CN111384665A

CN111384665A - 一种外腔式半导体激光器装置

Info

Publication number: CN111384665A
Application number: CN202010299282.5A
Authority: CN
Inventors: 周志远; 杨凯; 李银海; 李岩; 史保森
Original assignee: Qingdao Quantum Application Technology Co ltd
Current assignee: Hefei Hengyuan Quantum Technology Co.,Ltd.; QINGDAO QUANTUM APPLICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2020-07-07

Abstract

一种外腔式半导体激光器装置，包括激光谐振腔模块，所述激光谐振腔模块包括按光路依次设置的光产生单元、光栅选模单元、光反馈及输出单元，所述光产生单元包括半导体激光器和准直透镜，所述光栅选模单元包括光栅，所述光反馈及输出单元包括部分反射镜，所述半导体激光器的输出端、准直透镜、光栅、部分反射镜形成外部谐振腔。该发明的优点在于：半导体激光器单独工作时，其后端面、前端面构成内部谐振腔结构，输出表现为多纵模形式，本申请通过将输出的多纵模输入到外部谐振腔，通过光栅对入射光束的振幅和相位进行空间周期性调制，最后经过部分反射镜增强设定频率的光线，抑制其他波段光线，从而实现单纵模、高功率和窄线宽性能。

Description

一种外腔式半导体激光器装置

技术领域

本发明涉及激光技术、光通信、原子和分子激光光谱学、精密测量的技术领域，尤其涉及一种外腔式半导体激光器装置。

背景技术

外腔式半导体激光器在相干光通信、原子和分子激光光谱学、精密测量和环境监测等领域具有广泛的应用前景。随着激光器的发展，外腔式半导体激光器以其优良的性能，受到了越来越多的关注。作为激光技术的一个重要部分，外腔式半导体激光器技术被认为是一项技术革新，使我们生活的世界发生了革命性的变化。其越来越多的运用打开了物理学研究的新大门，除了上述典型应用外，还有许多其他应用，包括非线性光学转换、光学数据存储、相干光瞬态处理以及量子光学操作。

但是，但目前为止，外腔式半导体激光器技术仍具有很大的挑战性，高功率、单纵模、窄线宽还没有解决。

发明内容

为了实现外腔式半导体激光器高功率、单纵模、窄线宽的性能，为此，本发明提供一种外腔式半导体激光器装置。本发明采用以下技术方案：

一种外腔式半导体激光器装置，包括激光谐振腔模块，所述激光谐振腔模块包括按光路依次设置的光产生单元、光栅选模单元、光反馈及输出单元，所述光产生单元包括半导体激光器和准直透镜，所述光栅选模单元包括光栅，所述光反馈及输出单元包括部分反射镜，所述半导体激光器的输出端、准直透镜、光栅、部分反射镜形成外部谐振腔。

具体地说，所述光栅为反射式体布拉格光栅。

具体地说，还包括温控器、底座、驱动控制模块，所述光产生单元还包括温度传感器，所述激光谐振腔模块设置在底座上，所述激光谐振腔模块与底座之间设置有温控器，所述驱动控制模块分别与所述温控器、半导体激光器的对应端口连接。

具体地说，所述驱动控制模块包括激光驱动单元和温度控制单元、电流显示电路、电流设定电路，所述激光驱动单元包括依次设置的交流电输入电路、交流转直流电路、稳压滤波电路，所述稳压滤波电路的输出端分别与电流显示电路和半导体激光器的受控端连接，还包括电流设定电路，所述电流设定电路与稳压滤波电路的信号输入端连接。

具体地说，所述光产生模块还包括激光固定架，所述激光固定架沿着光路的两侧设置有通孔，半导体激光器和准直器固定在通孔内，且半导体激光器和准直器之间间隔在通孔内距离可调。

具体地说，所述半导体激光器通过紧定压圈设置在通孔内，所述准直透镜通过固定套筒设置在通孔内。

具体地说，所述通孔面向固定套筒的侧壁上还设置有缓冲胶圈。

具体地说，所述准直器为非球面透镜。

具体地说，所述光栅选模单元还包括第一固定调整架，所述第一固定调整架上设有用于调节光栅角度的第一调节部件。

具体地说，所述光反馈及输出单元还包括第二固定调整架，所述第二固定调整架上设有用于调节部分反射镜角度的第二调节部件。

本发明的优点在于：

(1)半导体激光器单独工作时，其后端面、前端面构成内部谐振腔结构，输出表现为多纵模形式，本申请通过将输出的多纵模输入到外部谐振腔，通过光栅对入射光束的振幅和相位进行空间周期性调制，最后经过部分反射镜增强设定频率的光线，抑制其他波段光线，从而实现单纵模、高功率和窄线宽性能。

