专利名称：分布反馈注入放大半导体激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体激光器，更具体涉及一种分布反馈注入放大半导体激光 器，本实用新型适用于激光冷却、原子囚禁、激光光谱、非线性光学等领域。
背景技术：
1917年爱因斯坦提出了受激辐射的概念，20世纪50年代，苏联科学家巴索夫和普罗 霍罗夫发表了《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》的论文，为激光的出现提供 了理论的依据。在1960年，加州休斯实验室的梅罗研制成了世界上第一台红宝石激光器， 他用红宝石晶体作为发光材料，用发光密度很高的脉冲氙灯作为激光的泵浦源，经过多年 的努力获得了历史上的第一束激光，其波长是694nm。在我国，第一台红宝石激光器于1961 年在中国科学院长春光机所研制成功，此后我国的激光技术得到了迅速的发展，并在各个 领域得到了广泛的应用。目前在不同领域常用的激光器有固体激光器、液体激光器、气体 激光器、光纤激光器和半导体激光器等。半导体激光器是以半导体材料为工作物质的一类激光器，也称半导体激光二极管。半 导体材料的特殊性决定了半导体激光器有着自身的优势，其特点是体积小、效率高、线宽 窄、稳定性好、单模工作。按照半导体激光器的发展历史和发展水平，可将其分为三个大 致的阶段，即同质结半导体激光器阶段、 一般异质结半导体激光器阶段和量子阱半导体激 光器阶段。同质结半导体激光器是由单一半导体材料组成的激光器，釆用两种禁带宽度相 同的半导体材料构成发光结，采用两个抛光的平行的端面作为谐振腔，抛光的端面垂直于 P-N结平面，形成了相当于小型的法布里-珀罗(F-P)干涉仪的谐振腔。异质结半导体激 光器由两种不同的半导体材料构成发光结，要求这两种半导体材料的晶格常数相匹配，异 质结的禁带宽度之差造成的势垒对注入载流子的限制作用和异质结的高注入比特性有助 于粒子数反转的建立，两种材料折射率的不同提供了做成光波导的可能性，从而减小了光 在谐振腔以外的损失。双异质结构激光器提供了明确的介质波导而成为能够在室温连续工作的注入型激光器。从应用方面来考虑，从上世纪70年代开始相继出现了一些不同结构 特点的单模激光器，比如分布反馈半导体激光器(DFB)、分布布拉格反射半导体激光器 (DFR)、解理耦合腔半导体激光器等。量子阱是一种将窄带隙的有源层夹在宽带隙半导体 材料之间而形成的一种层状结构，其有源层的厚度小于电子的德布罗意波长，也可以看成 是一种半导体异质结结构。从应用角度来考虑，它有阈值电流低、输出功率高、频率响应 好、线宽窄和温度稳定性好等一些优点，因此在研究领域中被人们所关注。
在冷原子物理实验和相关应用中，线宽窄、功率高、稳定性好、可小型化的激光器有 着迫切需要。通常情况下，F-P型的半导体激光管都有着线宽的限制，在冷原子实验、激 光光谱以及非线性光学等应用中都不能满足实验的要求。因此出现了外腔反馈半导体激光 器，它是利用光栅反馈来增加激光腔长，从而压窄激光的线宽，其类型有Litrrow型和 Littman型，典型的产品有德国的Toptica公司以及美国Newfocus的相关产品。虽然外腔的 设计方案有效的压窄了半导体激光器的线宽，但是外腔的引入不可避免的增加了半导体激 光器的机械不稳定性，在实验中，通常利用饱和吸收谱线和其它方法将其锁定来解决其长 期稳定性问题。分布反馈半导体激光管有效地解决了激光线宽和长期稳定性的问题，它将 光栅集成在激光管的内部，既增加了半导体激光管的有效腔长，又减小了因引入外腔而增 加的机械不稳定性，同时又解决了激光器的小型化问题，可以满足冷原子的相关实验要求。 但是这种类型的激光管输出的功率通常情况都不是很高，对输出波长在780nm附近的激光 管输出功率在80mW左右，所以对激光的放大也有着迫切的需要。通常解决的方案是利用 锥形激光放大芯片对其进行放大，典型的产品有德国Toptica公司生产的相关产品，比如 TAIOO。它是将Litrrow型的外腔反馈半导体激光器作为注入光源，通过光隔离器后注入锥 形激光放大芯片对其进行放大。但是，该产品对锥形激光放大器的电流控制的精度相当的 严格，电流的波动直接影响着放大激光的稳定性。在我们的设计中，通过分束镜实现分 光系统，采取对锥形激光放大器的电流进行反馈控制，既降低了对大电流控制电路的设计 要求，又保证了放大后的激光稳定性，机械设计提供给放大芯片的封闭环境，防止灰尘进 入以致虽坏芯片，多维调节保证了放大激光输出光斑的质量，陶瓷电极的设计防止电流击 穿现象以致保证更大的电流给锥形激光放大芯片供电，同时避免了焊接中的静电问题，我 们的设计具有结构简单，调节方便，容易实现，功率稳定等特点。
