专利名称：一种外腔半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器技术，特别是指一种基于F-P腔反馈增强的大功率外腔 半导体激光器。
背景技术：
半导体激光器，包括分布反馈(DFB)和外腔半导体激光器是科研和工业中的重要 激光光源，然而通常的外腔半导体激光器输出谱线非常宽，一般达到几百千赫甚至几兆赫，DFB 半导体激光器常常具有更宽的线宽，这种宽线宽的存在与许多场合的应用要求相距甚远。
为了获得大功率窄线宽激光输出，目前一般多采用两种方式一种可使用大功率 激光管。利用这种激光管采用电学反馈或光学反馈的方法得到窄线宽激光输出。另一种是 使用外腔半导体激光器和锥形放大器的组合的方法，使外腔半导体激光器输出光注入锥形 放大器(TA)中，可达到几百毫瓦以上的输出激光(取决于TA芯片和TA驱动电流)。为获 得窄线宽激光，可先对主激光线宽压窄后注入TA。或者在TA放大之后使用电学反馈方法实 现激光线宽压窄。
此外，Mcher公司提出了将TA用于1 ittrow和1 ittman结构中，以获得较大功率、 窄线宽输出。如图1、2所示，分别为Iittrow和Iittman结构的TA外腔半导体激光器示意 图。图1所示的Iittrow结构中，经TA输出的激光入射到光栅上的入射角等于光栅的衍射 角；图2所示的Iittman结构中，TA输出光以掠入射角入射在光栅上。这两种结构中TA — 端镀有一定反射率的反射膜，另一端镀有增透膜，所使用的光栅经过特殊设计，可使能量集 中在光栅的一阶衍射上。从示意图中可以看出，TA前端面用于输出，后端面输出光入射到 光栅G上，经过衍射后，一阶衍射光或直接共路反向回到TA中，或经反射镜M反射后反向回 到TA中，在前端面与光栅之间形成振荡，使之得到反馈增强。激光从前端面耦合输出。
综上，目前为获得高功率半导体激光器所采用的上述几种实现方式存在的缺点如 下
1、使用大功率激光管价格昂贵，并且最大功率有限。
2、使用外腔半导体激光器和锥形放大器的组合需要将主激光耦合进入横截面积 几平方微米的TA中，操作困难，并且稳定性差，耦合效率极大程度上影响激光输出功率。
3、将TA用于Iittrow和Iittman结构中的方法，如图1、图2所示，可较简便的获 得大功率较窄线宽激光输出。如需获得更窄线宽激光输出，一般使用F-P腔干涉滤波的方 法。但因Iittrow和Iittman结构中反馈光路为驻波场，而由F-P腔特性，反射光在F-P腔 谐振时最弱，不能实现光学反馈，因此在这种激光器中不能利用F-P腔实现光学反馈，从而 实现激光的窄线宽输出。此外这种激光器还可采用电学反馈的方法压窄线宽。但电学反馈 的方法难度较大，系统庞大且复杂。发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种外腔半导体激光器，通过简单的结构实现大功率和窄线宽激光输出。
基于上述目的本发明提供的外腔半导体激光器，包括锥形放大器、光栅、F-P腔、 光学隔离器；
该外腔半导体激光器的布设使得从锥形放大器前端面发出的激光经第一光学隔 离器后，经过光栅衍射以及F-P腔透射，透射光经第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面 入射返回锥形放大器。
可选的，该外腔半导体激光器的所述锥形放大器发出的激光经第一光学隔离器 后，先经过光栅衍射，再入射到F-P腔上；
或者所述锥形放大器发出的激光经第一光学隔离器后，先入射到F-P腔，经F-P腔 透射后入射到光栅上，光栅的衍射光经第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面入射返回 锥形放大器。
可选的，该外腔半导体激光器的所述各光学隔离器和锥形放大器两端还分别设 置1/2波片，所述激光通过第一 1/2波片后再入射到第一光学隔离器，激光经第二 1/2波 片透射过第二光学隔离器后，通过第三1/2波片后再由后端面入射到所述锥形放大器。
可选的，在该外腔半导体激光器的光路中还设置有用于实现空间滤波的光阑。
可选的，在该外腔半导体激光器中还设置有用于在主光路的光束中加入调制信 号的电光调制器；或者用于在锥形放大器的电流中加入调制信号的设备。
可选的，该外腔半导体激光器还包括设置探测器和调制设备，激光入射到所述 F-P腔时，所述F-P腔的前端面反射光反向入射到第一光学隔离器中，由第一光学隔离器入 射端偏振分光棱镜反射出光路，被所述探测器接收后经过电路处理得到误差信号；或者在 F-P腔前放置一个1/2波片、一个偏振分光棱镜、一个1/4波片；激光经过1/2波片调整后 透射过偏振分光棱镜PBS，经过1/4波片后，在F-P腔前表面反射，返回1/4波片，形成与入 射光共路反向、偏振态相互垂直的光，由PBS反射出光路，可用探测器接收，用于提取误差 信号；