(2)光栅为反射式体布拉格光栅，对输入的激光光束进行模式选择，能对入射光波的振幅和相位进行空间周期性调制。反射式体布拉格光栅的工作中心频率为υ₀，反射频率在υ₀附近的光线，其余频率的光线透射过去，且在υ₀附近反射光线的频率带宽为Δυ。

(3)温度传感器、温控器、驱动控制模块的设置保证了设备的工作环境。

(4)本申请中的激光驱动单元可以用于提供电流驱动光产生单元发出需要的光束。

(5)所述准直透镜用于对半导体激光器发出的光束进行准直，实际组装过程中通过改变准直透镜到半导体激光器之间的间距，可实现理想的准直效果。

(6)紧定压圈和固定套筒分别用于固定半导体激光器和准直透镜，并且通过紧定压圈和固定套筒外部的螺纹与通孔内的螺纹，来调节准直透镜和半导体激光器之间的间距。

(7)缓冲胶圈用于保证固定套筒处于稳定状态，减弱外部因素图系统的影响，提升整体系统的稳定性。

(8)第一固定调整架和第二固定调整架上的调节部件用于调节对应的光栅和部分反射镜的角度，从而使部分反射镜反射回去的光束可以沿原路返回，和原始光束发生光学谐振作用。

附图说明

图1为本发明外腔式半导体激光器装置的主视图。

图2为激光谐振腔模块的结构图。

图3为光产生单元的结构图。

图4为半导体激光器输出特性曲线图。

图5为光栅选模单元的结构图。

图6为光栅的增益特性曲线。

图7为光反馈及输出单元的结构图。

图8为外部谐振腔的调制特性曲线。

图9为本发明的输出光谱曲线。

图10为温控器控温示意图。

图11为驱动控制模块中激光驱动单元的电路原理图。

图12为驱动控制模块中温度控制单元的电路原理图。

图13为装置的整体实现过程。

图中标注符号的含义如下：

1-激光谐振腔模块

11-光产生单元 111-半导体激光器 112-紧定压圈

113-激光固定架 114-准直透镜 115-固定套筒 116-缓冲胶圈

117-温度传感器

12-光栅选模单元 121-第一固定调整架 122-反射式体布拉格光栅

123-第一调节部件

13-光反馈及输出单元 131-第二固定调整架 132-部分反射镜

133-第二调节部件 14-固定底板

2-温控器 3-底座 4-驱动控制模块

41-激光驱动单元 411-交流电输入电路 412-交流转直流电路

413-稳压滤波电路

42-温度控制单元 421-驱动电路 422-H桥电路

423-数字PID控制逻辑电路 424-AD转换电路

43-电流显示电路 44-电流设定电路

具体实施方式

如图1所示，一种外腔式半导体激光器装置，包括：

激光谐振腔模块1，用于产生激光光束，并在谐振腔内实现对激光光束的反馈谐振调制，最终输出稳定的、窄线宽的、高功率的激光光束。

温控器2，用于控制激光谐振腔模块的温度，使激光谐振腔模块稳定在一个固定的温度范围内，以保证谐振腔装置稳定地运行。

底座3，用于固定整个装置，并与激光谐振腔模块之间形成热传导通道，维持激光谐振腔模块1的温度稳定。

驱动控制模块4，其作用一是用于驱动激光谐振腔模块1产生激光光束；其作用二是用于控制温控器2，通过电信号调整激光谐振腔模块1和底座3之间的热量传导。其与激光谐振腔模块1、温控器2通过导线连接。

以下对各部分进行详细的说明。

1.激光谐振模块

如图2所示，激光谐振腔模块1包括光产生单元11、光栅选模单元12、光反馈及输出单元13、固定底板14。

所述光产生单元11，用于产生稳定的原始激光光束，通过其内部元件作用，其可产生稳定的，准直效果理想的激光光束。

所述光栅选模单元12，用于对输入的激光光束进行模式选择，选取符合目标频率的激光光束。

所述光反馈及输出单元13，用于将输入的激光光束按一定的比例分为两个部分，一部分激光光束原路反馈回去实现谐振调制，一部分激光光束顺利通过，作为输出光束输出。

所述固定底板14用于固定整个激光谐振腔模块1，并为温控器2提供热承。

以下对激光谐振腔模块1的各模块进行详细的描述：

11.光产生单元11

如图3所示，所述光产生单元11包括半导体激光器111、紧定压圈112、激光固定架113、准直透镜114、固定套筒115、缓冲胶圈116、温度传感器117。其用于固定相关功能结构组件，产生稳定的原始激光光束。

