基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，包括：一个镀增透膜的激光二极管，激光二极管上设置有温度控制模块；一个准直模块，用于对激光二极管进行准直扩束；一个佛克脱反常色散原子滤光器，对激光二极管出射的激光进行滤光，所述滤光器的透射谱决定输出的激光光谱；一个反射腔镜，将经过原子滤光器滤光后的激光反射回谐振腔内，形成振荡，产生稳定的激光；一个压电陶瓷，与反射腔镜装配在一起，用于微调腔长，实现激光调谐。本发明专利技术利用佛克脱反常色散原子滤光器代替主流的法拉第色散原子滤光器作为外腔半导体激光器的选频器件，实现了首个佛克脱型外腔半导体激光器，拥有比主流法拉第激光器更小的体积，获得更好的机械稳定性和频率稳定性。获得更好的机械稳定性和频率稳定性。获得更好的机械稳定性和频率稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器及方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光
，尤其涉及一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器及方法。

技术介绍

[0002]法拉第反常色散原子滤光器作为一种优质超窄带滤光器，自90年代以来国内外对其进行了深入的理论分析和实验研究。由于其具有高透过率、窄带宽和高噪声抑制比等优点，目前被广泛地应用于激光雷达、空间及卫星光通信等领域中。
[0003]以法拉第原子滤光器作为选频器件的外腔半导体激光器，具有对激光二极管的工作电流和温度变化免疫的优良特性。对于已经正常工作的法拉第激光器，大幅度改变激光二极管的工作电流和工作温度，只要其工作电流保持在阈值以上，输出激光的频率不会发生大幅跳动。对于调试完毕的法拉第激光器，长时间工作后仍可以工作在目标波长附近。这种方法以低成本大幅提升了激光器的性能，另辟蹊径，为使用性能较差的国产半导体激光二极管无法搭建高性能激光器的现状提供了一种独特的解决方案。
[0004]然而，法拉第反常色散原子滤光器利用法拉第磁致旋光效应进行选频，要求磁场方向必须沿着激光传输方向(光轴方向)。传统法拉第原子滤光器在圆筒形原子气室左右两端放置永磁铁来产生沿光轴方向的磁场。这种方案一方面增大了法拉第激光器沿光轴方向的体积，限制了激光器的最小腔长，另一方面产生的磁场强度较小。另一种方案，绕着圆筒形气室放置永磁铁，此时原子滤光器中的磁铁和气室的总体积往往大于0.5L，产生的磁场强度小于1000高斯、磁场均匀性小于90％，阻碍了法拉第激光器输出激光频率稳定性的进一步提升。因此，原子滤光器是阻碍激光器体积缩小的主要原因，大体积的激光器还存在可搬运性和机械稳定性相对较差等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器及方法，本专利技术利用佛克脱反常色散原子滤光器，带有准直扩束、温度控制模块的镀增透膜激光二极管，以及装有压电陶瓷的反射腔镜实现激光器，同时应用该激光器稳定输出的单频激光进行大范围的激光选频。相比于法拉第反常色散原子滤光器，佛克脱反常色散原子滤光器使用的磁铁能以更小的体积产生更大的磁场，从而获得更窄的透射带宽和更稳定的透射谱，相应的，佛克脱激光拥有更强的频率稳定性和抗外界干扰能力；此外，佛克脱激光器拥有比主流法拉第激光器更小的体积，将拥有更好的机械稳定性和频率稳定性，详见下文描述：
[0006]第一方面、一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其中佛克脱激光器包括：
[0007]镀增透膜的激光二极管，作为佛克脱激光器的种子源，出射波长范围大，出射激光的发散角大；
[0008]准直模块，包含一个准直透镜和相应的固定结构，用于对激光二极管进行准直；
[0009]佛克脱反常色散原子滤光器，对激光二极管出射的激光进行滤光，佛克脱激光器的输出激光由佛克脱反常色散原子滤光器的透射谱决定；
[0010]反射率99.9％的反射腔镜，将经过原子滤光器滤光后的激光反射回谐振腔内，形成振荡，产生稳定的激光；
[0011]激光器的一体化机械结构，主要包括激光器底座、四块侧板和一块盖板，用于固定激光器中的元件，将各个元件组装为一个整体。
[0012]进一步地，利用TEC半导体制冷器及温度反馈控制电路构成的温度控制模块对激光二极管的工作温度进行调节，控温精度为0.01
‑
0.1摄氏度；利用准直模块对激光二极管出射激光进行准直，使出射激光的发散角缩小为0.01
‑2°
。
[0013]进一步地，佛克脱反常色散原子滤光器包括：
[0014]碱金属原子气室，为圆柱形玻璃气室，其内充有碱金属原子；
[0015]磁场发生装置，紧贴原子气室侧壁的两块长方体永磁铁，可以在原子气室内，沿垂直于激光传输方向产生均匀性超过95％的磁场，控制永磁铁的尺寸和位置，可以使磁场强度在100
‑
4000高斯变化，磁场强度优选为3500高斯；