该误差信号可反馈给控制设备，控制设备通过改变外腔中反射镜后的压电陶瓷的 电压，实现外腔对F-P腔频率的跟踪或同步锁定。或控制设备同时通过在锥形放大器驱动 电流中加入反馈信号，使激光频率通过电流的快环反馈和压电陶瓷的慢环反馈实现锁定。
可选的，该外腔半导体激光器在所述锥形放大器的出射端和入射端还分别设置有 第一准直透镜和第二准直透镜。
可选的，该外腔半导体激光器的所述F-P腔上还粘接压电陶瓷、或设置控温装置、或二者组合。
可选的，该外腔半导体激光器的所述F-P腔为直腔结构或者折叠腔结构。
可选的，该外腔半导体激光器的所述F-P腔为平凹腔型。
从上面所述可以看出，本发明提供的外腔半导体激光器，利用光栅和F-P腔的组 合压窄线宽，比传统使用的只利用光栅的方法，可获得更窄线宽的激光输出；利用TA替代 常规方法中LD与TA组合，获得较大功率输出，并且简化操作、优化系统、节约成本。同时使 光栅外腔半导体激光器不用腔内和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现光栅外腔 半导体激光器谱线宽度小于150kHz的窄线宽激光输出，激光器的频率更加稳定、容易调谐 和控制。同时获得稳定大功率输出。解决常规光栅外腔半导体激光器谱线较宽的问题，同时解决了大功率半导体激光器系统复杂的难题。
图1为现有Littrow结构TA外腔半导体激光器结构示意图2为现有Littman结构TA外腔半导体激光器结构示意图3为本发明实施例F-P腔反馈增强TA外腔半导体激光器结构示意图4为本发明实施例带有调节部件的F-P腔反馈增强TA外腔半导体激光器结构 示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的外腔半导体激光器，主要包括锥形放大器、光栅、F-P腔、光学隔离 器；该外腔半导体激光器的布设使得从锥形放大器前端面发出的激光经第一光学隔离器 后，经过光栅衍射以及F-P腔透射，其透射光经第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面入 射返回锥形放大器，形成光学反馈。
本发明第一个实施例的技术方案如图3所示，主要包括锥形放大器(TA) 1、衍射 光栅(Gt) 11、F-P腔20，以及第一光学隔离器7和第二光学隔离器26。锥形放大器1前端 面发出的激光经第一光学隔离器7后，在光栅11上的一阶衍射光束被入射在F-P腔20上， 透射光经第二光学隔离器^WTA 1后端面入射。由此利用锥形放大器1两端都镀有增透 膜的特性形成环形腔，形成光路反馈。由于F-P腔20具有更好的选频作用，使得整个光栅 外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实 现激光线宽的压窄。
其中，第一光学隔离器7用于隔离F-P腔20前端面反射光，防止反射光反向返回 TA 1中。由隔离器特性，F-P腔20前端面反射光反向入射到隔离器7中后，由于隔离器7 的磁光效应，由隔离器7入射端偏振分光棱镜PBS反射出光路，可用探测器6接收，用于主 光路对F-P腔20的跟踪与锁定。此外，由于TA 1两端均可向外辐射激光，因此从后端面发 出的激光经F-P腔20透射后，反向入射第一光学隔离器7，被光学隔离器7入射端上的PBS 反射，与前面所述TA 1前端面被F-P腔20反射的出射光重合。为了防止这样的情况，在TA 1后端面加入第二隔离器沈。
图3所示实施例中，还包括第一准直透镜(AL)3和第二准直透镜30，反射镜 Ml 18、反射镜M223和反射镜M327，第一 1/2波片5、第二 1/2波片25和第三1/2波片28，电 光调制器(EOM) 15，光阑(AP) 19，以及探测器6。其中，第一准直透镜(AL)3和第二准直透镜 30用于光束准直，一般常用非球面准直透镜实现。所述反射镜M118、反射镜M2 23和反射 镜M3 27用于改变光线方向，优选采用高反射率平面镜。第一 1/2波片5、第二 1/2波片25 和第三1/2波片观用于调整光束偏振方向，使激光偏振态匹配。所述激光通过第一 1/2波 片5后再入射到第一光学隔离器7，激光经第二 1/2波片25透射过第二光学隔离器沈后， 通过第三1/2波片观后再由后端面入射到所述锥形放大器1，第三1/2波片观用于实现激 光偏振态匹配。电光调制器(EOM) 15用于在主光路的光束中加入调制信号。光阑19用于实现空间滤波。探测器6用于探测经过调制后的F-P腔前表面反射光，经过电学处理得到误 差信号，该误差信号反馈给系统控制设备，实现将外光路锁定在F-P腔透过峰上。所述控制 设备通过改变所述反射镜后的压电陶瓷(PZT)的电压，实现外腔对F-P腔20频率的跟踪或 同步锁定。其中对于图3所示的实施例，压电陶瓷可放置于反射镜M2 23后，也可以设置在 其他反射镜，如反射镜Ml 18或反射镜M3 27之后。