连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器制造技术

本发明专利技术的实施例中公开了一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，包括：至少一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、调谐装置和至少一个衍射光栅；所述增益介质所发出的相干光束经过所述准直透镜后成为平行光，所述平行光被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光直接成为被输出的第一输出激光，另一部分衍射光沿原入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，成为第二输出激光；所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述衍射光栅绕一位于所述衍射光栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直。通过使用上述的激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并降低所述激光器的生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体激光器
，尤其是指一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器。
技术介绍
光源的波长调谐技术是激光技术中的重要组成部分，而可调谐光栅外腔半导体激光器(GTECL，Grating-tuned external cavity lasers)由于其具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、转换效率高、单模输出、成本低、可靠性好等突出的优点，因此已被广泛应用于光通信、光交换、光存储、光纤陀螺、计量测量、高分辨率光谱测量以及生物医学等诸多领域，有着极大的应用前景。 在现有技术中，可调谐光栅外腔半导体激光器一般有两种类型。一种是利特洛(Littrow)型可调谐光栅外腔半导体激光器，另一种是利特曼-迈特考夫Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器。以下将分别对这两种类型的激光器进行介绍。 Littrow型的可调谐光栅外腔半导体激光器可产生线宽非常窄、光学相干性非常高的频率可调的激光束，且在实际产品的生产中，Littrow型的GTECL激光器具有非常紧凑并且形式简单的谐振腔结构，该谐振腔一般仅包括三个光学器件作为激光增益介质的半导体激光器、作为选频元件的衍射光栅和将激光光束准直的准直透镜，从而可实现非常简化且低成本的制造过程。例如，Wieman和Hollberg所提出的一种可调谐光栅外腔半导体激光器(参见文献“‘UsingDiode Lasers for Atomic Physics’by Carl E.Wieman and Leo Hollberg，Review ofScientific Instruments，Vol.62，Pages 1-19，January，1991”)就是一种比较典型的Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。 图1为现有技术一中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图1所示，该可调谐光栅外腔半导体激光器包括半导体激光器(Laser diode)101、准直透镜102和衍射光栅(diffraction grating)103。其中，半导体激光器101具有一个后表面106和一个前表面107；该半导体激光器101中所产生的光束经过准直透镜102后可得到平行光，该平行光入射到衍射光栅103上后被该衍射光栅103衍射；其中，零级衍射光可直接作为输出激光104，而一级衍射光则沿原入射光路返回半导体激光器101中，在半导体激光器101中经过振荡、放大后，成为输出激光105，从而实现窄线宽的单纵模(SLM，single longitudinalmode)激光输出。 在上述的可调谐光栅外腔半导体激光器中，衍射光栅103可绕通过G点的且垂直于纸面方向的固定旋转轴旋转，其中，所述G点为光轴100与衍射光栅103表面的交点。当将衍射光栅103绕上述的固定旋转轴旋转时，可实现对输出激光的频率或波长的调谐。但是，当根据上述谐振腔的设计进行连续调谐时，上述激光器的单纵模模式有可能会由一个纵模突然跳跃到另一个纵模，从而产生跳模(mod hopping)的现象。该跳模的现象在激光输出频率上，产生相当于激光器纵模间隔的频率跳跃，继而破坏了激光频率连续调谐的特点，对于频率调谐的精确度，调谐线性度以及其他依赖于频率调谐特性的应用都会产生不利的影响，因此应当尽量避免，从而要求实现无跳模(MHF，mod-hop-free)连续频率调谐或波长调谐。 