[0016]温度控制模块，对碱金属原子气室的温度进行监控和反馈控制，控温范围为30
‑
200摄氏度，控温精度为0.01
‑
0.1摄氏度，温度优选为60
‑
120摄氏度；
[0017]偏振滤光模块，由两块偏振方向正交的偏振分光元件构成，分别位于碱金属原子气室两侧，对在磁场作用下偏振方向旋转的激光进行滤光。
[0018]进一步地，反射腔镜的背面粘贴有压电陶瓷，可以在激光器工作时改变激光器的腔长，实现对输出激光的频率调节，该过程被称为激光器的扫频过程。压电陶瓷的行程为3.3μm，扫频范围与激光器的腔长和工作波长有关。
[0019]第二方面、一种基于佛克脱反常色散原子滤光器的外腔半导体激光器实现方法及其选频方法，所述方法包括：
[0020]将带有温度控制模块和准直模块的激光二极管装配在激光器底座上，调节准直模块中透镜的位置，使从准直模块中出射的激光发散角达到最小；
[0021]将装有反射腔镜和压电陶瓷的镜座装配到激光器底座上，通过调节镜座的俯仰改变反射腔镜的俯仰，使在腔镜处反射的激光原路返回，使谐振腔的反馈达到最大，确保使用的激光二极管可以正常起振。
[0022]将装有温度控制模块和磁场发生装置的佛克脱反常色散原子滤光器装配到激光器底座上，且温度控制模块关闭。两块偏振分光棱镜的偏振方向设置为正交，此时，谐振腔的损耗过大，激光器无法起振。
[0023]将二分之一波片放置在原子气室和第二个偏振分光棱镜之间，使部分激光能够通过偏振分光棱镜，射向反射腔镜，降低谐振腔的损耗。通过调节镜座的俯仰改变反射腔镜的俯仰，使在腔镜处反射的激光延原路返回，使谐振腔的反馈达到最大，激光器正常起振，但是此时原子滤光器没有起到选频的作用。
[0024]撤下二分之一拨片，开启原子滤光器的温度控制模块，将温度上升至合适的度数，频率在原子跃迁频率附近的激光，其偏振方向在法拉第旋光效应的作用下旋转，使该频率附近的激光能从正交的偏振片射出，谐振腔损耗变小，激光器重新起振，输出激光的频率在原子跃迁频率附近。
[0025]通过改变压电陶瓷的电压来改变压电陶瓷的厚度，进而改变激光器的腔长，可以使得激光器的输出频率发生改变，这种方法即为法拉第激光器的一种激光调谐方法。激光可调谐范围由激光器的自由光谱范围和原子滤光器的透射谱带宽中较小的那个决定。若自由光谱范围较大，激光调谐的过程中会发现，当工作频率超出原子滤光器的透射谱带宽时，激光器腔内损耗过大，激光器关闭，因此可调谐范围为原子滤光器的透射谱带宽；若原子滤光器的透射谱带宽较大，当工作频率超出自由光谱范围一个边界时，工作频率会立刻跳至自由光谱范围的另一边界。
[0026]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0027]1、本专利技术利用佛克脱反常色散原子滤光器代替主流的法拉第色散原子滤光器作为外腔半导体激光器的选频器件，实现了首个佛克脱型外腔半导体激光器；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光器包括：一个镀增透膜的激光二极管，所述激光二极管上设置有温度控制模块；一个准直模块，用于对激光二极管进行准直扩束；一个佛克脱反常色散原子滤光器，对激光二极管出射的激光进行滤光，所述滤光器的透射谱决定输出的激光光谱；一个反射腔镜，将经过原子滤光器滤光后的激光反射回谐振腔内，形成振荡，产生稳定的激光；一个压电陶瓷，与反射腔镜装配在一起，用于微调腔长，实现激光调谐。2.根据权利要求1所述的一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特征在于，所述滤光器包括：两块偏振分光棱镜、一个碱金属原子气室和两块长方钕铁硼永磁铁。3.根据权利要求1所述的一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特征在于，所述温度控制模块包括：TEC半导体制冷器及温度反馈控制电路，所述温度控制模块的控温精度为0.01
‑
0.1摄氏度；利用准直模块对激光二极管出射激光进行准直，使出射激光的发散角缩小为0.01
‑2°
。4.根据权利要求1所述的一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光器还包括：激光器底座、四块侧板和一块盖板，用于固定激光器中的元件，将各个元件组装为一个整体。5.根据权利要求1所述的一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特征在于，所述激光器的腔长为激光二极管的发射端面到反射腔镜端面的距离。6.根据权利要求2所述的一种基于佛克脱反常色散原子滤光器外腔半导体激光器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，党安红，刘子捷，史田田，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：