一种用于拉曼光谱测量的半导体激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于拉曼光谱测量的半导体激光器，包括光功率稳定系统、猫眼系统、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第一准直透镜、锥形放大器、激光整形系统、底板和电流温控模块，猫眼系统、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第一准直透镜、锥形放大器和激光整形系统依次安装在底板上，电流温控模块与锥形放大器相连，锥形放大器后端面输出的激光经过激光整形系统后输出圆形光斑。本发明的半导体激光器为线性腔结构，可以获得稳定的大功率输出。
【专利说明】一种用于拉曼光谱测量的半导体激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体激光器，尤其是一种适用于拉曼光谱测量的半导体激光器。
【背景技术】
[0002]拉曼光谱技术是一种光散射技术，通过光和材料内化学键的相互作用产生的光谱信号可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子转动和振动的详细信息，具有无需抽样、灵敏度高、检测范围广、干扰小等优点，是一种有效的物质结构分析测试手段。拉曼散射是印度物理学家c.V.Raman于1928年发现的，与瑞利散射不同，拉曼散射是一种非弹性散射，当单色光束入射光光子与分子相互作用时发生能量交换，光子不仅改变运动方向，同时将一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率。拉曼散射分为斯托克斯散射和非斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光散射光的频率率之差称为拉曼位移。拉曼位移与入射线频率无关，而只与分子结构有关，通过分析待测物质的拉曼谱线数目、位移值的大小和谱带的强度便可对物质进行定性鉴别及定量分析。拉曼光谱技术最初的光源是聚焦的日光，后来使用汞弧灯，由于强度低及单色性差限制了拉曼光谱技术的发展，二十世纪60年代激光问世并引入到拉曼光谱仪作为激发光源以后，随着微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，拉曼光谱得到了迅速的发展，出现了很多新的拉曼光谱技术，已经被广泛地应用到了化学材料、石油化工、考古分析、医学药学、环境保护、地质探测、食品质检、安检防爆等领域。
[0003]从紫外、可见到红外波长范围内的窄线宽、高功率激光器都均可作为拉曼光谱技术的光源，波长的选择对测量的灵敏度、空间分辨率等有很大的影响，拉曼散射的强度与激光波长的四次方成反比，因此，蓝/绿可见光的的散射强度比近红外激光要强15倍以上，另外空间分辨率由激光光斑的直径决定，根据衍射极限的条件，短波长光源要优于长波长。对于本发明中所涉及的785nm的激光属于近红外激光，由于只有少数材料的吸收带位于近红外区，故这种激光可以有效地抑制荧光干扰，虽然其灵敏度较短波长低，但可以通过表面增强拉曼光谱技术将拉曼信号的强度进行有效地提高，另外由于近红外激光的光子能量较低，不会引起对待测样品的损伤及降解。目前常用的785nm波段的激光器大多为半导体激光器，其具有效率高、体积小、寿命长、价格低廉等优点，但大功率半导体激光器器件往往存在横模特性差、光谱质量差及波长随电流温度变化大等问题，所以如何克服上述问题实现大功率、窄线宽、具有良好光斑质量的半导体激光输出成为了近年来的研究方向。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种能够在大功率的前提下光谱质量好且波长随温度变化小的激光器。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于拉曼光谱测量的半导体激光器，包括光功率稳定系统、猫眼系统、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第一准直透镜、锥形放大器、激光整形系统、底板和电流温控模块，猫眼系统、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第一准直透镜、锥形放大器和激光整形系统依次安装在底板上，第二干涉滤光片与第一干涉滤光片的自由光谱范围互不相同，锥形放大器前端面输出的激光依次经过第一准直透镜、第二干涉滤光片和第一干涉滤光片后进入猫眼系统，猫眼系统允许高透射光通过，并将其余激光按原路反馈回锥形放大器中，光功率稳定系统接收高透射光，并将光功率信号反馈至电流温控模块，电流温控模块与锥形放大器相连，锥形放大器后端面输出的激光经过激光整形系统后输出圆形光斑，圆形光斑作为激光器的输出。
