堆叠型压电陶瓷的拉伸强度相对较小，因此极易受到损伤，大大降低其工作的可靠性。另外，当激光器所处环境温度快速升高时，压电陶瓷也将因自由膨胀而使表面绝缘镀层脱落，进而面临上电工作时发生短路的风险。
[0006]光栅反馈外腔半导体激光器中激光经光栅会反射与衍射，不会透射光栅，在光栅安装座后有充足的空间对压电陶瓷施加预紧力；而猫眼外腔半导体激光器中激光一部分由部分反射镜原路返回，另一部分会透射部分反射镜，再经第二准直透镜进行准直，如果在猫眼外腔半导体激光器中参照光栅反馈外腔半导体激光器使用同样的方法对压电陶瓷施加
预紧力，会存在两个问题，一是有可能遮挡透射激光，二是增加第二准直透镜与反射镜之间的距离，使得激光器无法进行小型化设计。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种猫眼外腔半导体激光器，其调节方便，结构稳定，能够在外腔快速扫频时降低压电陶瓷因受拉伸力而产生损伤的风险，也能够降低激光器所处环境温度极速升高时压电陶瓷表面绝缘镀层脱落的风险。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种猫眼外腔半导体激光器，包括激光器主结构、激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜。
[0009]所述的激光器主结构内部为一圆筒结构，所述的激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；
[0010]所述的压电陶瓷为圆筒状，两端面平行，伸缩方向沿圆筒轴线；
[0011]所述的微变形调节器为一体加工而成，两端为平行面，端面之间为线切割镂空的弹性结构，轴向长度小于第二准直透镜的焦距，中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，内径与压电陶瓷内径相同；外径小的端面直接粘结于部分反射面的透射面，小端面外径介于压电陶瓷外径与部分反射镜直径之间，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；所述的微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。
[0012]所述的激光器主结构是在一个基座上同轴设置有两个圆柱结构，圆柱结构沿中轴线开有台阶孔，两个圆柱结构的端面沿轴线依次设定为第一、二、三、四面，第二面为第一准直透镜安装面，第三面为猫眼透镜安装面，第四面与基座端面平齐，为微变形调节器与第二准直透镜安装面，沿周向均匀分布的若干螺纹孔，其中一部分用于固定微变形调节器，另外一部分用于固定第二准直透镜；第三面和第四面之间的台阶孔靠近第三面的内径小于靠近第四面的内径，且大直径段沿径向开有贯通侧壁的开口，台阶孔的台阶面上均分铣出三个压电陶瓷安装凸台，凸台高度相同，用于粘结压电陶瓷。
[0013]所述的微变形调节器的最大形变量应为其轴向长度的1/5至1/4，固定后微变形调节器的压缩量应约为最大压缩量的一半，同时通过设计微变形调节器的镂空部分，使其在一半压缩量时对压电陶瓷施加的压强不超过10MPa。
[0014]所述的第一准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使激光二极管端面与第一准直透镜间的距离等于第一准直透镜的焦距，实现激光的第一次准直。
[0015]所述的猫眼透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使猫眼透镜与部分反射镜的反射面间距等于猫眼透镜的焦距，实现外腔反馈。
[0016]所述的第二准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使第二准直透镜与部分反射镜的反射面间距等于第二准直透镜的焦距，实现猫眼外腔半导体激光器输出激光的准直。
[0017]所述的窄带滤光片表面法线与光轴夹角根据波长需求进行调节。
[0018]所述的激光器主结构为一体化加工而成，无拼接结构，选用材料为热膨胀系数为
10
‑6/℃量级或者更低的金属或金属基复合材料。
[0019]所述的部分反射镜为圆柱状，两端面分别镀部分反射膜和增透膜，其中增透膜的透过率大于99％，以免形成二次反馈，干扰输出激光的频率。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]本专利技术所述的微变形调节器从产生预紧力这一作用来看，与弹簧是一致的。但此外还有另外三个特征，一是要有能够与部分反射镜贴和的平面，使产生的力均匀作用在反射镜上，从而传递到压电陶瓷，二是有特殊设计、均匀分布的安装孔，便于安装至激光器主结构上，三是该微变形调节器为一体加工而成，而不是拼接的，其结构的稳定性更好，配合关系更为简单。
[0022]上述方案中，利用激光器主结构上的两外三个螺纹孔安装第二准直透镜，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种猫眼外腔半导体激光器，包括激光器主结构、激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜，其特征在于，所述的激光器主结构内部为一圆筒结构，所述的激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；所述的压电陶瓷为圆筒状，两端面平行，伸缩方向沿圆筒轴线；所述的微变形调节器为一体加工而成，两端为平行面，端面之间为线切割镂空的弹性结构，轴向长度小于第二准直透镜的焦距，中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，内径与压电陶瓷内径相同；外径小的端面直接粘结于部分反射面的透射面，小端面外径介于压电陶瓷外径与部分反射镜直径之间，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；所述的微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。2.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的激光器主结构是在一个基座上同轴设置有两个圆柱结构，圆柱结构沿中轴线开有台阶孔，两个圆柱结构的端面沿轴线依次设定为第一、二、三、四面，第二面为第一准直透镜安装面，第三面为猫眼透镜安装面，第四面与基座端面平齐，为微变形调节器与第二准直透镜安装面，沿周向均匀分布的若干螺纹孔，其中一部分用于固定微变形调节器，另外一部分用于固定第二准直透镜；第三面和第四面之间的台阶孔靠近第三面的内径小于靠近第四面的内径，且大直径段沿径向开有贯通侧壁的开口，台阶孔的台阶面上均分铣出三个压电陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，张首刚，刘涛，胡旭文，韩亮，张林波，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：