发明内容
本实用新型的目的在于提供了一种分布反馈注入放大半导体激光器，采用分布反馈(DFB)半导体激光管作为锥形激光放大器的主激光器，通过非球面镜准直激光光束，有 效地解决了半导体激光器的线宽和功率问题，采用格兰泰勒棱镜和旋光器组成光隔离器， 有效地解决了由光学反馈而引起的激光多模问题，采用非球面镜将分布反馈半导体激光器 的准直光束聚焦到锥形激光放大芯片后得到大功率的激光光束，用非球面镜对放大后的激 光束进行准直，光电探测器用来探测微弱光以实现电流反馈进行功率稳定，用柱面镜对其 整形后得到近似圆形的高斯光束。该激光器结构紧凑，激光线宽窄，功率高，稳定性好， 实用性强。为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种分布反馈注入放大半导体激光器，它包括主激光器、第一光隔离器、锥形激光放 大器、第二光隔离器、微弱光探测激光功率稳定系统和激光整形系统六个部分组成，其特 征是电流温度控制电路与主激光器电流温度控制接口和锥形激光放大器电流温度控制接 口相连，锥形激光放大芯片的电极经过陶瓷电极与其电流温度控制接口相连，主激光器调 整座和主激光器准直透镜调整座与主激光器底座相连，分布反馈半导体激光管与热电致冷 封装模块相连后固定在主激光器调整座上，主激光器准直透镜和主激光器透镜调整座相 连，格兰泰勒棱镜与旋光器相连组成光隔离器后固定在光隔离器底座上，锥形放大激光器 底座与热电致冷块相连，锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座、锥形激光放大器输出端 准直透镜调整座和锥形激光放大器底座与热电致冷块相连，锥形激光放大芯片和热敏电阻 与锥形激光放大器底座相连，锥形激光放大器输入端聚焦透镜与锥形激光放大器输入端聚 焦透镜调整座相连，锥形放大激光器输出端准直透镜与锥形激光放大器输出端准直透镜调 整座相连，柱面镜与柱面镜底座相连，主激光器的输出激光经过光隔离器后注入锥形激光 放大器，放大后的激光经过光隔离器再经过分束镜，光经过柱面镜后整形输出高斯光束。 主激光器包括分布反馈半导体激光管、热电致冷封装模块、主激光器调整座、主激光器准 直透镜和主激光器准直透镜调整座，分布反馈半导体激光管与热电致冷封装模块相连，热 电致冷封装模块与主激光器调整座相连调解其左右的位置，主激光器准直透镜与主激光器 准直透镜调整座相连调解器上下的位置，主激光器准直透镜与分布反馈半导体激光管发光 端面的位置通过准直透镜前后调节，调节分布反馈半导体激光管和主激光器准直透镜的相 对位置，得到准直的高斯光束。第一光隔离器由格兰泰勒棱镜、旋光器、格兰泰勒棱镜依 次相连组成，第二光隔离器由格兰泰勒棱镜、旋光器、格兰泰勒棱镜依次相连组成。锥形 激光放大器包括锥形激光放大器底座、锥形激光放大芯片底座、热电致冷块、热敏电阻、锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座、锥形激光放大器输入端聚焦透镜、锥形激光放大 芯片、锥形激光放大器输出端准直透镜、锥形激光放大器输出端准直透镜调整座，热电致 冷块与锥形激光放大器底座和锥形激光放大芯片底座相连，热敏电阻和锥形激光放大芯片 通过陶瓷电极与电流温度控制端口相连，主激光器A输出的准直激光通过锥形激光放大器 输入端聚焦透镜后注入锥形激光放大芯片，放大后的激光束用锥形激光放大器输出端准直 透镜进行准直，锥形激光放大器输入端聚焦透镜和锥形激光放大器输出端准直透镜与锥形 激光放大器外壳相连来调节与锥形激光放大芯片的相对位置。放大后的激光束通过分束镜 将其分成两束，通过光电探测器反馈到电流温度控制电路对锥形放大器的电流进行反馈控 制，得到功率稳定的激光束。柱面镜底座与柱面镜相连，锥形激光放大器输出的激光束经 过柱面镜整形后得到近似圆形光斑的高斯光束。第一光隔离器放置在主激光器和锥形激光 放大器的中间，防止锥形激光放大器输入端聚焦透镜反射光回到分布反馈半导体激光管， 第二光隔离器放置在锥形激光放大器后面，防止光路中的激光反射回锥形放大激光芯片。