专利名称：Littrow结构光栅外腔半导体激光器及其频率调谐方法
技术领域：
本发明涉及光栅反馈外腔半导体激光器，特别是指一种Littrow 结构光栅反馈外腔半导体激光器，光栅反馈外腔半导体激光器的频率 或波长调谐，减小调谐产生的光束平移的方法。
背景技术：
现有的Littrow结构外腔半导体激光器，如图1所示。包括半 导体激光管(LD) 1、非球面准直透镜(AL) 3、衍射光栅(GT) 12和反射镜(M) 5。
其中，N表示光栅法线，e表示半导体激光管l发出的激光经非
球面准直透镜3准直后的入射光束在光栅上的入射角或衍射角(衍射 光束与入射光束共线反向)。在Littrow结构外腔半导体激光器中， 半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后，入射在衍射 光栅12上。衍射光栅12的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回 到半导体激光管1中，衍射光栅12的零级衍射或光栅12的镜反射光 作为输出光。
在Littrow结构外腔半导体激光器中，激光波长或频率的调谐是 通过转动衍射光栅12，改变光栅12对光线的入射和衍射角实现的。 然而，在转动光栅12的过程中，作为输出光的光栅镜反射光的方向 也将随之改变。为了消除输出光束的方向变化，人们采用了附加的与 光栅12平行的反射镜5。该反射镜5与光栅12固定成一体且反射表 面与光栅12的表面平行。当光栅12旋转时，反射镜5也随之旋转， 从而消除了通过转动光栅12调谐频率时输出光束的方向变化。然
化。也就是在通过转动光栅12调谐激光频率时，输出光束将发生位置的平移。这对于许多对光束位置的准确性及其稳定性有较高要求的 应用领域是十分不利的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器 及其频率调谐方法，减小频率调谐产生的光束平移变化。
基于上述目的本发明提供的Littrow结构光栅外腔半导体激光器的 频率调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管发出的激 光经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光与入射光共线 反向沿原路返回到半导体激光管中，光栅的零级衍射或光栅的镜反射光 经反射镜反射后输出，其中，通过转动所述光栅进行激光频率选频时， 所述反射镜与光栅成一体旋转，且该反射镜的反射表面与光栅的衍射表 面成一夹角。
可选的，该方法所述反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成的夹角 (3满足关系式u x cos(e)+w x COs(e+P)=0;
其中，w的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到反射镜的反射 表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到
光栅衍射表面所在平面的距离；e表示半导体激光管发出并入射在光栅 上的入射光束形成的入射角或衍射角；
u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准 平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG, w 的基准平面为平面SM;夹角P的符号规定为，若夹角(3是逆时针旋转反 射镜形成的，则为正，反之为负。
可选的，该方法所述在所述半导体激光器通过转动中心调节机构调 ^节所述转动中心的位置；并通过转动调节机构使反射镜)和光栅以所述 准调谐转动中心为轴转动。
可选的，该方法所述光栅和反射镜以过所述转动中心且垂直于光 路面的直线为轴转动。
基于上述目的，本发明还提出了一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器，包括半导体激光管、准直透镜、光栅和反射镜；所述半导体 激光管发出的激光经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射 光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管中，光栅的零级衍射或 光栅的镜反射光经反射镜反射后输出，其中，所述反射镜与光栅固定成 一体，且该反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成一夹角。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，反射镜的反射表面与光栅的 衍射表面成的夹角I3满足关系式u x cos(e)+w x cos(e+P)=0;
其中，w的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到反射镜的反射
表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到 光栅衍射表面所在平面的距离；e表示半导体激光管发出并入射在光栅 上的入射光束形成的入射角或衍射角；
u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准 平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG， w 的基准平面为平面SM;夹角P的符号规定为，若夹角(3是逆时针旋转偏 转反射镜形成的，则为正，反之为负。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅和反射镜以过所述 转动中心且垂直于光路面的直线为轴转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，在所述半导体激光器中设置 有转动中心调节机构，用于调节所述转动中心的位置；