所述半导体激光器111工作中心频率为υ₀，其设置有三个引脚可与驱动控制模块4通过导线连接，以获取电流输入，产生稳定的原始激光光束。半导体激光器111单独正常工作时，半导体激光器111的后端面、半导体激光器111的前端面构成了内部谐振腔结构，半导体激光器111输出表现为多纵模形式，如图4所示，整体上各个模式间的强度分布满足高斯线型分布，每个模式的线宽为Δυ_csd、不同模式间的间隔Δυ_qsd，理论上可由以下公式粗略计算：

其中，R₁为半导体激光器111后端面反射率、R₂为半导体激光器111前端面反射率、d为半导体激光器111前后端面间的距离、n为半导体激光器111内部介质折射率、c为光在真空中的传播速度。

所述紧定压圈112外侧面设置有外螺纹，可旋入激光固定架113中，和激光固定架113一起，对半导体激光器111起到很好的固定作用。

所述激光固定架113沿着光路的两侧设置有通孔，所述通孔内为阶梯状，在通孔两端均设置有内螺纹，可与紧定压圈112、固定套筒115外侧壁的螺纹良好的配合。所述激光固定架113上还设置了温度传感器117的固定孔，为了保证良好的热传导效果，温度传感器117与固定孔的间隙处填充导热硅脂。所述温度传感器117用于探测光产生单元11的温度，并通过导线与驱动控制模块4相连，将光产生单元11的温度信息转换为电信号，实时反馈给驱动控制模块4。其可有两种具体实施例，一种是热敏电阻型温度传感，不同温度时，表现为不同的电阻值；另一种是集成电路型温度传感器117，它产生与温度信息相关的电流值。

所述准直透镜114用于对半导体激光器111发出的光束进行准直，实际组装过程中通过改变准直透镜114到半导体激光器111之间的间距，可实现理想的准直效果。准直透镜114为非球面透镜，前后表面镀膜AR@405nm。

所述固定套筒115用于固定准直透镜114，其旋入激光固定架113后，通过微调旋转可控制改变准直透镜114到半导体激光器111之间的间距，实现理想的准直效果。

所述缓冲胶圈116用于保证固定套筒115处于稳定状态，减弱外部因素图系统的影响，提升整体系统的稳定性。

12.光栅选模单元12

如图5所示，光栅选模单元12包括光栅和用于固定光栅的第一固定调整架121。所述光栅为反射式体布拉格光栅122。所述光栅的工作中心频率为υ₀，其对输入的激光光束进行模式选择，且能对入射光波的振幅和相位进行空间周期性调制，其增益曲线如图6所示。反射频率在υ₀附近的光线，其余频率的光线透射过去。在υ₀附近反射光线的频率带宽为Δυ。

所述第一固定调整架121上还包括第一调节部件123，在该方案中，第一调节部件123为三个调节旋钮，通过旋转调节旋钮可实现光栅在水平平面和竖直平面内的角度调节。

13.反馈及输出单元

如图7所示，光反馈及输出单元13包括部分反射镜132和用于固定第二固定调整架131。所述部分反射镜132工作波段为405nm，其原理为在镜面表面镀上光学薄膜，将输入的激光光束按一定的比例分为两个部分，一部分激光光束原路反馈回去，一部分激光光束顺利通过，作为输出光束输出。

所述第二固定调整架131还包括第二调节部件133，在该方案中，第二调节部件133为三个调节旋钮，通过旋转调节旋钮可实现部分反射镜132在水平平面和竖直平面内的角度调节。

部分反射镜132、光栅、半导体激光器111后端面一起构成外部谐振腔，综合作用，对内部光束进行调制，增强某些频率的光线，抑制其余波段光线，外部谐振腔调制特性曲线如图8所示。

每个增腔频率附近对应的线宽为Δυ_cec、不同模式间的间隔Δυ_qec，理论上可由以下公式粗略计算：

其中，R₁为半导体激光器111后端面反射率、R_eff为部分反射镜132和光栅理论上的等效综合反射率，L为外部谐振腔的腔长、n为半导体激光器111内部介质的折射率、n₀为空气的折射率、c为光在真空中的传播速度，d为半导体激光器111前后端面间的距离。

在整体装置的综合调制下，外腔式半导体激光器111装置输出的光谱曲线如图9所示，其在υ₀处可实现单纵模输出。

2.温控器2

如图1所示，温控器2固定在激光谐振腔模块1和底座3之间，在该实施例中，温控器2为片状结构，在接触界面会涂有导热硅胶，以保证良好的热接触，形成良好的导热通道。

如图10所示，当通过导线给温控器2输入正电流时，温控器2将热量沿A方向搬运，即热量从激光谐振腔模块侧传向底座3侧。当通过导线给温控器2输入负电流时，温控器2将热量沿B方向搬运，即热量从底座3侧传向激光谐振腔模块侧。

