一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光栅外腔半导体激光器，尤其是涉及可通过改变半导体增益器件或准 直透镜相对于衍射光栅的水平位置来进行波长调谐的一种光栅外腔半导体激光器波长的 调谐方法。
【背景技术】
[0002] 光源的波长可调谐是激光技术的重要组成部分，光栅外腔半导体激光器就是一种 以衍射光栅作为光反馈和选模元件的可调谐激光光源，具有线宽窄、可调谐范围宽、转换效 率高等优点，在光纤通信、光存储、高分辨率光谱分析等领域有着广阔的应用前景。
[0003] 目前，常用的光栅外腔半导体激光器一般有两种类型，即利特罗型光栅外腔半导 体激光器和利特曼型光栅外腔半导体激光器，它们的波长调谐分别通过旋转衍射光栅和平 面反射镜来改变光线在光栅上的入射角而实现，例如C.J. Hawthorn等（C.J. Hawthorn， K.P.Weber and R.E.Scholten,Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam, Rev i ew of Scientific Instruments，Vol. 72，No. 12，Pages4477-4479,2001)介绍的一种比较典型的利特罗型光栅 外腔半导体激光器和S · Stry等（S · Stry，S · Thelen，J · Sacher，D ·Halmer，P · Hering and M.Murtz,Widely tunable diffraction limited 1000 mff external cavity diode laser in Littman/Metcalf configuration for cavity ring-down spectroscopy,Applied Physics B，Vol.85，Pages 365-374,2006)介绍的一种比较典型的利特曼型光栅外腔半导 体激光器。对于这两种类型的光栅外腔半导体激光器，由于衍射光栅和平面反射镜体积较 大，一般地，用于驱动其角度变化的电动旋转驱动装置体积也较大，这将不利于光栅外腔半 导体激光器的小型化结构设计，也不利于波长的快速调谐。
[0004] 为了减小外腔激光器系统的体积，汪洋(汪洋.基于InAs/InP量子点的1.55μπι可调 谐外腔激光器.曲阜师范大学硕士学位论文，2012年4月）和成若海(成若海.量子点外腔激 光器性能研究.曲阜师范大学硕士学位论文，2013年4月）介绍了一款利特罗型光栅外腔半 导体激光器的小型化结构。他们利于金属的弹性设计了光栅固定座，依靠压电陶瓷驱动器 来旋转驱动衍射光栅，由于未采用大体积的角度旋转驱动装置，从而有效减小了系统的体 积。如图1所示，即为论文所介绍的通过旋转衍射光栅实现利特罗型光栅外腔半导体激光器 波长调谐的原理示意图，主要包括:半导体增益器件11、准直透镜12和衍射光栅13;半导体 增益器件11发出的光经过准直透镜12准直后，入射到衍射光栅13上，一级衍射光沿原路返 回半导体增益器件11有源区，零级光作为输出；衍射光栅13被固定在一压电陶瓷驱动器驱 动的调谐装置14上，通过调谐装置14沿着点15推动衍射光栅13,使衍射光栅绕着轴16旋转， 从而实现波长的调谐。其中，当压电陶瓷驱动器驱动的距离为X时，衍射光栅13绕轴16旋转 的角度为S，L表示作用点15距离轴16的距离。该利特罗型光栅外腔半导体激光器的调谐波 长Αλ与旋转的角度δ满足关系式:2d · δ · cos0 = k · Δλ，其中d为衍射光栅13的槽间距，k =1表示一级衍射光，Θ为一级衍射角，满足2dsin0=k · λ，其中λ表示半导体增益器件的中 心波长;压电陶瓷驱动的距离X可表示为:X = L · tans;根据以上关系式可得到此种利特罗 型光栅外腔半导体激光器的调谐波长A λ与压电陶瓷驱动光栅移动距离X之间的关系：Δ λ = (2d · X · cos0)/L。针对785nm波长，当选用1200线/mm的光栅，L取25mm时，根据以上公式 计算得到，压电陶瓷驱动器驱动9微米，外腔激光器波长相应地改变0.53nm。此种结构虽然 有利于仪器的小型化设计，但是，由于依靠金属弹性不利于大角度改变，并且波长改变对压 电陶瓷驱动器驱动位移变化不够敏感，再加上压电陶瓷驱动器位移改变量有限，这就限制 了此种外腔激光器的电动调谐波长范围，对于某些需要大范围波长调谐的应用场合而不适 合。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有的外腔激光器波长调谐存在的上述问题，提供一种光 栅外腔半导体激光器波长的调谐方法。
[0006] 本发明的具体步骤如下：
[0007] 1)半导体增益器件发出的光经过准直透镜准直后，入射到衍射光栅上，一级衍射 光沿原路返回半导体增益器件有源区，与有源区内光场相互作用，实现单纵模窄线宽输出， 零级光作为输出；