将分布反馈半导体激光管装在TO-3封装的热电致冷封装模块(内部集成了热电致冷 块和热敏电阻)里面，分布反馈半导体激光管的电流控制端口、热电致冷封装模块的控制 端口(包括了热电致冷块的电极和热敏电阻的电极)与主激光器的电流温度控制端口相连， 热电致冷封装模块固定在主激光器调整座上，主激光器调整座用四个螺丝左右分别连接在 主激光器底座上，非球面镜(主激光器准直透镜)固定在主激光器准直透镜调整座上，主 激光器准直透镜调整座用四个螺丝上下分别连接在主激光器底座上，分布反馈半导体激光 器的位置可以通过主激光器调整座来左右调节，非球面镜的位置可以通过主激光器准直透 镜调整座来上下调节，通过调整主激光器调整座左右的位置和主激光器准直透镜调整座上 下的位置，保证分布反馈半导体激光管的端面与非球镜共轴，以确保激光光斑的质量，非 球面镜到分布反馈半导体激光器发光端面的距离也可以调节，以保证激光输出光束的准直 性，接通主激光器的温度和电流控制电路后得到准直的高斯光束。光隔离器由光隔离器底座、旋光器、格兰泰勒棱镜组成，两个格兰泰勒棱镜分别放置 在旋光器的两端，第一个格兰泰勒棱镜的偏振方向与主激光器激光束的偏振方向保持一致， 第二个格兰泰勒棱镜的偏振方向与第一个格兰泰勒棱镜的偏振方向成45度夹角。锥形激光放大器由锥形激光放大器底座、锥形激光放大芯片底座、热电致冷块、热敏 电阻、锥形激光放大器外壳、锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座、锥形激光放大器输 入端聚焦透镜、锥形激光放大芯片、锥形激光放大器输出端准直透镜、锥形激光放大器输出端准直透镜调整座和陶瓷电极组成，锥形激光放大芯片固定在标准的C-Mmmt座上，锥 形激光放大芯片的电流控制端与锥形激光放大器电流温度控制端口相连，标准的C-Moimt 座用M2的螺丝固定在锥形激光放大器外壳的底座上，热敏电阻也固定在锥形激光放大器 外壳的底座上，热敏电阻的两端与锥形激光放大器电流温度控制端口相连，芯片的电极通 过陶瓷电极与锥形激光放大器电流温度控制端口相连后固定在锥形激光放大器外壳的侧 面，锥形激光放大器外壳与热电致冷块相连，热电致冷块与锥形放大器底座相连，热电致 冷块的两端与锥形激光放大器电流温度控制端口相连，锥形激光放大器输入端聚焦透镜固 定在锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座上，锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座用 四个左右的螺丝和四个上下的螺丝与锥形激光放大器外壳相连，锥形激光放大器输入端聚 焦透镜相对锥形激光放大芯片的位置可以左右上下调节，同时聚焦透镜相对锥形激光放大 芯片输入端面前后的位置也可以调节，以确保主激光器的准直光束尽可能的聚焦在锥形激 光放大芯片的输入端面上，锥形激光放大器输出端准直透镜固定在锥形激光放大器输出端 准直透镜调整座上，锥形激光放大器输出端准直透镜调整座用四个左右的螺丝和四个上下 的螺丝与锥形激光放大器外壳相连，锥形激光放大器输出端准直透镜相对锥形激光放大芯
片激光输出端面的位置可以左右上下调节，同时准直透镜相对锥形激光放大芯片输出端面 的前后的位置也可以调节，以确保尽可能地准直锥形激光放大芯片的输出激光光束。所有 的调节设计都是采用滑槽的方式，以保证芯片的密封性。
激光的稳定性通过微弱光探测激光功率稳定系统实现，放大后的激光束通过分束镜分 成两束，光电探测器探测光功率的波动后反馈到电流温度控制电路，通过对锥形放大器的 电流进行负反馈控制，得到功率稳定的激光束。放大激光的功率稳定性由微弱光探测激光 功率稳定系统实现，用分束镜反射得到极其微弱的光，通过光电探测器对锥形放大器的电 流进行负反馈控制，保证了放大激光的功率稳定性。
激光整形系统釆用柱面镜，锥形激光放大芯片输出端面上的垂直发散角和水平发散角 通常情况下是不相等的，因此可用柱面镜对锥形激光放大芯片放大后的激光光束进行整形， 得到近似圆形光斑的高斯光束。
在结构布局上，锥形激光放大器电流温度控制端口与分布反馈半导体激光管电流控制 接口、热电致冷模块控制端、锥形激光放大芯片电流控制端、热敏电阻两端和热电致冷块 相连，主激光器中分布反馈半导体激光管输出的激光用非球面镜准直成高斯光束，主激光 器的准直光束经过第一光隔离器后注入锥形激光放大器，以防止锥形激光放大器输入端面的反射激光影响主激光器的模式和稳定性，用锥形激光放大器输入端聚焦透镜将主激光器 准直光束聚焦在锥形激光放大芯片的输入端面上，放大后的激光用锥形激光放大器输出端 准直透镜准直后经过第二光隔离器，以防止后续光路中的激光反射到放大芯片和分布反馈 半导体激光管，用光电探测实现激光功率稳定性，用柱面镜对放大后激光束整形得到近似 圆形光斑的准直高斯光束。本实用新型与现有技术相比，具有以下优点1、 采用分布反馈半导体激光管作为锥形激光放大器的主激光器，分布反馈半导体激 光管将外腔反馈半导体的光栅集成在激光管内部，有效地减小F-P激光管的线宽的 同时保证了光栅的稳定性。