专利名称：光栅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领域，特别是指一种反馈可调的光栅外腔半导体 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，这种宽线宽存在与许多场合的应用要求 相距甚远。一般常用的外腔半导体激光器可分为Littrow结构，Littman结构，如图1和 2所示。而上述半导体激光器的光反馈强度不可调节，这直接影响到半导体的单模不跳模 范围和线宽。C.J.Hawthorn等人提出的Littrow外腔半导体激光器，如图1所示。Karen Liu, Michael G.Littman等人提出Littman半导体激光器，如图2所示。在图1所示的Littrow结构中，由半导体激光管(LD，Laser diode) 1发出的激光 经非球面准直透镜(AL)4准直后，入射在衍射光栅14上。衍射光栅9的一级衍射光沿 与入射光反向共线的路径，按原路返回到半导体激光管1中，这里半导体激光管1发出的 激光入射到衍射光栅14上的入射角θ i等于光栅的衍射角0d。在图2所示的Littman结构中，由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜 4准直后，以掠入射的角度入射在衍射光栅14上。衍射光栅9的一级衍射光正入射在一 块平面反馈反射镜(M) 201上，被反馈反射镜201反射后，沿原路返回到衍射光栅14上， 经衍射光栅14再次衍射后回到半导体激光管1中。C.J.Hawthorn和Karen Liu，Michael G.Littman等人提出采用光栅选模实现外腔半
导体激光器，作为反馈光的光栅一级衍射光，其强度无法调节，这不利于外腔半导体的 单模不跳模范围的提高，以及实现更窄线宽。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种反馈可调的光栅外腔半导体激光器，使 得光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模 范围和较窄的线宽输出。基于上述目的本发明提供的反馈可调的光栅外腔半导体激光器，包括半导体 激光管、光栅和半波片；半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体 激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋 转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。 所述半导体激光器为Littrow结构外腔半导体激光器；或者为Littman结构外腔 半导体激光器；或者为半导体激光激光管发出的激光入射到光栅上的入射角θ i小于光栅一级衍射光的衍射角θ d的光栅掠衍射外腔半导体激光器。可选的，该半导体激光器所述光栅掠衍射外腔半导体激光器还包括准同步调谐 机构，所述准同步调谐机构围绕一个准同步调谐转动中心Pq转动所述光栅，使得在转动 期间光栅衍射表面所在的平面反射表面所在的平面与该准同步调谐点(Pq)之间的距离保 持不变，从而实现光栅和谐振腔选频作用的准同步调谐，其中以下述方式来确定所述准 同步调谐转动中心确定一个同步调谐点P0，使得当以该同步调谐点PO为转动中心转动光栅时， 在半导体激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，所述准同步调谐点Pq位于 一条经过该同步调谐点PO的直线上，该直线相对于入射到光栅上的光线方向的夹角根 据激光光束在光栅上的入射角与衍射角之差△ θ来确定，即当转动光栅时，所述夹角为 Δ θ /2。可选的，该半导体激光器所述准同步调谐机构通过调节螺钉来调整所述光栅或 反射镜的转动角度，和/或通过在压电陶瓷上施加控制电压来对该转动角度进行微调。可选的，该半导体激光器还包括以下至少一种半导体激光管热沉，用于半导 体激光管的温度控制；电流控制装置，用于控制半导体激光管的输入电流。可选的，该半导体激光器还包括半波片调整镜套，用于旋转所述半波片以改变 入射光的偏振方向。可选的，该半导体激光器还包括准直透镜，所述半导体激光管发出的光束首 先经过准直透镜准直后再入射到其他光学器件。从上面所述可以看出，本发明提供的反馈可调的光栅外腔半导体激光器，使得 光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模范 围(最大可达30G)和较窄的线宽输出。
图1为现有Littrow结构外腔半导体激光器结构示意图；图2为现有Littman结构外腔半导体激光器结构示意图；图3本发明实施例Littrow结构外腔半导体激光器的结构示意图；图4为本发明实施例Littman结构外腔半导体激光器结构示意图；图5为本发明实施例掠衍射结构光栅外腔半导体激光器结构示意图；图6为本发明实施例光栅调谐的准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器的结 构示意图；图7为本发明实施例带有调节部件的光栅调谐的准同步调谐掠衍射结构外腔半 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。本发明的光栅外腔半导体激光器，主要包括半导体激光管、光栅和半波片。 半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。参见图3所示，为Littrow结构外腔半导体激光器的结构示意图。在准直透镜3 和光栅14之间设置半波片6。半导体激光管1发射的激光经非球面准直透镜3准直后， 再经过半波片6，半波片6用来改变其偏振方向，通过半波片6的光入射到光栅14，光栅 14的零级衍射光作为输出光。光栅14的一级衍射光原路返回，作为反馈光，其一级衍射 光的强度与入射光的偏振方向有关系。即反馈光强度可通过旋转半波片6来实现。这里 半导体激光管1发出的激光入射到衍射光栅14上的入射角θ i等于光栅的衍射角0d。图4为本发明实施例Littman结构外腔半导体激光器结构示意图。在准直透镜 3和光栅14之间设置半波片6。