转动调节机构，使所述反射镜和光栅以所述准调谐转动中心为轴转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述转动中心调节机构为转 动中心微调螺钉，所述转动调节机构为激光频率调谐微调螺钉；并还包 括有调节架动板和固定在底板上的调节架定板；反射镜和光栅被固定在 调节架动板上，激光频率调谐微调螺钉和转动中心微调螺钉设置在所述 调节架定板上；
所述转动中心设置于转动中心微调螺钉的中心轴线上，通过调节转 动中心微调螺钉带动调节架动板移动，调整转动中心的位置；通过调节 激光频率调谐微调螺钉带动调节架动板使其上的反射镜和光栅转动。可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述转动调节机构还包括 调节架压电陶瓷，设置在所述调节架动板和激光频率调谐微调螺钉之 间，用于调节架动板的转动做精细调节。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅为衍射光^^、或透 射光栅、或全息光栅。
从上面所述可以看出，本发明提供的Littrow结构光栅外腔半导 体激光器及其频率调谐方法，克服了 Littrow结构光栅外腔半导体激 光器中，反射镜必须与光栅平行的思想束繂，创造性的在反射镜反射 平面与光栅衍射平面之间留有一定夹角，大幅度减小了当旋转光栅和 反射镜进行频率调谐时光束的平移变化。使得在通过转动光栅调谐激 光频率时，输出光束将几乎不发生位置的平移，解决了长期以来困扰 本领域技术人员的光束平移问题。为许多对光束位置及其稳定性有较 高要求的应用提供了可调谐且光束位置更稳定的激光器。
图1为Littrow结构外腔半导体激光器的结构示意图； 图2为本发明减小光束位移Littrow结构外腔半导体激光器实施例 的结构示意图3为本发明带有调节机构的Littrow结构外腔半导体激光器实施 例的结构示意图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例 性实施例。
本发项."个实施例的Littrow结构外腔半导体激光器结构如私.2所 示。包括半导体激光管1、准直透镜3、衍射光栅12和偏转反射镜 5。衍射光栅12和偏转反射镜5构成一体，可以一起围绕光栅准同步频 率调谐转动中心Pq转动，实现激光频率的调谐。
半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后，入射在衍射光栅12上。衍射光栅12的一级衍射光与入射光共线反向沿原路 返回到半导体激光管1中，衍射光栅12的零级衍射或光栅12的镜反 射光作为输出光经偏转反射镜5反射后输出。
其中，n表示光栅法线，e表示半导体激光管1发出的激光经非
球面准直透镜3准直后的入射光束在光栅上的入射角或衍射角(衍射 光束与入射光束共线反向)。SL表示半导体激光管1等效后表面，它 垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，距所述光束中心线 和光栅表面的交点Q的距离等于Q点到半导体激光管1后表面的光学 距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素 影响，该光学距离与半导体激光管1到所述Q点的实际距离相比略 长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管l后表面更远离Q 点)；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示偏转反射镜5的反射 表面所在的平面。
为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy， x轴为半导体激光管 l发出的所述光束中心线，方向为所述光束传输方向；y轴为平面SL 与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述 光束的中心线与平面SL的交点。x的绝对值为光栅12和反射镜5的 共同转动中心P到平面SL的距离；w的绝对值为光栅12和反射镜5 的共同转动中心P到平面SM的距离；u的绝对值为光栅12和反射镜 5的共同转动中心P到平面SG的距离；y的绝对值为光栅12和反射镜 5的共同转动中心P到光栅12的入射或衍射光线的距离。P为平面SG 与平面SM的夹角。光栅12和偏转反射镜5以过所述转动中心P且垂 直于光路面的直线为轴转动。
在本发明实施例中，偏转反射镜5的反射表面SM与光栅12衍射 表面SG是不平行的。
并且，通过长期研究和大量实验发现，其夹角为P、入射角或衍射 角为e、所述转动中心P到平面SM的距离w、所述转动中心P到平面 SG的距离u满足下列关系<formula>formula see original document page 9</formula>由图2所示，上式中表示相互位置的参数u和w的符号规定为， 若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之 为负。其中，u的基准平面为平面SG， w的基准平面为平面SM。夹角 p的符号规定为，若夹角P是逆时针旋转偏转反射镜形成的，则为正，反 之，顺时针旋转偏转反射镜5形成的为负，可以看出图2中的夹角|3为 正。公式(1)表示，P角的选择与u和w的比值以及光栅的入射或衍射角e有关。通过大量实验得出，当满足上述公式时，转动光栅12和偏转反射 镜5进行输出光频率调节时，所产生的输出光平移变化明显小于光栅 12和偏转反射镜5平行的情况。为实现上述调节，本发明的一个实施例中，在所述半导体激光器中 设置转动中心调节机构，用于调节所述转动中心P的位置；并设置转动 调节机构使偏转反射镜5和光栅12以所述准调谐转动中心P为轴转 动。