2、 采用主激光器调整座左右调节分布反馈半导体激光管的位置和主激光器准直透镜 调整座上下调节准直透镜的位置相结合的方式，有利于在调节分布反馈半导体激 光管和准直透镜共轴时操作方便，保证了在调节过程中的精确性，同时降低了对 机械加工的要求。3、 采用陶瓷电极防止电流击穿现象以致保证更大的电流给锥形激光放大芯片供电， 同时避免了焊接的静电问题。4、 采用光电探测反馈系统保证了放大激光的功率稳定性。5、 采用锥形激光放大器输入、输出调整座，有效地保证了锥形激光放大器输入端聚焦透 镜、锥形放大芯片和锥形激光放大器输出端准直透镜的共轴性，确保了锥形激光 放大器输出光束的光束质量，采用滑槽中调节的方式保证了放大芯片的密封性， 增加芯片的使用寿命。该设计有利于在调节分布反馈半导体激光管和准直透镜共 轴时的方便操作，保证了在调节过程中的精确性，同时降低了对机械加工的要求。6、 该方案结构简单，方便调节，同时保证了芯片的密封性。
图1为一种分布反馈注入放大半导体激光器的示意图。图2为一种主激光器调整座的剖面图。图3为一种主激光器准直透镜调整座的剖面图。图4为一种锥形激光放大芯片底座的剖面图。图5为一种锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座的剖面图。图6为一种锥形激光放大器输出端准直透镜调整座的剖面图。其中，A—主激光器，B —第一光隔离器，C一锥形激光放大器，D —第二光隔离器， E—微弱光探测激光功率稳定系统，F—激光整形系统，l一电流温度控制电路，2 —主激光 器电流温度控制接口， 3—锥形激光放大器电流温度控制接口， 4， 4a， 4b—主激光器底座， 5 —主激光器调整座，6 —热电致冷封装模块，7 —分布反馈半导体激光管，8 —主激光器准 直透镜调整座，9一主激光器准直透镜，IO—第一光隔离器底座，24 —第二光隔离器底座， ll一第一旋光器，25 —第二旋光器，12—第一格兰泰勒棱镜，13 —第二格兰泰勒棱镜，26 一第三格兰泰勒棱镜，27 —第四格兰泰勒棱镜，14一锥形激光放大器底座，15 —锥形激 光放大芯片底座，16—热电致冷块，17—热敏电阻，18， 18a， 18b， 18c， 18d， 18e， 18f 一锥形激光放大器外壳，19一锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座，20—锥形激光放大 器输入端聚焦透镜，21—锥形激光放大芯片，21a—锥形激光放大芯片座，22—锥形激光放 大器输出端准直透镜，23—锥形激光放大器输出端准直透镜调整座，28 —柱面镜底座，29 _柱面镜，30 —准直整形输出激光束，31a， 31b， 31c， 31d—主激光器调解螺丝，32a， 32b， 32c， 3d—主激光器准直透镜调解螺丝，33a， 33b， 33c， 33d， 33e， 33f， 33g, 33h—锥形 激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝，34a， 34b, 34c, 34d， 34e， 34f， 34g， 34h—锥形 激光放大器输出端准直透镜调解螺丝，35 —主激光器准直透镜固定螺丝，36—锥形激光放 大器输入端聚焦透镜固定螺丝，37—锥形激光放大器输出端准直透镜固定螺丝，38_分束 镜，39—光电探测器，40—陶瓷电极。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述
根据图1可知，锥形放大半导体激光器由主激光器A、第一光隔离器B、锥形激光放 大器C、第二光隔离器D、微弱光探测激光功率稳定系统E和激光整形系统F六个部分组 成。主激光器A包括电流温度控制接口2、主激光器底座4、主激光器调整座5、热电致冷 封装模块6、分布反馈半导体激光管7、主激光器准直透镜调整座8、主激光器准直透镜9。 第一光隔离器B包括第一光隔离器底座IO，第一格兰泰勒棱镜12，第一旋光器ll和第二 格兰泰勒棱镜13。锥形激光放大器C包括锥形激光放大器底座14、锥形激光放大芯片底 座15、热电致冷块16、热敏电阻17、锥形激光放大器外壳18、锥形激光放大器输入端聚 焦透镜调整座19、锥形激光放大器输入端聚焦透镜20、锥形激光放大芯片21、锥形激光 放大器输出端准直透镜22、锥形激光放大器输出端准直透镜调整座23。第二光隔离器D 包括第二格光隔离器底座24，第三格兰泰勒棱镜26,第二旋光器25和第四格兰泰勒棱镜27。微弱光探测激光功率稳定系统E包括分束镜38和光电探测器39。激光整形系统F包 括柱面镜底座28和柱面镜29。
