专利名称：光栅外腔激光器及其准同步调谐方法
技术领域：
本发明涉及对光栅外腔激光器的激光波长或频率的调谐，其中在选择光栅或反射镜的调谐转动中心时实现了准同步的调谐。
背景技术：
在光栅外腔激光器中往往需要对所产生的激光波长或频率进行调谐，这种调谐是通过转动光栅从而改变光线在光栅上的入射角和衍射角、或者通过转动反射镜从而改变光线在光栅上的衍射角来实现的。在
图1、图2和图3中分别示出了三种类型的光栅外腔半导体激光器。其中图1所示的是常规的掠入射(即入射角大于衍射角)结构的外腔半导体激光器，这种结构也被称为Littman结构；图2中所示的是由同一申请人在中国专利申请200810097085. 4中提出的一种新型的掠衍射(即衍射角大于入射角)结构的外腔半导体激光器；而图3中所示的是常规的Littrow结构的外腔半导体激光器，在该结构中没有反射镜，因而仅通过转动光栅来进行调谐。下面以光栅反馈外腔半导体激光器(ECDL)为例来说明光栅外腔激光器的基本结构与原理。如图1至3所示，LD表示半导体激光管，AL表示非球面准直透镜，G表示光栅， M表示反馈反射镜，N表示光栅法线，θ i表示光线在光栅上的入射角，θ d表示光线在光栅上的衍射角，Δ θ为入射角与衍射角之差，S卩Δ θ = θ i-θ d，Δ χ为腔内光学元件(例如非球面准直透镜和LD的增益介质)所产生的光程增量。在图1所示的掠入射结构和图2所示的掠衍射结构中，半导体激光管LD发出的激光经非球面镜AL准直后，入射到衍射光栅G上。光栅G的一级衍射光正入射在反馈反射镜 M上，该光束在反射镜M上被反射后，沿着与入射光共线且反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜AL返回到半导体激光管中。在图3所示的Littrow结构中，半导体激光管LD发出的激光经非球面镜AL准直后，入射到衍射光栅G上。光栅G的一级衍射光沿着与入射光共线且反向的路径，按原路直接经非球面镜AL返回到半导体激光管中。可以看到，在Littrow结构中光束在光栅上的入射角和衍射角相等，即9i= θ = θ，因而Δ θ = 0。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0 点表示半导体激光管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0点且方向与LD发出的光线共线反向，y轴经过0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，0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0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0点的距离为12。在图1和图2所示的掠入射和掠衍射结构中，11和12分别表示0点到等效LD后
8端反射面和反馈反射镜M的光学距离，即光栅外腔的两个子腔长度，整个半导体激光器的光学腔长用它们之和1 = 11+12来表示。在图3所示的Littrow结构中，半导体激光器的实际光学腔长即为0点到等效LD后端反射面的距离11。当转动光栅G或反射镜M进行调谐时，转动轴与xOy坐标平面垂直，该转动轴与 xOy坐标平面的交点(即转动中心)在图1至3中用坐标P(x，y)来表示。为了有助于分析，引入了距离参量U、ν和w，其中u表示转动中心P到交线SM的距离；ν表示转动中心P 到交线SG的距离；w表示转动中心P到交线SL的距离。这里各参量U、ν和w取值的符号规定如下当光线与转动中心在相应平面交线的同侧时用正值表示，而当光线与转动中心分别在相应平面交线的两侧时用负值表示。当光栅G或反馈反射镜M围绕P点转动时，距离ν或u保持不变。在光栅外腔半导体激光器中，决定激光波长或频率的两个主要因素是1.由光线在光栅上的入射角和衍射角的取值和变化所决定的选频作用；2.由SL、SM、SG所形成的等效F-P腔的腔长的取值和变化所决定的选频作用。在以转动中心P为轴转动光栅或反射镜的过程中，光栅的选频作用和F-P腔的选频作用均发生改变。一般而言，上述改变不是同步的，这将引起激光模式的跳模变化，中断了激光频率的连续调谐，因而能够得到的激光频率不跳模时的连续调谐范围非常小，例如为1至2GHz。为了实现激光波长或频率的同步调谐，即实现大范围不跳模的频率连续调谐，需要有目的地选择光栅G或反馈反射镜M的转动中心P。假设在转动调谐之后光栅或反射镜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 · Sina+C · (I-COSCt )](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，Α(α)是与调谐转动角度α有关的函数，而Ψ0、B和C是与角度α无关的函数。Ψ0、Α(α)、Β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9i、初始衍射角θ d等)、初始位置(如初始腔长u和12、初始距离u、v和w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。此时，实现完全同步调谐的转动中心PO的距离参量应满足也就是说，满足同步调谐限制条件的转动中心PO应当位于光栅衍射表面所在的平面与x0y坐标平面的交线SG上；同时，转动中心PO到反射镜反射表面所在平面的距离u0 和PO到等效LD后端反射面所在平面的距离wO的绝对值相同而符号相反。当用坐标PO (xO，yO)表示这种满足同步调谐限制条件的转动中心时，对于掠入射和掠衍射结构可以得到
权利要求
