一种光栅外腔反馈半导体激光器及其调节方法与流程

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光栅外腔反馈半导体激光器及其调节方法。

背景技术：

半导体激光器是以半导体材料作为光增益介质而产生受激辐射的激光器。通过光注入或电注入的方法，将载流子注入直接带隙半导体pn结中，实现粒子数反转，经受激辐射产生的光在光学谐振腔中振荡并得到放大，形成相干输出，产生激光。近年来，半导体激光器以其体积小、结构简单、功耗低、易于调谐、波长覆范范围大等优点受到人们的热切关注，并广泛地应用于光通信、激光光谱、激光冷却与俘获以及光学测量等科研领域。而光栅反馈半导体激光器因其具有窄线宽、单模输出、连续可调谐等优点，适用于很多科学研究及精密测量领域。不过用来构成反馈的光栅外腔使激光器频率对机械结构以及空气的流动都非常敏感，而现有的技术中激光二极管、反馈光栅和平面镜为分开独立设置的结构，如此很容易使得激光二极管、反馈光栅和平面镜之间产生相对的移动，从而导致半导体激光器的工作不能长期保持在稳定状态。所以优化它的机械结构，从而提高机械稳定性成为改进光栅反馈半导体激光器特性的关键问题。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术中激光二极管、反馈光栅和平面镜为分开独立设置的结构，容易产生相对移动，导致半导体激光器的工作不能长期保持在稳定状态的问题提供了一种结构紧凑，工作稳定的光栅外腔反馈半导体激光器及其调节方法。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种光栅外腔反馈半导体激光器，包括外壳、基板、光栅架、激光二极管、平面镜、压板、垫环、反馈光栅、压电陶瓷、帕尔贴和垫圈；

所述外壳包括侧面板、侧罩体和底座，所述侧面板设置在底座的上表面后侧，在所述侧面板上设置有控制孔，用以使电流控制器与激光二极管之间的控制线、温度控制器与帕尔贴之间的控制线以及高压放电器与压电陶瓷之间的控制线穿过，所述侧罩体盖在底座的上表面与侧面板形成保护罩，在所述侧罩体的前侧板上设置有通光孔，在所述侧罩体的左侧板设有调节孔；

所述基板包括基板本体和上端盖，在所述基板本体的上表面设置有水平凹槽，在水平凹槽内设置有一号凸起，在基板本体的后侧面中部设置有侧面凹槽，在侧面凹槽的前侧连通设置有一号通光腔，在一号通光腔的前侧连通设置有透镜安装孔，所述透镜安装孔与水平凹槽连通，在水平凹槽的后侧设有矩形通槽，且使矩形通槽位于侧面凹槽和一号通光腔的前侧，在基板本体的后侧面设置有两个左右对称的一号螺纹孔和两个左右对称的通孔，一号螺纹孔和通孔连通至矩形通槽，在基板本体上矩形通槽的前侧设有与两个通孔相对应的两个二号螺纹孔，在相对应的通孔和二号螺纹孔内设置有一个螺钉，通过拧紧螺钉实现将矩形通槽的两侧拉紧从而达到调节侧面凹槽倾斜角度的目的，在两个一号螺纹孔内分别设置有一个螺钉，通过拧紧螺钉实现将矩形通槽的两侧撑开，以达到调节侧面凹槽倾斜角度的目的，在基板本体的左侧设置有调节螺纹孔，在所述基板本体的前侧设置有二号通光腔，所述二号通光腔与通光孔的位置相对应，在所述基板本体的右侧设置有复位通孔和弹簧固定孔，所述调节螺纹孔、二号通光腔和复位通孔均与水平凹槽相通，在所述调节螺纹孔设置有一个螺钉，所述调节螺纹孔和调节孔相通，以方便安装上外壳也能调节光栅架的旋转，在所述基板的底部设置有固定小孔，在所述上端盖的下表面设有与水平凹槽上的一号凸起相同的二号凸起，所述上端盖盖在水平凹槽上方；

在所述光栅架的上下表面分别设置有与一号凸起和二号凸起相对应的凹槽，在凹槽内设置有异形通槽，用于安装平面镜、压板、垫环、反馈光栅和压电陶瓷，在所述光栅架的前后侧面分别设置有三号通光腔和四号通光腔，所述三号通光腔和透镜安装孔相通，所述四号通光腔和二号通光腔相连通，在所述光栅架的右侧设置有弹簧安装孔，所述弹簧安装孔和复位通孔相连通；