分布反馈半导体激光管7选用德国Toptica公司的LD-0780-0080-DFB-l，热电制冷模 块6选用德国Toptica公司的Coldpack模块(TO-3封装)，主激光器准直透镜9选用Thorlabs 公司的非球面镜，其型号是C350TM-B，焦距4.5毫米，数值孔径4.1。如图1、图2和图 3所示，将分布反馈半导体激光管7装在热电致冷模块6里面，将热电致冷模块6固定在 主激光器调整座5上，主激光器底座包括4、 4a和4b，在主激光器底座4、 4a和4b上有 滑槽，将主激光器调整座5装在主激光器底座4、 4a和4b的滑槽里面，方便主激光器调整 座5的左右调解，同时可以防止灰尘进入分布反馈半导体激光管7。如图2所示，在主激 光器底座4a上有两个主激光器调解螺丝31a和31b，在主激光器底座4b上有两个主激光 器调解螺丝31c和31d，通过调解主激光器调解螺丝31a， 31b, 31c和31d来调解主激光 器调整座5左右的位置，从而调解分布反馈半导体激光管7相对主激光器准直透镜8左右 的位置。如图3所示，主激光器准直透镜9与主激光器调整座5相连，在主激光器底座4a 和4b上有两个主激光器准直透镜调解螺丝32a和32b，在主激光器底座4上有两个主激光 器准直透镜调解螺丝32c和32d，通过调解主激光器准直透镜调解螺丝32a， 32b, 32c和 32d来调解主激光器准直透镜调整座8上下的位置，从而调解分布反馈半导体激光管7相 对主激光器准直透镜8上下的位置，热电致冷模块6 (Coldpack， TO-3封装)的电极与主 激光器电流温度控制接口 2相连，主激光器电流温度控制接口 2与电流温度控制电路1相 连。完成主激光器安装连接后，先打开电流温度控制电路l中的自制主激光器温度控制电 路，其温度稳定性小于0.1毫开，将温度调节在17摄氏度，等温度稳定后，打开电流温度 控制电路l中的主激光器电流控制电路，主激光器的电流控制采用Thorlabs公司的LD255 电流控制模块，附加扫描和反馈电路接口 ，其电流的稳定性小于1微安，将电流调解在75mA 附近，可得到波长在780nm附近的发散激光，其输出功率为50毫瓦，当进一步降低温度 和增加电流时可以得到更大的激光输出功率。此时激光光束并非理想的准直光束，先调解 主激光器调解螺丝31a， 31b， 31c， 31d，再调解主激光器准直透镜调解螺丝32a， 32b， 32c, 32d，然后调解主激光器准直透镜9相对分布反馈半导体激光器7发光端面前后的位置， 得到的准直高斯光束作为锥形激光放大器的输入光束。
第一至第四格兰泰勒棱镜12、 13、 26、 27采用曲阜师范大学激光研究所的产品，型 号是LGP-4A5，其外形尺寸可以根据需要定做，消光比小于10—5，第一、第二旋光器ll、25采用中国科学院物理研究所北京物科光电技术有限公司的法拉第旋光器，其外形尺寸也 可以根据需要定做，消光比大于30dB，透过率大于百分之九十七，通常可以将第一、第二 旋光器ll、 25的外形尺寸与第一至第四格兰泰勒棱镜12、 13、 26、 27的外形尺寸配套定 做，光隔离器的隔离度由格兰泰勒棱镜和旋光器的消光比共同决定。如图1所示，先将第 一、第二格兰泰勒棱镜12、 13分别装在第一旋光器11的两个端面，第一、第二格兰泰勒 棱镜12、 13的偏振方向的夹角为45度，当调整好第一、第二格兰泰勒棱镜12、 13和第 一旋光器11的位置关系后将其用螺丝固定，得到第一光隔离器B，其隔离度大于30dB， 透过率大于百分之九十，用同样的方式由第三、第四格兰泰勒棱镜26、 27和第二旋光器 25组合得到第二光隔离器D，其指标相当。锥形激光放大芯片21采用德国m2kLaser公司的产品，其型号是TA785-1000,激光波 长为780nm，输出功率1W，锥形激光放大芯片21固定在锥形激光放大芯片座21a (标准 C-Moimt)，锥形激光放大器输入端聚焦透镜20选用Thoriabs公司的非球面镜，其型号是 C350TM-B，焦距4.5毫米，数值孔径4.1 ，锥形激光放大器输出端准直透镜22选用Thorlabs 公司的非球面镜，其型号是C330TM-B，焦距3.1毫米，数值孔径6.8。如图1和图4所示， 将带有锥形激光放大芯片21的锥形激光放大芯片座15固定在锥形激光放大器外壳18b上， 热敏电阻17放置在锥形激光放大器外壳18b上，锥形激光放大器外壳18a与锥形激光放大 器外壳18b相连，整个锥形激光放大器外壳18、 18a和18b放置在热电致冷块16上，热电 致冷块16放置在锥形激光放大器底座14上，锥形激光放大芯片21的电流控制端、热敏 电阻17的两端和热电致冷块16的两端与锥形激光放大器电流温度控制接口 3相连，锥形 激光放大芯片的电极通过陶瓷电极40利用螺丝与电流温度控制接口 3相连并固定在锥形 激光放大器外壳18a的侧面，电流温度控制接口 3与电流温度控制电路1相连。