如需要，控制设备还可同时在TA 1驱 动电流中加入快环反馈信号，使激光频率通过压电陶瓷的慢环反馈(slow feedback loop) (其响应频率最大值根据压电陶瓷的不同会有所不同，例如最大100kHz)和电流的快环反 馈(fast feedback loop)(可用于实现反馈超过压电陶瓷响应频率的信号)实现锁定。对F-P腔反射光的提取的另一种方法是在F-P腔前放置一个1/2波片、一个偏振 分光棱镜(PBS)、一个1/4波片。激光经过1/2波片调整后透射过PBS，经过1/4波片后，在 F-P腔前表面反射，返回1/4波片，形成与入射光共路反向，偏振态相互垂直，由PBS反射出 光路，可用探测器接收，用于提取误差信号。本发明实施例中，所述F-P腔20可以采用直腔形式，也可以采用其他腔形，只要 F-P腔能够透射光线即可。另外，所述F-P腔20既可以采用分离结构(如两个具有一定反 射率的反射镜)，也可以是单块结构(如镀膜的单块石英玻璃)。可选的，所述F-P腔决定 的谐振频率可通过在F-P腔腔镜上粘接压电陶瓷，通过压电陶瓷带动F-P腔20腔长的改 变，从而实现快速小范围细调；以及通过控温技术通过热胀冷缩效应来改变F-P腔腔长，从 而实现慢速大范围粗调，以达到对激光频率的调谐与控制的目的。本发明带有调节部件的F-P腔增强透射TA外腔半导体激光器的实施例结构，参见 图4所示。包括锥形放大器(TA) LTA热沉2，准直透镜3，准直透镜固定架4，1/2波片5， 探测器6，光学隔离器7，波片8，光栅11，光栅固定架12，波片13，透镜14，电光调制 器EOM 15，透镜16，匹配透镜17，高反射率平面镜18，光阑19，F-P腔20，F-P腔真空室21， 匹配透镜22，高反射率平面镜23，压电陶瓷24，1/2波片25，光学隔离器26，高反射率平面 镜27，1/2波片28，准直透镜29，准直透镜固定架30，底板31。其中，9标识的是光栅法线， 10标识的是输出光。其中，所述匹配透镜17，用于实现TA输出光束对F-P腔的匹配；匹配透镜22，用于 实现外腔与F-P腔的匹配。光阑19，用于空间滤波。F-P腔真空室21，用于增加F-P腔稳定 性(隔声和隔热)。光栅11通过光栅固定架12固定在底板31上，另外若需要光栅固定架 12也可以设置成活动的，以调节光栅11角度。波长为689nm的半导体锥形放大器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，经过1/2玻片和光学隔离器7后，入射在刻线密度为 1800g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为12. 5mmX 12. 5mm、厚度为6mm的闪耀衍射 光栅11上，例如入射角为20. 2°，衍射角为63.5°。光栅的零阶衍射光或直接镜反(透) 射光10作为激光器的输出光束。光栅的一阶衍射光经电光调制器调制后模式匹配地入射 在F-P腔20上。F-P腔20透射光经光学隔离器26从锥形放大器1后端面返回。由于F-P 腔的选频作用，使得光栅外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪 声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄，得到短期线宽小于150kHz。锥形放大器1采用温度传感器和半导体制冷器等通过TA热沉2实现温度控制。 F-P腔20采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。该F-P腔20的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷的方法和对F-P腔热沉精密控温技术分别作快速小范围细调和 慢速大范围粗调。通过电光调制器15对激光进行调制，经探测器探测得到误差信号，通过 压电陶瓷24实现主光路对F-P腔的跟踪与锁定。非球面准直透镜调整架4用于固定非球 面镜及激光束准直的调整，所有器件均被固定在底板31上。本发明优选，F-P腔采用高纯度和均勻性，优质光学石英玻璃作为材料。F-P腔选 择为平凹腔型的直腔结构，其两反射镜按照超光滑光学加工工艺仔细加工，表面的粗糙度 低于0. 5nm。光学镀膜的吸收系数小于50ppm。腔Q值为5000。另外，本发明中的光路结构也可以在本发明的原则之内采用其他形式，F-P腔20 也可以设置在第一光学隔离器7和光栅11之间等位置。TA也可选用其它波长，其它输出功 率，光学隔离器选择相应波长隔离器，并可选择其他隔离度。光栅也可采用透射光栅，其它 刻线密度和大小厚度构成，选用其它的入射角和衍射角。F-P腔的材料也可采用其它材料， 可采用其他具有透射光的腔型，如直腔(包括平平、平凹、双凹等)、折叠腔、单块一体腔等， 光学镀膜的反射率也可采用其它数值，Q值可选择几百到一万之间的其他值。