[0006]采用第二干涉滤光片和第一干涉滤光片这两个自由光谱范围互不相同的干涉滤光片对锥形放大器输出的光进行选频，只有同时满足两干涉滤光片干涉条件的特定波长的光才具有高透过率，相对单个滤光片减少了由于多个纵模的竞争引起的纵模变化的可能性，使得激光经过两个干涉滤光时进行了自由光谱范围差的调制，在保证干涉滤波片高精细度的同时进一步提高了激光器的选频特性，增强了激光器输出的稳定性；采用猫眼系统将选频后的激光进行反射，并允许高透射光通过，提高了激光器的抗振性能；采用光功率稳定系统对通过的高透射光进行实时监测，并向电流温控模块发送光功率信号，再由电流温控模块控制锥形放大器的电流，从而实现锥形放大器的稳定输出。
[0007]作为本发明的进一步限定方案，光功率稳定系统包括探测器和反馈控制系统，探测器接收高透射光，反馈控制系统将光功率信号反馈至电流温控模块。采用探测器接收高透射光，在通过反馈控制系统将光功率信号反馈至电流温控模块，实现对锥形放大器发射功率的实时监测。
[0008]作为本发明的进一步限定方案，猫眼系统包括第二准直透镜和高反射镜，高反射镜位于第二准直透镜的焦点上，第二准直透镜对进入的激光进行准直后投射到高反射镜上，高反射镜允许高透射光通过，并反射其余激光。采用第二准直透镜和高反射镜构成猫眼系统，对入射激光进行猫眼效应处理，提高了激光器的抗振性能。
[0009]作为本发明的进一步限定方案，激光整形系统包括非球面透镜和柱透镜，非球面透镜对快轴方向的激光进行准直，柱透镜对慢轴方向的光进行准直和像散补偿。由于锥形放大器在快轴及慢轴方向的出射位置及发散角不同，而一个非球面透镜不能同时将两个方向的光进行准直，所以采用非球面透镜对快轴方向的激光进行准直，采用柱透镜对慢轴方向的光进行准直和像散补偿，以得到圆形高斯光斑作为激光器的输出。
[0010]作为本发明的进一步改进方案，底板上设有制冷模块，制冷模块与电流温控模块相连。采用在底板上设有制冷模块，并将制冷模块与电流温控模块相连，通过电流温控模块对制冷模块进行自动控制，从而实现对底板上的设备进行温度控制，进一步提高了激光器输出的稳定性。
[0011]作为本发明的进一步改进方案，锥形放大器上还设有半导体制冷器，半导体制冷器上设有热敏电阻，热敏电阻和半导体制冷器都与电流温控模块相连。采用热敏电阻对锥形放大器的温度进行采集，在由电流温控模块控制半导体制冷器的温度，从而进一步实现对锥形放大器的温度控制，进一步提高了激光器输出的稳定性。
[0012]作为本发明的进一步限定方案，第一干涉滤光片与第二干涉滤光片的厚度相差
0.1?0.0lmm0采用两个厚度不同的第一干涉滤光片和第二干涉滤光片来实现不同的自由光谱范围，只有同时满足两干涉滤光片干涉条件的特定波长的光才具有高透过率，使得激光经过两个干涉滤光时进行了自由光谱范围差的调制，在保证干涉滤波片高精细度的同时进一步提闻了激光器的选频特性。
[0013]作为本发明的进一步限定方案，第一干涉滤光片与第二干涉滤光片的通光方向上存在一个夹角。采用两个在通光方向上存在一个夹角的第一干涉滤光片和第二干涉滤光片来实现不同的自由光谱范围，只有同时满足两干涉滤光片干涉条件的特定波长的光才具有高透过率，使得激光经过两个干涉滤光时进行了自由光谱范围差的调制，在保证干涉滤波片高精细度的同时进一步提高了激光器的选频特性。
[0014]作为本发明的进一步改进方案，锥形放大器的前端面上设有增透膜，后端面上设有高反射膜。采用在锥形放大器的前端面上设置增透膜，后端面上设置高反射膜，提高了锥形放大器前端面的的透射性能和后端面的反射性能。
[0015]作为本发明的进一步改进方案，第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的前后端面上均设有高反射膜。采用在第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的前后端面上设置高反射膜，提闻干涉滤光片的闻精细度滤波。
[0016]本发明的有益效果在于:(I)采用两个自由光谱范围不同的第二干涉滤光片和第一干涉滤光片对锥形放大器输出的光进行选频，保证干涉滤波片高精细度的同时进一步提高了激光器的选频特性，增强了激光器输出的稳定性；(2)采用猫眼系统提高了激光器的抗振性能；(3)采用光功率稳定系统进行实时监测和控制，实现了锥形放大器的稳定输出；