如图1、 图5和图6所示，锥形激光放大器外壳包括18、 18a、 18b、 18c、 18d、 18e和18f，在锥形 激光放大器外壳(包括18、 18a、 18b、 18c、 18d、 18e和18f)上有滑槽，锥形激光放大器 输入端聚焦透镜20与锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座19相连，将锥形激光放大器 输入端聚焦透镜调整座19装在主激光器底座18c和18d的滑槽里面，方便锥形激光放大器 输入端聚焦透镜调整座19的左右和上下调解，锥形激光放大器输出端准直透镜22与锥形 激光放大器输入端聚焦透镜调整座23相连，将锥形激光放大器输出端准直透镜调整座23 装在主激光器底座18e和18f的滑槽里面，方便锥形激光放大器输出端准直透镜调整座23 的左右和上下调解，同时可以防止灰尘进入锥形激光放大芯片21。如图5所示，在锥形激光放大器外壳18c的侧面上有四个锥形激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝33a、 33b， 33c 和33d，通过锥形激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝33a、 33b， 33c和33d来调解锥形 激光放大器输入端聚焦透镜20与锥形激光放大芯片21相对的左右位置，在锥形激光放大 器外壳18c和18d的上下面上有四个锥形激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝33e、 33f， 33g和33h，通过锥形激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝33e、 33f， 33g和33h来调解锥 形激光放大器输入端聚焦透镜20与锥形激光放大芯片21输入端面相对的上下位置，以保 证主激光器的输出激光尽可能注入到锥形激光放大芯片21的输入端面上。如图6所示， 在锥形激光放大器外壳18e的侧面上有四个锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝34a、 34b， 34c和34d，通过锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝34a、 34b， 34c和34d来 调解锥形激光放大器输出端准直透镜22与锥形激光放大芯片21相对的左右位置，在锥形 激光放大器外壳18e和18f的上下面上有四个锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝 34e、 34f， 34g和34h,通过锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝34e、 34f, 34g和34h 来调解锥形激光放大器输出端准直透镜22与锥形激光放大芯片21激光输出端面相对的上 下位置，以保证锥形激光放大芯片21输出激光光束的质量。锥形激光放大器外壳18a、 18c 和18e是一个整体，锥形激光放大器外壳18b、 18d禾卩18f是一个整体，18a、 18c和18e 与18b、 18d和18f相连。安装完成后，先打开电流温度控制电路1中的锥形激光放大器温 度控制电路，其温度稳定性小于l毫开，将温度调节在22摄氏度(接近室温)，等温度稳 定后，打开电流温度控制电路l中的锥形激光放大器电流控制电路，锥形激光放大器的电 流控制采用Thorlabs公司的LD3000电流温度控制电路1，附加电流反馈电路接口，其电 流的稳定性小于10微安，将电流调解在2.5A附近，可得到波长在780nm附近的发散激光。 先用锥形激光放大器输入端聚焦透镜调解螺丝33a、 33b， 33c和33d来调解锥形激光放大 器输入端聚焦透镜20与锥形激光放大芯片21相对的左右位置，再用调节锥形激光放大器 输入端聚焦透镜调解螺丝33e、 33f， 33g和33h来调解锥形激光放大器输入端聚焦透镜20 与锥形激光放大芯片21输入端面相对的上下位置，然后调节锥形激光放大器输入端聚焦 透镜20相对锥形激光芯片21输入端面前后的位置，保证主激光器的输出激光光束尽可能 地聚焦到锥形激光放大芯片21输入端面上，放大后的输出功率接近1W。此时的激光光束 并非理想的准直光束，先用锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝34a、 34b， 334和34d 来调解锥形激光放大器输出端准直透镜23与锥形激光放大芯片21输出端面相对的左右位 置，再用调节锥形激光放大器输出端准直透镜调解螺丝34e、 34f， 34g和34h来调解锥形 激光放大器输出端准直透镜23与锥形激光放大芯片21输出端面相对的上下位置，然后调解锥形激光放大器输出端聚焦透镜22相对锥形激光芯片21输出端面前后的位置，得到准 直的高斯光束。