下面一个例子进行详细说明，如图3所示，Littrow结构外腔半导 体激光器包括半导体激光管1、半导体激光管热沉2、非球面准直透 镜3、准直镜架4、偏转反射镜5、调节架动板6、调节架定^反7、激光 频率调谐微调螺钉8、转动中心微调螺钉9、调节架压电陶资10、底板 11和4汙射光4册12。半导体激光管1通过热沉2釆用温度传感器和半导体制冷器实现温 度控制。准直透镜3通过镜架4被调整和固定。反射镜5和衍射光栅12 被固定在调节架动板6上，其方向可通过调节架定板7上的调节螺钉8 和9进行调整，还可通过动板6上的压电陶瓷10进行细调。外腔和光 栅12的选频作用可通^t转动调节架动板6绕转动中心P转动实现。.例 如通过微调螺钉8改变反射镜5的角度进行粗调，或经过在压电陶瓷10 施加控制电压进行细调。装有调节螺钉8和9的调节架定板7被固定在 底板11上。其中，转动中心微调螺钉9为所述转动中心调节机构；激光频率调谐微调螺钉8和调节架压电陶瓷10为所述转动调节机构。本实施例中 转动中心p可设置于转动中心微调螺钉9的中心轴线上，通过调节转动 中心微调螺钉9带动调节架动板6移动，调整转动中心P的位置。通过 调节激光频率调谐微调螺钉8带动调节架动板6使其上的反射镜5和衍 射光栅12转动，并可进一步通过调节架压电陶瓷10进行微调。功率30mW波长为689nm的半导体激光管1发出的激光光束，经 过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜3准直后，入射在刻 线密度为 1800g/mm、 具有合适的4汙射效率、刻线面积大小为12.5mm x 12.5mm、厚度为6mm的闪耀衍射光栅12上，光栅12的零阶衍射光 或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅12的一级衍射光，沿着 与原入射光束共线反向的路径返回到半导体激光管1中。本实施例中，Littrow结构外腔半导体激光器的参数选择为 9=38.3。， u;18.8mm，w=23.1mm,根据公式(1 )可以得出(3=11.8。。 对于过去的常规方法，即(3=0。，若保持光栅12与偏转反射镜5之间的 光线长度a不变，则有w=24.2mm。以这些参数为基础，下面比较产生 的光束平移量。考虑士30nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12和 偏转反射镜5的角度变化量为±2°。如果选用过去的常规方法，可得到 光束平移量为0.6mm。若采用本发明的设计，光束平移量为-6.9pm。与 过去常规方法相比，光束的平移减少了 80多倍。这已经覆盖了大部分 可调谐外腔半导体激光器的波长可调谐范围。若考虑士10nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12 和偏转反射镜5的角度变化量为±0.65°。如果选用过去的常规方法，可 得到光束平移量为0.2mm。若采用本发明的设计，光束平移量为-0.78jim。与过去常Mi方法相比，光束的平移减少了 240多倍。而若考虑土5nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6,即光栅12 和偏转反射镜5的角度变化量为士0.33。。如果选用过去的常规方法，可 得到光束平移量为O.lmm。若采用本发明的设计，光束平移量为-0.2pm。与过去常^见方法相比，光束的平移减少了 490多倍。而若考虑士2nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12 和偏转反射镜5的角度变化量为±0.13°。如果选用过去的常规方法，可 得到光束平移量为40|im。若釆用本发明的设计，光束平移量为-32nm。与过去常^L方法相比，光束的平移减少了 1200多倍。
可以看出，调谐范围越小，位移量被减小的程度越大。这是位移变 化的余旋函数特性所决定的。实际上，这时的激光束的位移已经感觉不 出。许多情况下，该位移已经主要由其它条件决定，或被其它因素的影 响所覆盖，例如机械结构的稳定性、温度变化、外界振动和音频噪声 等。
上述方案中的半导体激光管1也可选用其它波长，其它输出功率； 光栅12也可釆用其它类型的光栅，比如透射光栅或全息光栅等，也 可由其它刻线密度和大小厚度构成；准直透镜也可以采用其它焦距和数 值孔径，u和w值也可采用其它数值，光栅12和偏转反射镜5的共同 转动中心p也可选在其它位置。
本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏的 或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技 术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理 和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适 于特定用途的带有各种修改的各种
权利要求
1.一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器的频率调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管(1)发出的激光经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(12)的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管(1)中，光栅(12)的零级衍射或光栅(12)的镜反射光经反射镜(5)反射后输出，其特征在于，通过转动所述光栅(12)进行激光频率选频时，所述反射镜(5)与光栅(12)成一体旋转，且该反射镜(5)的反射表面与光栅(12)的衍射表面成一夹角。