(4)采用制冷模块对底板上的设备进行温度调节，进一步提高了激光器输出的稳定性；(5)采用热敏电阻和半导体制冷器对锥形放大器的温度进行调节，进一步提高了激光器输出的稳定性；(6)采用增透膜和高反射膜实现各个光学设备的透射性能和反射性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的半导体激光器的结构示意图；
[0018]图2为本发明的锥形放大器输出光经过干涉滤光片后的透射谱。
【具体实施方式】
[0019]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行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0020]如图1所示，本发明的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，包括光功率稳定系统
1、猫眼系统2、第一干涉滤光片3、第二干涉滤光片4、第一准直透镜5、锥形放大器6、激光整形系统7、底板8和电流温控模块9,猫眼系统2、第一干涉滤光片3、第二干涉滤光片4、第一准直透镜5、锥形放大器6和激光整形系统7依次安装在底板8上，第二干涉滤光片4与第一干涉滤光片3的自由光谱范围互不相同，锥形放大器6前端面输出的激光依次经过第一准直透镜5、第二干涉滤光片4和第一干涉滤光片3后进入猫眼系统2，猫眼系统2允许高透射光通过，并将其余激光按原路反射至锥形放大器6中，光功率稳定系统I接收高透射光，并将光功率信号反馈至电流温控模块9，电流温控模块9与锥形放大器6相连，锥形放大器6后端面输出的激光经过激光整形系统7后输出圆形光斑，圆形光斑作为激光器的输出。
[0021]其中，光功率稳定系统I包括探测器11和反馈控制系统12，探测器11接收高透射光，反馈控制系统12将光功率信号反馈至电流温控模块9 ;猫眼系统2包括第二准直透镜22和高反射镜21，高反射镜21位于第二准直透镜22的焦点上，第二准直透镜22对进入的激光进行准直后投射到高反射镜21上，高反射镜21允许高透射光通过，并反射其余激光；激光整形系统7包括非球面透镜71和柱透镜72，非球面透镜71对快轴方向的激光进行准直，柱透镜72对慢轴方向的光进行准直和像散补偿。
[0022]激光器在工作时，首先由锥形放大器6的前端面发出激光，再由第一激光准直透镜5对其进行准直，准直后的激光再经过第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4进行选频，经过选频后的透射光进入到由第二准直透镜22和高反射镜21组成的猫眼系统2中，高反射镜21允许小部分的高透射光经过，而将大部分光由原路反馈至锥形放大器6中，反射后的激光与锥形放大器6的后端面组成外腔而起振，探测器11位于高反射镜21后，用于接收高透射光，在由反馈控制系统12将光功率信号反馈至电流温控模块9，电流温控模块9根据接收到的光功率信号对锥形放大器6的电流进行控制，从而实现对锥形放大器6发射功率的控制，锥形放大器6的后端面输出的激光经过由非球面透镜71和柱透镜72构成的激光整形系统7，由非球面透镜71对快轴方向的光进行准直，再由柱透镜72对慢轴的光进行准直，并同时进行像散补偿，使得激光器输出圆形光斑。
[0023]采用第二干涉滤光片4和第一干涉滤光片3这两个自由光谱范围互不相同的干涉滤光片对锥形放大器6输出的光进行选频，只有同时满足两干涉滤光片干涉条件的特定波长的光才具有高透过率，相对单个滤光片减少了由于多个纵模的竞争引起的纵模变化的可能性，使得激光经过两个干涉滤光片时受到了自由光谱范围差的调制，在保证干涉滤光片高精细度的同时进一步提高了激光器的选频特性，增强了激光器输出的稳定性；采用猫眼系统2将选频后的激光进行反射，并允许高透射光通过，提高了激光器的抗振性能；采用光功率稳定系统I对通过的高透射光进行实时监测，并向电流温控模块9发送光功率信号，再由电流温控模块9控制锥形放大器6的电流，从而实现锥形放大器6的稳定输出。