微弱光探测激光功率稳定系统由分束镜38、光电探测器39和锥形激光放大器的电流控 制电路1组成，用分束镜38可采用福建华科光电有限公司的镀膜分束镜，根据实际要求可 镀不同的反射膜，光电探测器科采用Hamamatsu公司生产的型号为S7510-03的光电探测器， 根据镀膜的要求分束得到微弱的激光，由光电探测器39探测接受，将放大后激光功率的波 动信号反馈到锥形激光放大器的电流控制电路对其进行负反馈控制，反馈电路可采用锁相 放大电路和比例积分微分电路完成，保证整形后的激光功率稳定性。
激光整形系统由柱面镜29完成，柱面镜29可选用福建华科光电技术有限公司的 PCX0501，由于锥形激光放大芯片21垂直发散角和水平发散角在激光输出端面的位置和发 散角的大小不一样，用一个非球面镜(锥形激光放大器输出端准直透镜22)不能将水平方 向和垂直方向的发散光同时准直，选用柱面镜29整形得到近似圆形光斑的高斯光束30。 第二光隔离器放置在锥形激光放大器和柱面镜29的中间。
我们所采用的电路为电流温度控制电路，电流温度控制电路1采用Toptica公司的 DC100，它包括DTC100和DCC100等模块，主激光的温度控制电路和电流控制电路由 Toptica公司的DTCIOO和DCClOO (500mA)分别控制，锥形放大激光器的温度和电流控 制电路由Toptica公司的DTCIOO和DCClOO (3A)分别控制，负反馈电路可采用Toptica 公司的LIR100或者锁相放大器。
完成以上步骤后进行整体调试，按照主激光器A、第一光隔离器B、锥形激光放大器 C、第二光隔离器D、微弱光探测激光功率稳定系统E和激光整形系统F的顺序依次调试， 微弱光探测激光功率稳定系统E由分束镜38、光电探测器39组成，激光整形系统F由柱 面镜底座28、柱面镜29组成，激光的稳定性通过微弱光探测激光功率稳定系统E实现， 放大后的激光束通过分束镜38将其分成两束，光电探测器39探测光功率的波动后反馈到 电流温度控制电路l,通过对锥形放大器的电流进行负反馈控制，得到功率稳定的激光束。 激光的稳定性通过微弱光探测激光功率稳定系统E实现，然后固定主激光器准直透镜固定 螺丝35、锥形激光放大器输入端聚焦透镜固定螺丝36和锥形激光放大器输出端准直透镜 固定螺丝37，得到线宽在1MHz量级、输出功率在1W的稳定准直高斯光束。
以上技术方案可实现一种结构紧凑，激光线宽窄，功率高，稳定性好，调节方便，实 用性强的半导体激光器。
权利要求1、 一种分布反馈注入放大半导体激光器，它包括主激光器(A)、第一光隔离器(B)、 锥形激光放大器(C)、第二光隔离器(D)、微弱光探测激光功率稳定系统(E)和激光整 形系统(F)、放大后的激光束通过分束镜(38)，其特征是电流温度控制电路(1)与主激 光器电流温度控制接口 (2)和锥形激光放大器电流温度控制接口 (3)相连，锥形激光放 大芯片(21)的电极经过陶瓷电极(40)与电流温度控制接口 (3)相连，主激光器调整座(4)和主激光器准直透镜调整座(8)与主激光器底座(4)相连，分布反馈半导体激光管 (7)与热电致冷封装模块(6)相连后固定在主激光器调整座(4)上，主激光器准直透镜 (9)和主激光器透镜调整座(8)相连，第一至第四格兰泰勒棱镜(12、 13、 26、 27)与 第一、第二旋光器(11、 25)相连组成光隔离器后固定在第一、第二光隔离器底座(10、 24)上，锥形放大激光器底座(14)与热电致冷块(16)相连，锥形激光放大器输入端聚 焦透镜调整座(19)、锥形激光放大器输出端准直透镜调整座(23)和锥形激光放大器底座 (14)与热电致冷块(16)相连，锥形激光放大芯片(21)和热敏电阻(17)与锥形激光 放大器底座(14)相连，锥形激光放大器输入端聚焦透镜(20)与锥形激光放大器输入端 聚焦透镜调整座(19)相连，锥形放大激光器输出端准直透镜(22)与锥形激光放大器输 出端准直透镜调整座(23)相连，柱面镜(29)与柱面镜底座(28)相连，主激光器的输 出激光经过光隔离器后注入锥形激光放大器，放大后的激光经过光隔离器再经过分束镜 (38)，光经过柱面镜(29)后整形输出高斯光束。