1. 一种用于对光栅外腔激光器进行准同步调谐的方法，其中以一个准同步调谐点Pq 为转动中心转动光栅外腔激光器的光栅或反射镜，使得在转动期间光栅衍射表面所在的平面或反射镜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的选频作用的准同步调谐，其中以下述方式确定所述准同步调谐点Pq 确定一个同步调谐点P0(x0，y0)，使得当以该同步调谐点PO为转动中心转动光栅或反射镜时，在光栅外腔激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，准同步调谐范围用下面的方法给出做坐标变换，对于光栅转动调节
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准同步调谐范围进一步为以下范围 确定一个同步调谐点(x0，y0)，以该步调谐点为转动中心转动光栅或反射镜时，在激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变。做坐标变换，对于光栅转动调节
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光栅外腔激光器是Littman结构或掠 衍射结构结构激光器，并通过以所述准同步调谐点(Pq)为转动中心转动光栅来进行调谐。 其中由公式(10)限定的两条抛物线的对称轴距离严格同步调谐点的距离分别为+_b，并且 当光栅转动调谐时，近似平行于反射镜M的法线与半导体激光管LD发出的光线之间夹角的 角平分线，当反射镜转动调谐时，平行于反射镜M的初始位置法线方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光栅外腔激光器是Littrow结构激 光器，并通过以所述准同步调谐点(Pq)为转动中心转动光栅来进行调谐；其中由公式(10) 限定的两条抛物线的对称轴距离严格同步调谐点的距离分别为+_b，并且平行于入射到光 栅上的光线方向。
5.一种Littman结构或掠衍射结构的光栅外腔激光器，包括激光光源(1)、非球面准 直透镜(3)、光栅(1 和反射镜(5)，其中所述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(1 或反射镜(5)，使得在转动期 间光栅衍射表面所在的平面或反射镜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；其中以下述方式确定所述准同步调谐点Pq 确定一个同步调谐点P0(x0，y0)，使得当以该同步调谐点PO为转动中心转动光栅或反射镜时，在光栅外腔激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，准同步调谐范围用下面的方法给出设给定的频率调谐范围为
6.根据权利要求5所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述准同步调谐范围进一步为以下范围确定一个同步调谐点(xO，y0)，以该步调谐点为转动中心转动光栅或反射镜时，在激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变。做坐标变换，对于光栅转动调节
7.根据权利要求5所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述准同步调谐机构通过调节螺钉(8)来调整所述光栅(1 或反射镜(5)的转动角度，和/或通过在压电陶瓷(10) 上施加控制电压来对该转动角度进行微调。
8.根据权利要求5所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述激光光源和光栅之间进一步放入1/2波片用以调整反馈功率。
9.一种Littrow结构的光栅外腔激光器，包括激光光源(1)、非球面准直透镜(3)和光栅(12)，其中所述光栅外腔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(12)，使得在转动期间光栅衍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；其中以下述方式确定所述准同步调谐点Pq 确定一个同步调谐点P0(x0，y0)，使得当以该同步调谐点PO为转动中心转动光栅或反射镜时，在光栅外腔激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变，准同步调谐范围用下面的方法给出设给定的频率调谐范围为
10.根据权利要求9所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述准同步调谐范围进一步为以下范围确定一个同步调谐点(xO，y0)，以该步调谐点为转动中心转动光栅或反射镜时，在激光器的谐振腔内激光光束的往返相位差保持不变。做坐标变换，对于光栅转动调节
11.根据权利要求9所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述准同步调谐机构通过调节螺钉(8)来调整所述光栅(1 的转动角度，和/或通过在压电陶瓷(10)上施加控制电压来对该转动角度进行微调。
12.根据权利要求9所述的光栅外腔激光器，其特征在于，所述激光光源和光栅之间进一步放入1/2波片用以调整反馈功率。
全文摘要
本发明提供了对光栅外腔激光器的激光波长或频率进行准同步调谐的方法，还提供了相应的激光器。其中以一个准同步调谐点(Pq)为转动中心转动光栅或反射镜，从而实现光栅和谐振腔的选频作用的准同步调谐。其中从激光器的实际物理空间上看，在xOy坐标平面上，满足准同步调谐条件的转动中心Pq(xq，yq)可以看作是从常规的同步调谐条件下的转动中心P0(x0，y0)拓展到P0点附近的两条抛物线所包含的区域内。根据本发明，以简单和灵活的设计实现了激光的近似同步调谐。
文档编号H01S5/06GK102340100SQ20101023653
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者方占军, 曹建平, 李烨, 王少凯, 臧二军 申请人:中国计量科学研究院