[0024]在具体构建本发明的半导体激光器时，首先将锥形放大器6放置到底板8上，锥形放大器6可以选取工作波长为780nm，输出功率大于1W，封装形式为C-Mount，再将第一准直透镜5放置到底板8上，第一准直透镜5可以选取焦距为3.1mm、数值孔径为0.68的非球面透镜，调整其上下左右及俯仰的位置，对锥形放大器6由前端面输出的激光进行准直，使得其光束方向与底板平行，且5m之内光斑观察不到明显的会聚及发散；再在底板8上安装第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4，将第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4平行放置在锥形放大器6前端面准直后的光路中，在锥形放大器6自由运转的情况下利用光谱仪对其透射谱进行测量，仔细调节两滤光片的位置，使其最大透射峰处于785nm波长处，第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4均由石英玻璃制成,其厚度分别为Imm及1.05mm,其两个端面均蒸镀上对785nm波长处的正入射高反膜，其反射率大于99.8%，因此在正入射情况下均可得到获得良好的精细度，且两者的自由光谱范围存在着很小的差别。
[0025]在安装猫眼系统2前需要对猫眼系统2进行调整，可以利用工作在785nm的DFB半导体准直激光器作为光源对猫眼系统2进行调整，使高反射镜21处于第二准直镜22的焦平面上，并将高反射镜21固定，接着将猫眼系统2放置在第一干涉滤光片3后对其透射的光进行反射，此时注意观察锥形放大器6的输出光，直至得到高功率的激光输出，再利用探测器11测得通过高反射镜21的高透射光的光功率信号，再将反馈控制系统12与电流温控系统9相连，利用电流温控系统9控制得到稳定功率的激光输出。[0026]最后再在底板8上安装整形系统7，首先利用激光整形系统7中焦距为3.1mm、数值孔径为0.68的非球面透镜71对快轴进行准直，但由于锥形放大器6在快轴及慢轴方向的出射位置及发散角不同，利用一个非球面透镜71不能同时将两个方向的光，故又选用焦距为50mm的柱透镜72对慢轴进行进一步的准直，并同时对激光光斑进行整形，以得到圆形高斯光斑出射。
[0027]为了进一步提高激光器的稳定性，在底板8上设置制冷模块，制冷模块与电流温控模块9相连。采用在底板8上设有制冷模块，并将制冷模块与电流温控模块9相连，通过电流温控模块9对制冷模块进行自动控制，从而实现对底板8上的设备进行温度控制，进一步提高了激光器输出的稳定性。
[0028]为了进一步提高激光器的稳定性，还可以在锥形放大器6上还设置半导体制冷器，在半导体制冷器上设置热敏电阻，在锥形放大器6和半导体制冷器之间涂敷导热硅胶进行有效地热传导，锥形放大器6的电流控制端、热敏电阻和半导体制冷器均与电流温控系统9相连。
[0029]为了将第一干涉滤光片3与第二干涉滤光片4设置成不同的自由光谱范围，可以将第一干涉滤光片3与第二干涉滤光片4的厚度相差0.1?0.01mm。
[0030]为了将第一干涉滤光片3与第二干涉滤光片4设置成不同的自由光谱范围，还可以将第一干涉滤光片3与第二干涉滤光片4的通光方向上设置存在一个夹角。
[0031]为了进一步提高锥形放大器6前端面的透射性能和后端面的反射性能，可以在锥形放大器6的前端面上设置增透膜，后端面上设置高反射膜。
[0032]为了进一步提高第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4前后端面的反射性能和高精细度滤波，可以在第一干涉滤光片3和第二干涉滤光片4的前后端面上均设置785nm波长的高反射膜，其反射率大于99.8%。
[0033]为了进一步提高第一准直镜5、第二准直镜22、非球面透镜71和柱透镜72前后端面的透射性能，可以在第一准直镜5、第二准直镜22、非球面透镜71和柱透镜72前后端面均设置增透膜，以防止出现反射现象。
[0034]如图2所示，干涉滤光片具有的透射特性根据光束入射角和滤光片的厚度来确定，器件参数由自由光谱范围及精细度表征，当干涉片透射峰与外腔模式匹配时便会起振获得窄线宽输出，而由于半导体增益谱较宽单个滤光片可能仍会存在多个纵模的竞争容易引起纵模变化，而通过引入两个自由光谱范围接近的干涉滤光片则能进一步提高其选频特性，或者更稳定的激光输出。图中a曲线为前端面镀增透膜的锥形放大器输出光经过单个干涉滤光片后的透射谱随波长的变化曲线，可以看出在去除锥形放大器自发辐射谱的本底的影响后，透射谱表现为一个幅度相同在正弦形式，而曲线b为经过两个自由光谱范围接近的干涉滤光片后得到的透射谱，可以看出由于两干涉滤光片存在的微小自由光谱范围差而在透射谱上引入了一个调制，使得双干涉滤光片透射谱b比单干涉滤光片透射谱a更加稳定，且双干涉滤光片透射谱b的最大透射峰处于785nm波长处。