由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直 后，再经过半波片6，半波片6用来改变其偏振方向，通过半波片6的光以掠入射的角度 入射在衍射光栅14上。衍射光栅9的一级衍射光正入射在一块平面反馈反射镜(M) 201 上，被反馈反射镜201反射后，沿原路返回到衍射光栅14上，经衍射光栅14再次衍射后 回到半导体激光管1中。参见图5所示，为本发明提供的光栅掠衍射外腔半导体激光器实施例示意图， 包括半导体激光管1、准直透镜3、光栅14和反射镜5，并在准直透镜3和光栅14之 间设置半波片6。与Littman结构不同的是，光栅掠衍射外腔半导体激光器中半导体激光 管1发出的激光入射到光栅14上的入射角θ i小于光栅的衍射角0d。通过上述结构可 以使得光栅14的衍射光斑在子午方向上被压缩，其尺寸小于入射光斑尺寸，且反射镜5 和反射镜的同步调谐转动中心更容易被选择在位于半导体激光管发射激光束的同侧。光 栅14选频可通过绕同步转动中心转动光栅14实现。图6给出了掠衍射的外腔半导体激光器的准同步调谐示意图。图中，为了说明 外腔半导体激光器的调谐原理，在附图中引入了直角坐标系xOy，其中O点表示半导体 激光激光管LD所发出的激光光束与光栅G在初始位置的衍射表面的交点，χ轴经过O点 且方向与LD发出的光线共线反向，y轴经过O点并与χ轴垂直且方向向上。等效LD后端反射面、光栅G的衍射表面和反射镜M的反射表面这三个平面均 与xOy坐标平面垂直。用SG表示光栅衍射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线，O 点位于该交线上；SL表示等效LD后端反射面所在的平面与xOy坐标平面的交线，它距 O点的距离为11 ； SM表示反馈反射镜M的反射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线， 它距O点的距离为12。N为光栅法线，Output为零级衍射光可作为输出光束，θ 为光 束在光栅上的入射角，θ d为光束在光栅上的衍射角，x0为光栅转动中心为Pq到平面SL 的距离，u为光栅转动中心为Pq到平面SM的距离，ν为光栅转动中心为Pq到平面SG 的距离。该准同步调谐机构围绕准同步调谐转动中心Pq转动光栅14，从而实现光栅14和 谐振腔选频作用的准同步调谐。假设在转动调谐之后光栅相对于其初始位置转动的角度为α，则激光光束在 F-P腔内往返一周后的相位变化Ψ可表示为ψ = Ψ0+Α(α ) · [B · sin α +C · (1—cosa)] (1)其中Ψ0表示在转动调谐之前光束在腔内往返一周的初始相位变化，A(Ci)是与调谐转动角度α有关的函数，而ΨO、B和C是与角度α无关的函数。ψO、Α(α)、 B和C与外腔半导体激光器的初始参数有关，这些初始参数包括初始角度(如初始入射角 θ 、初始衍射角9(1等)、初始位置(如初始腔长11和12、初始距离U、^^和*等)、以 及光栅常数d等等。当满足完全同步调谐的条件时，相位变化Ψ应当与调谐转动角度α 无关，即公式1中的B和C均应为零。在公式
权利要求
1.一种光栅外腔半导体激光器，其特征在于，包括半导体激光管、光栅和半波片；半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光 器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所 述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器为Littrow 结构外腔半导体激光器；或者为Littman结构外腔半导体激光器；或者为半导体激光激光管发出的激光入射到光栅上的入射角θ i小于光栅一级衍射光 的衍射角θd的光栅掠衍射外腔半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅掠衍射外腔半导体激 光器还包括准同步调谐机构，所述准同步调谐机构围绕一个准同步调谐转动中心Pq转动 所述光栅，使得在转动期间光栅衍射表面所在的平面反射表面所在的平面与该准同步调 谐点(Pq)之间的距离保持不变，从而实现光栅和谐振腔选频作用的准同步调谐，其中以 下述方式来确定所述准同步调谐转动中心确定一个同步调谐点P0，使得当以该同步调谐点PO为转动中心转动光栅时，在半导 体激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，所述准同步调谐点Pq位于一条经 过该同步调谐点PO的直线上，该直线相对于入射到光栅上的光线方向的夹角根据激光光 束在光栅上的入射角与衍射角之差Δ θ来确定，即当转动光栅时，所述夹角为Δ θ/2。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述准同步调谐机构通过调节 螺钉来调整所述光栅或反射镜的转动角度，和/或通过在压电陶瓷上施加控制电压来对 该转动角度进行微调。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括以下 至少一种半导体激光管热沉，用于半导体激光管的温度控制；电流控制装置，用于控制半导体激光管的输入电流。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，还包括半波片调整 镜套，用于旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器还包括准 直透镜，所述半导体激光管发出的光束首先经过准直透镜准直后再入射到其他光学器 件。
全文摘要
本发明公开一种光栅外腔半导体激光器，主要包括半导体激光管、光栅和半波片。半导体激光管发出的光通过半波片入射到光栅，光栅的零级衍射光作为半导体激光器的输出光，光栅的一级衍射光作为反馈光沿原路返回；所述反馈光的强度通过旋转所述半波片以改变入射光的偏振方向来进行调节。通过本发明使得光栅外腔半导体激光器的反馈强度实现可调，以此实现外腔半导体的较大单模不跳模范围和较窄的线宽输出。
文档编号H01S5/06GK102025106SQ20091017660
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者彭瑜, 方占军, 曹建平, 李烨, 臧二军 申请人:中国计量科学研究院