2、 根据权利要求1所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于主激 光器(A)包括分布反馈半导体激光管(7)、热电致冷封装模块(6)、主激光器调整座(5)、 主激光器准直透镜(9)和主激光器准直透镜调整座(8)，分布反馈半导体激光管(7)与 热电致冷封装模块(6)相连，热电致冷封装模块(6)与主激光器调整座(5)相连后调解 左右的位置，主激光器准直透镜(9)与主激光器准直透镜调整座(8)相连后调解上下的 位置，主激光器准直透镜(9)与分布反馈半导体激光管(7)发光端面的位置通过准直透 镜(9)前后调节，调节分布反馈半导体激光管(7)和主激光器准直透镜(9)的相对位置， 得到准直的高斯光束。
3、 根据权利要求1所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于第一光隔离器(B)由第一格兰泰勒棱镜(12)、第一旋光器(11)、第二格兰泰勒棱镜(13) 依次相连组成，第二光隔离器(D)由第三格兰泰勒棱镜(26)、第二旋光器(25)、第四 格兰泰勒棱镜(27)依次相连。
4、 根据权利要求1所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于锥形 激光放大器(C)包括锥形激光放大器底座(14)、锥形激光放大芯片底座(15)、热电致 冷块(16)、热敏电阻(17)、锥形激光放大器输入端聚焦透镜调整座(19)、锥形激光放大 器输入端聚焦透镜(20)、锥形激光放大芯片(21)、锥形激光放大器输出端准直透镜(22)、 锥形激光放大器输出端准直透镜调整座(23)，热电致冷块(16)与锥形激光放大器底座(14) 和锥形激光放大芯片底座(15)相连，热敏电阻(17)和锥形激光放大芯片(21)通过陶 瓷电极(40)与电流温度控制端口 (3)相连，主激光器(A)输出的准直激光通过锥形激 光放大器输入端聚焦透镜(20)后注入锥形激光放大芯片(21)，放大后的激光束用锥形激 光放大器输出端准直透镜(22)进行准直，锥形激光放大器输入端聚焦透镜(20)和锥形 激光放大器输出端准直透镜(22)与锥形激光放大器外壳(18)相连来调节与锥形激光放 大芯片(21)的相对位置。
5、 根据权利要求1所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于放大 后的激光束通过分束镜(38)将其分成两束，通过光电探测器(39)反馈到电流温度控制 电路(1)对锥形放大器的电流进行反馈控制，得到功率稳定的激光束。
6、 根据权利要求1所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于柱面 镜底座(28)与柱面镜(29)相连，锥形激光放大器输出的激光束经过柱面镜(29)整形 后得到近似圆形光斑的高斯光束(30)。
7、 根据权利要求1或3所述的一种分布反馈注入放大半导体激光器，其特征在于 第一光隔离器(B)放置在主激光器和锥形激光放大器的中间，防止锥形激光放大器输入 端聚焦透镜(20)反射光回到分布反馈半导体激光管(7)，第二光隔离器(D)放置在锥 形激光放大器后面，防止光路中的激光反射回锥形放大激光芯片(21)。
专利摘要本实用新型公开了一种分布反馈注入放大半导体激光器，电流温度控制电路与主激光器和锥形激光放大器电流温度控制接口相连，分布反馈半导体激光管固定在热电致冷封装模块后与主激光器调整座相连，主激光器准直透镜放置在准直透镜调整座上后与主激光器底座相连，格兰泰勒棱镜与旋光器相连组成光隔离器，锥形激光放大芯片、热敏电阻和锥形激光放大器输入、输出端透镜调整座与锥形激光放大器底座外壳相连后固定在热电致冷块上，主激光器的输出激光经过光隔离器后注入锥形激光放大器，放大激光经过光隔离器后通过光反馈实现激光功率稳定，光经过整形后输出高斯光束。本实用新型结构紧凑，方便调节，激光线宽窄，功率高，稳定性好，实用性强。
文档编号H01S5/00GK201156647SQ20082006528
公开日2008年11月26日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者李润兵, 熊宗元, 谨 王, 詹明生, 立 陈 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所