[0035]以上技术方案可以实现一种结构紧凑、易于调节、窄线宽、高功率、稳定性好的外腔半导体激光器，可适用于拉曼光谱的测量。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如第一、第二干涉滤光片的形式可以替代为其他透射型选频元件，锥形放大器的工作波段可以替换为其它红外波段。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，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】
1.一种用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:包括光功率稳定系统(I)、猫眼系统(2)、第一干涉滤光片(3)、第二干涉滤光片(4)、第一准直透镜(5)、锥形放大器(6)、激光整形系统(7)、底板(8)和电流温控模块(9)，所述猫眼系统(2)、第一干涉滤光片(3)、第二干涉滤光片(4)、第一准直透镜(5)、锥形放大器(6)和激光整形系统(7)依次安装在底板(8)上，所述第二干涉滤光片(4)与第一干涉滤光片(3)的自由光谱范围互不相同，所述锥形放大器(6 )前端面输出的激光依次经过第一准直透镜(5 )、第二干涉滤光片(4 )和第一干涉滤光片(3)后进入猫眼系统(2)，所述猫眼系统(2)允许高透射光通过，并将其余激光按原路反馈回锥形放大器(6 )中，所述光功率稳定系统(I)接收高透射光，并将光功率信号反馈至电流温控模块(9)，所述电流温控模块(9)与锥形放大器(6)相连，所述锥形放大器(6)后端面输出的激光经过激光整形系统(7)后输出圆形光斑，所述圆形光斑作为激光器的输出。
2.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述光功率稳定系统(I)包括探测器(11)和反馈控制系统(12 )，所述探测器(11)接收高透射光，所述反馈控制系统(12)将光功率信号反馈至电流温控模块(9)。
3.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述猫眼系统(2)包括第二准直透镜(22)和高反射镜(21)，所述高反射镜(21)位于第二准直透镜(22)的焦点上，所述第二准直透镜(22)对进入的激光进行准直后投射到高反射镜(21)上，所述高反射镜(21)允许高透射光通过，并反射其余激光。
4.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述激光整形系统(7)包括非球面透镜(71)和柱透镜(72)，所述非球面透镜(71)对快轴方向的激光进行准直，所述柱透镜(72)对慢轴方向的光进行准直和像散补偿。
5.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述底板(8)上设有制冷模块，所述制冷模块与电流温控模块(9)相连。
6.根据权利要求1或5所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述锥形放大器(6)上还设有半导体制冷器，所述半导体制冷器上设有热敏电阻，所述热敏电阻和半导体制冷器都与电流温控模块(9)相连。
7.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述第一干涉滤光片(3)与第二干涉滤光片(4)的厚度相差0.1?0.01mm。
8.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述第一干涉滤光片(3)与第二干涉滤光片(4)的通光方向上存在一个夹角。
9.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述锥形放大器(6)的前端面上设有增透膜，后端面上设有高反射膜。
10.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱测量的半导体激光器，其特征在于:所述第一干涉滤光片(3)和第二干涉滤光片(4)的前后端面上均设有高反射膜。
【文档编号】H01S5/024GK103779784SQ201410063051
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】殷磊, 蔡圣闻, 姜晓冰, 邵世海, 马康 申请人:南京派光信息技术有限公司