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射镜(5)的 反射表面与光栅(12)的衍射表面成的夹角P满足关系式uxcos(e)+wx cos(e+p)=0;其中，w的绝对值为光栅(12)和反射镜(5)的共同转动中心到 反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅(12) 和反射镜(5)的共同转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距 离；e表示半导体激光管(1)发出并入射在光栅(12)上的入射光束形 成的入射角或衍射角；u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准 平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG， w 的基准平面为平面SM;夹角p的符号规定为，若夹角P是逆时针旋转反 射镜形成的，则为正，反之为负。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述半导体激 光器通过转动中心调节机构调节所述转动中心的位置；并通过转动调节 机构使反射镜(5)和光栅(12)以所述准调谐转动中心为轴转动。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光栅(12 ) 和反射镜(5)以过所述转动中心且垂直于光路面的直线为轴转动。
5. —种Littrow结构光栅外腔半导体激光器，包括半导体激光管 (1)、准直透镜(3)、光栅(12)和反射镜(5);所述半导体激光管(1)发出的激光经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(1 )中，光栅(12 )的零级衍射或光栅(12 )的镜反射光经反射镜 (5)反射后输出，其特征在于，所述反射镜(5)与光栅(12)固定成 一体，且该反射镜(5)的反射表面与光栅(12)的衍射表面成一夹角。
6. 根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述反射镜 (5)的反射表面与光栅(12)的衍射表面成的夹角(3满足关系式uxcos(e)+w x cos(e+p)=0;其中，w的绝对值为光栅(12)和反射镜(5)的共同转动中心到 反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅(12) 和反射镜(5)的共同转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距 离；e表示半导体激光管(1)发出并入射在光栅(12)上的入射光束形 成的入射角或衍射角；u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准 平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG, w 的基准平面为平面SM;夹角(3的符号规定为，若夹角P是逆时针旋转反 射镜形成的，则为正，反之为负。
7. 根据权利要求5或6所述的半导体激光器，其特征在于，所述光 栅(12)和反射镜(5)以过所述转动中心且垂直于光路面的直线为 轴转动。
8. 根据权利要求5或6所述的半导体激光器，其特征在于，在所述 半导体激光器中设置有转动中心调节机构，用于调节所述转动中心的位 置；转动调节机构，使所述反射镜(5)和光栅(12)以所述准调谐转 动中心为轴转动。
9. 根据权利要求8所述的半导体激光器，其特征在于，所述转动中 心调节机构为转动中心微调螺钉(9)，所述转动调节机构为激光频率调 谐微调螺钉(8);并还包括有调节架动板(6)和固定在底板(11)上的调节架定板(7);所述反射镜(5)和光栅(12)被固定在调节架动 板(6)上，激光频率调谐微调螺钉(8)和转动中心微调螺钉(9)设 置在所述调节架定板(7)上；所述转动中心设置于转动中心微调螺钉(9)的中心轴线上，通过 调节转动中心微调螺钉(9)带动调节架动板(6)移动，调整转动中心 的位置；通过调节激光频率调谐微调螺钉(8)带动调节架动板(6)使 其上的反射镜(5)和光栅(12)转动。
10. 根据权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，所述转动 调节机构还包括调节架压电陶瓷(IO)，设置在所述调节架动板(6) 和激光频率调谐微调螺钉(8)之间，用于调节架动板(6)的转动做精 细调节。
11. 根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅 (12)为衍射光栅、或透射光栅、或全息光栅。
全文摘要
本发明公开一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器及其频率调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管(1)发出的激光经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(12)的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管(1)中，光栅(12)的零级衍射或光栅(12)的镜反射光经反射镜(5)反射后输出，通过转动所述光栅(12)进行激光频率选频时，所述反射镜(5)与光栅(12)成一体旋转，且该反射镜(5)的反射表面与光栅(12)的衍射表面成一夹角。本发明方案大幅度减小了当光栅和反射镜旋转时光束的平移变化。
文档编号H01S5/00GK101630810SQ20081011663
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者方占军, 曹建平, 烨 李, 臧二军 申请人:中国计量科学研究院