驱动控制模块4

所述驱动控制模块4包括激光驱动单元41、温度控制单元42。

所述激光驱动单元41用于提供电流驱动给光产生模块。

所述温度控制单元42通过对比目标温度和温度传感器117探测到的温度差异，输出不同的电流给温控器2，以实现使激光谐振腔模块1的温度稳定在一个固定的温度范围内。

以下对驱动控制模块4的各模块进行详细的描述：

4.1激光驱动单元41

如图11所示，所述激光驱动单元41包括依次设置的交流电输入电路411、交流转直流电路412、稳压滤波电路413，所述稳压滤波电路413的输出端分别与电流显示电路43和半导体激光器111的受控端连接，还包括电流设定电路44，所述电流设定电路44与稳压滤波电路413的信号输入端连接。

外部交流电通过交流电输入电路411，将驱动电流输入到交流转直流电路412中，交流转直流电路412将交流驱动电流转换为直流电驱动，稳压滤波电路413接收到直流电驱动后，用户通过电流设定电路44将目标电流信息输入到稳压滤波电路413中。稳压滤波电路413通过内部电路过滤杂波，输出满足目标电流的直流电驱动给光产生单元11，于此同时，实际电流值通过电流显示模块显示给用户。

4.2温度控制单元42

如图12所示，所述温度控制单元42包括驱动电路421、H桥电路422、数字PID控制逻辑电路423、AD转换电路424，所述数字PID控制逻辑电路423一个控制端通过H桥电路422与驱动电路421连接，温度传感器117的信号通过AD转换电路424输入到数字PID控制逻辑电路423中，所述温度设定模块与数字PID控制逻辑电路423的另一个输入端连接，所述数字PID控制逻辑电路423的输出端与温度显示电路连接。

温度传感器117将实时检测到的温度信息以电信号的形式传输给AD转换电路424，AD转换电路424将模拟信号转换为数字信号传输给数字PID控制逻辑电路423，数字PID控制逻辑电路423将实时温度传输到温度显示电路，温度显示电路显示温度信息给到用户，用户通过温度设定电路将设定的目标温度信息输入到数字PID控制逻辑电路423，数字PID控制逻辑电路423比较实时温度和目标温度的差异，使出对应的控制信号给H桥电路422，H桥电路422控制驱动电路421输出对应的电流信息给到温控器2以调节温控器2的热传导方向。之后如此往复，最终实现温度控制单元42动态控制激光谐振腔模块的温度稳定在目标温度。

装置处理过程中的曲线如图13所示，半导体激光器111产生的激光作为初始激光光束输入系统中，经光栅和外腔的综合调制得到最终的单纵模激光光束。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，包括激光谐振腔模块(1)，所述激光谐振腔模块(1)包括按光路依次设置的光产生单元(11)、光栅选模单元(12)、光反馈及输出单元(13)，所述光产生单元(11)包括半导体激光器(111)和准直透镜(114)，所述光栅选模单元(12)包括光栅，所述光反馈及输出单元(13)包括部分反射镜(132)，所述半导体激光器(111)的输出端、准直透镜(114)、光栅、部分反射镜(132)形成外部谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述光栅为反射式体布拉格光栅(122)。

3.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，还包括温控器(2)、底座(3)、驱动控制模块(4)，所述光产生单元(11)还包括温度传感器(117)，所述激光谐振腔模块(1)设置在底座(3)上，所述激光谐振腔模块(1)与底座(3)之间设置有温控器(2)，所述驱动控制模块(4)分别与所述温控器(2)、半导体激光器(111)的对应端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述驱动控制模块(4)包括激光驱动单元(41)和温度控制单元(42)、电流显示电路(43)、电流设定电路(44)，所述激光驱动单元(41)包括依次设置的交流电输入电路(411)、交流转直流电路(412)、稳压滤波电路(413)，所述稳压滤波电路(413)的输出端分别与电流显示电路(43)和半导体激光器(111)的受控端连接，还包括电流设定电路(44)，所述电流设定电路(44)与稳压滤波电路(413)的信号输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述光产生模块还包括激光固定架(113)，所述激光固定架(113)沿着光路的两侧设置有通孔，半导体激光器(111)和准直器固定在通孔内，且半导体激光器(111)和准直器之间间隔在通孔内距离可调。

6.根据权利要求5所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器(111)通过紧定压圈(112)设置在通孔内，所述准直透镜(114)通过固定套筒(115)设置在通孔内。

7.根据权利要求5所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述通孔面向固定套筒(115)的侧壁上还设置有缓冲胶圈(116)。

8.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述准直器为非球面透镜。

9.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述光栅选模单元(12)还包括第一固定调整架(121)，所述第一固定调整架(121)上设有用于调节光栅角度的第一调节部件(123)。

10.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器装置，其特征在于，所述光反馈及输出单元(13)还包括第二固定调整架(131)，所述第二固定调整架(131)上设有用于调节部分反射镜(132)角度的第二调节部件(133)。