对于上述的跳模的现象，可通过如下所述的公式进行相应的说明。 根据光栅方程λ(θ)＝2dg·sinθ(1.1) 以及谐振条件 可知 其中，N表示谐振腔中的第N个纵模的模数，且N为整数；λ(θ)表示激光振荡波长，即由光栅色散(grating dispersion)所选择的激光的波长，该激光波长与θ有关，即λ(θ)的值将随θ的变化而变化；LMG表示从M点(即光轴100与半导体激光器101的后表面106的交点)到G点的光学距离，即外腔的光学长度(可简称为外腔长度，下同)；dg表示衍射光栅103的刻划密度(groovingdensity)；θ表示激光束入射到衍射光栅103的入射角，也是衍射角。 由图1可知，LMG和dg一般都为常量；当衍射光栅103绕上述的固定旋转轴旋转时，衍射角θ的大小将发生改变，由公式(1.2)可知，此时该激光器输出的激光频率或激光波长也将发生改变；而由公式(1.3)可知，当衍射角θ的大小发生改变时，模数N也将随之发生改变，即模数N相对于衍射角θ的改变并不是常量，从而在衍射角θ的改变较大时，将发生跳模(即模数N的值发生+1或-1的数量改变)；也就是说，图1所示的激光器在通过旋转衍射光栅来对激光频率或激光波长进行调谐(即改变输出激光的频率)时，将发生跳模的现象。因此，上述的Littrow型GTECL仅能实现非常小的或者是有限的MHF调谐，而不能对激光频率或波长进行MHF连续调谐。 在现有技术中，还有另一种Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。例如，Trutna Jr.在美国专利No.6,731,661中所公开一种可调谐光栅外腔半导体激光器。图2为现有技术二中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图2所示，该可调谐光栅外腔半导体激光器也包括半导体激光器101、准直透镜102和衍射光栅103。与图1中的可调谐光栅外腔半导体激光器不同的是，图2中衍射光栅103的旋转轴为L，该旋转轴L位于衍射光栅103的衍射表面延长线与半导体激光器101的后表面106延长线的交点上，且该旋转轴L垂直于纸面方向。当衍射光栅103绕固定的旋转轴L旋转时，也可实现对输出激光频率或波长的调谐。 同理，根据光栅方程λ(θ)＝2dg·sinθ(2.1) 以及谐振条件 且谐振腔内部的光学部件均处于理想状态的情况下，可有 LMG(θ)＝OM·tanθ(2.3) 由此可知 其中，LMG(θ)表示从半导体激光器101的后表面106上的M点到衍射光栅103表面的中心的距离，即外腔长度；该外腔长度与θ有关，即LMG(θ)的值将随θ的变化而变化；OM表示从旋转轴L到半导体激光器101的后表面106上的M点的距离。 由公式(2.4)可知，当OM和dg不变时，如果旋转衍射光栅103，使得衍射角θ发生改变，则模数N也将发生改变，即模数N相对于衍射角θ的改变也不是常量。当衍射角θ的改变较大时，将发生跳模(即模数N的值发生+1或-1的数量改变)。因此，与图1中的可调谐光栅外腔半导体激光器相比，图2中的可调谐光栅外腔半导体激光器虽然可以产生相对较大的MHF调谐范围，但其模数N仍然依赖于衍射角θ，因此，当衍射角θ的变化范围较大时，仍然无法保持N为常量。所以，在图2所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中，也无法实现对激光频率的MHF连续调谐。 为了解决上述的问题，在现有技术中，已通过使用Littman-Metcalf谐振腔结构，制造了一种宽带MHF可调GTECL激光器，即Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器。该类型的激光器的谐振腔的构造已在多篇文献或专利中被公开。例如，Luecke的美国专利(No.5,319,668)、Sacher的美国专利(No.5,867,512)、Lang的美国专利(No本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：至少一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、调谐装置和至少一个衍射光栅；　所述增益介质所发出的相干光束经过所述准直透镜后成为平行光，所述平行光被所述衍射光栅衍射后，部 分衍射光直接成为被输出的第一输出激光，另一部分衍射光沿原入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，成为第二输出激光；　所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述衍射光栅绕一位于所述衍射光 栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张光志，
申请(专利权)人：山东远普光学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]