[0008] 2)半导体增益器件或准直透镜固定于一位置可发生平移的驱动装置上，通过改变 半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度 发生变化，实现光栅外腔半导体激光器波长的调谐。
[0009] 所述光栅外腔半导体激光器包括半导体增益器件、准直透镜或衍射光栅。
[0010] 所述半导体增益器件可采用具有光增益的半导体发光器件，所述具有光增益的半 导体发光器件可选自边发射半导体激光二极管、超辐射发光二极管、光放大器等中的一种。 [0011]所述准直透镜可采用具有光学准直作用的光学镜片，能将半导体增益器件发出的 光束准直为平行光束，所述具有光学准直作用的光学镜片可选自非球面透镜、双胶合透镜、 物镜镜头等中的一种。
[0012] 所述可发生平移的驱动装置可选自电动马达、步进电机、压电陶瓷驱动器、微机电 系统等中的至少一种。
[0013] 本发明通过改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，来改变 入射到衍射光栅的光束角度，即以半导体增益器件或准直透镜的平移调节替代衍射光栅的 旋转调节，从而实现波长的连续调谐。
[0014] 本发明可以应用于利特罗、利特曼光栅外腔半导体激光器所使用的光路中。
[0015] 本发明提供的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法，能够通过改变半导体 增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置，使得入射到衍射光栅的光束角度发生变 化，从而实现波长的连续调谐，其操作简单，有利于激光器系统的小型化，并且容易实现对 激光器波长的快速宽带调谐。
[0016] 本发明通过平移改变半导体增益器件或准直透镜相对于衍射光栅的水平位置来 实现波长的连续调谐，将光栅的旋转调节改为半导体增益器件或准直透镜的平移调节，有 利于激光系统的小型化；同时，由于波长改变量对于半导体增益器件或准直透镜的位置变 化量较为敏感，本发明可实现对激光器波长的快速宽带调谐。
【附图说明】
[0017]图1为现有的通过旋转衍射光栅实现利特罗型光栅外腔半导体激光器波长调谐的 原理示意图。
[0018]图2为本发明实施例的原理不意图。
[0019] 图3为本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移半导体增 益器件实现波长调谐(实施例1)的示意图。
[0020] 图4为本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜 实现波长调谐(实施例2)的示意图。
[0021] 图5为本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移半导体增 益器件实现波长调谐(实施例3)的示意图。
[0022] 图6为本发明应用于利特曼型光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜 实现波长调谐(实施例4)的示意图。
[0023] 图7为本发明应用于一种光栅外腔半导体激光器光路中，通过平移准直透镜实现 波长调谐，且采用双面出光增益器件避免输出光束方向变化(实施例5)的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和技术效果更为明显易懂，下面结合附图和具体实 施例对本发明作进一步的详细说明。
[0025] 本发明提供的一种光栅外腔半导体激光器波长的调谐方法的原理示意图如图2所 示，所述光栅外腔半导体激光器包含半导体增益器件21、准直透镜22和衍射光栅23;半导体 增益器件21发出的光经过准直透镜22准直后，入射到衍射光栅23上，一级衍射光沿原路返 回半导体增益器件21有源区，与有源区内光场相互作用，从而实现单纵模窄线宽输出，零级 光作为输出；半导体增益器件21或准直透镜22固定于一位置可发生平移的驱动装置24上， 通过改变半导体增益器件21或准直透镜22相对于衍射光栅23的水平位置，使得入射到衍射 光栅23的光束角度发生变化，从而实现波长的连续调谐。由于本发明是通过改变半导体增 益器件21或准直透镜22的水平位置，来实现波长的连续调谐，因此，相比于传统的通过旋转 衍射光栅和平面反射镜来实现波长的连续调谐，该方法有利于激光器系统的小型化，并且 容易实现对激光器波长的快速宽带调谐。
[0026]以下给出具体实施例：
[0027] 实施例1
[0028] 如图3所示，通过平移半导体增益器件31来实现波长的连续调谐，并将本发明应用 于利特罗型光栅外腔半导体激光器的光路中，采用特定参数的光学元件计算增益器件平移 距离与波长调谐范围的关系，然后将计算结果与汪洋和成若海提出的小型化利特罗型光栅 外腔半导体激光器结构进行比较。
[0029] 本实施例将本发明应用于利特罗型光栅外腔半导体激光器的光路中，主要包括： 半导体增益器件31、准直透镜32和衍射光栅33。其中，半导体增益器件31