为了调节锥 形放大器的输出光频率，还可以设置通过对锥形放大器驱动电流加入调制信号，实现对激 光频率的调制的电流调制设备；或者通过改变锥形放大器的温度来改变半导体激光管输出 光频率范围的设备。总之，以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发 明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1.一种外腔半导体激光器，其特征在于，包括锥形放大器、光栅、F-P腔、光学隔离器；该外腔半导体激光器的布设使得从锥形放大器前端面发出的激光经第一光学隔离器后，经过光栅衍射以及F-P腔透射，透射光经第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面入射 返回锥形放大器。
2.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述锥形放大器发出的激 光经第一光学隔离器后，先经过光栅衍射，再入射到F-P腔上；或者所述锥形放大器发出的激光经第一光学隔离器后，先入射到F-P腔，经F-P腔透射 后入射到光栅上，光栅的衍射光经第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面入射返回锥形 放大器。
3.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述各光学隔离器和锥形 放大器两端还分别设置1/2波片，所述激光通过第一 1/2波片后再入射到第一光学隔离 器，激光经第二 1/2波片透射过第二光学隔离器后，通过第三1/2波片后再由后端面入射到 所述锥形放大器。
4.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，在该半导体激光器的光路 中还设置有用于实现空间滤波的光阑。
5.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，在该半导体激光器中还设 置有用于在主光路的光束中加入调制信号的电光调制器；或者用于在锥形放大器的电流 中加入调制信号的设备。
6.根据权利要求5所述的外腔半导体激光器，其特征在于，还包括设置探测器和调制 设备，激光入射到所述F-P腔时，所述F-P腔的前端面反射光反向入射到第一光学隔离器 中，由第一光学隔离器入射端偏振分光棱镜反射出光路，被所述探测器接收后经过电路处 理得到误差信号；或者在F-P腔前放置一个1/2波片、一个偏振分光棱镜、一个1/4波片；激 光经过1/2波片调整后透射过偏振分光棱镜PBS，经过1/4波片后，在F-P腔前表面反射，返 回1/4波片，形成与入射光共路反向、偏振态相互垂直的光，由PBS反射出光路，可用探测器 接收，用于提取误差信号；该误差信号可反馈给控制设备，控制设备通过改变外腔中反射镜后的压电陶瓷的电 压，实现外腔对F-P腔频率的跟踪或同步锁定。或控制设备同时通过在锥形放大器驱动电 流中加入反馈信号，使激光频率通过电流的快环反馈和压电陶瓷的慢环反馈实现锁定。
7.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，在所述锥形放大器的出射 端和入射端还分别设置有第一准直透镜和第二准直透镜。
8.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述F-P腔上还粘接压电陶 瓷、或设置控温装置、或二者组合。
9.根据权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述F-P腔为直腔结构或者 折叠腔结构。
10.根据权利要求10所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述F-P腔为平凹腔型。
全文摘要
本发明公开一种外腔半导体激光器，包括锥形放大器、光栅、F-P腔、光学隔离器；该外腔半导体激光器的布设使得锥形放大器发出的激光经第一光学隔离器后，经过光栅衍射以及F-P腔透射后，经过第二光学隔离器后，从锥形放大器后端面入射返回，形成光学反馈。本发明不用腔内和腔外复杂庞大昂贵的反馈锁定电子系统，实现光栅外腔半导体激光器谱线宽度小于150kHz的窄线宽激光输出，激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制。同时获得稳定大功率输出。
文档编号H01S5/14GK102035136SQ20091023558
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者方占军, 曹建平, 李烨, 臧二军, 赵阳 申请人:中国计量科学研究院