所述压电陶瓷安装在光栅架上的异形通槽的右侧面，反馈光栅通过压板压装在压电陶瓷的左侧，在所述压板和反馈光栅之间设置有垫环，所述平面镜安装在光栅架上的异形通槽的左侧面上，所述激光二极管安装在基板上的侧面凹槽内，在所述透镜安装孔内安装有准直透镜，所述光栅架安装在基板上的水平凹槽内，并通过上端盖将光栅架固定在水平凹槽内，通过凹槽与一号凸起和二号凸起配合限制光栅架只能绕凹槽的轴线在同一平面内做旋转运动，在所述弹簧安装孔内安装有弹簧，弹簧的一端固定在弹簧安装孔内，另一端穿过复位通孔固定在弹簧固定孔内，用以对旋转过的光栅架进行复位，在固定小孔内设置有热敏电阻并用棉花塞紧，所述基板固定在外壳的底座上，并被侧面板和侧罩体罩住。

进一步，在热敏电阻和固定小孔的内壁之间还设置有导热硅脂层，以使热敏电阻更好的感应温度。

再进一步，在所述光栅架的左侧面与调节螺纹孔对应的位置镶嵌有蓝宝石垫板，所述调节螺纹孔内螺钉的螺钉头为球形，以使通过螺钉调节光栅架旋转时能够连贯持续不会出现卡顿现象。

更进一步，所述底座从上往下分为三层，最上层用于固定基板，中间层用于固定侧面板和侧罩体，最后一层用于固定底座至工作台上。

更进一步，在所述底座的左右两侧设置有安装槽，在所述安装槽内设置有压脚，底座通过压脚固定在工作台上，用以稳固底座。

更进一步，在所述上端盖的二号凸起上套设有垫圈。

更进一步，所述垫环为橡胶垫。

一种光栅外腔反馈半导体激光器的调节方法，包括以下步骤：

a、通过拧紧通孔和二号螺纹孔的螺钉拉紧矩形通槽的两侧或拧紧两个一号螺纹孔内的螺钉将矩形通槽的两侧撑开，即可调节激光二极管的俯仰角度；

b、通过旋转调节螺纹孔内的螺钉使光栅架以凹槽圆心所在的轴线为转动轴转动，即可调节反馈光栅和平面镜相对于激光二极管输出光束的位置；

c、通过改变压电陶瓷的电压，使得压电陶瓷进行伸缩从而推动反馈光栅移动改变反馈光栅的光栅反馈角度，又由于垫环可弹性变形，使得反馈光栅移动时会受到垫环的回复力，使得压电陶瓷的反馈控制带增加，从而使得激光器稳频更稳定。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明的光栅外腔反馈半导体激光器将现有技术中激光二极管、反馈光栅和平面镜分开独立设置的结构整合为一个整体结构，即将半导体激光器设置在基板的侧面凹槽中，将反馈光栅和平面镜设置在光栅架上的异形通槽内，然后将光栅架设置在基板的水平凹槽，同时保证由激光二极管发出的光束经反馈光栅衍射后，零级衍射光可以由平面镜反射输出，相比于分离设置的结构，本发明的光栅外腔反馈半导体激光器在使用过程中，激光二极管不会相对于反馈光栅刻线做移动，而且反馈光栅不会相对于基板上下晃动，以保证平面镜反射的输出光束的方向不变，这不仅使的半导体激光器具有较宽的调谐范围，而且使半导体激光器调节更简便，从而为批量生产提供方案；

2、本发明采用紧凑的整体腔结构，不仅缩小了半导体激光器的体积而且提高了半导体激光器长期工作的稳定性；

3、本发明通过设计独立调节激光二极管俯仰方向以及反馈光栅轴向转角方向来调节反馈光栅对激光二极管的反馈，使得调节更简便，从而为批量生产提供方案；

4、本发明利用凹槽与一号凸起和二号凸起配合限制光栅架只能绕凹槽的轴线在同一平面内做旋转运动使得半导体激光器具有较宽的调谐范围；

5、本发明将激光二极管固定于基板的侧面凹槽内,不仅减少了装配时的人为因素误差，更重要的是提高了准直度，增加了整体的机械稳定性；

6、本发明将热敏电阻与固定小孔之间设置了导热硅脂层并通过棉花塞紧可以更精确的感应半导体激光器的温度；

7、本发明在反馈光栅和压板之间设置了橡胶垫环7，使得反馈光栅在伸缩时收到橡胶垫环7的回复力，使得压电陶瓷反馈控制带宽增加，从而使半导体激光器稳频更稳定，不仅为反馈光栅的调节带来便利，同时相较原有的光栅外腔反馈半导体激光器，稳定度显著提升；

8、本发明在光栅架的左侧面与调节螺纹孔对应的位置镶嵌有蓝宝石垫板，调节螺纹孔内螺钉的螺钉头为球形，以使通过螺钉调节光栅架旋转时能够连贯持续不会出现卡顿现象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明无压脚的左视图；

图3为本发明光栅架上的安装示意图；

图4为本发明外壳的结构示意图；

图5为本发明侧面板的示意图；

图6为本发明侧罩体的后视图；

图7为本发明基板本体的结构示意图；

图8为本发明基板本体的俯视图；

图9为本发明上端盖的左视图；

图10为本发明光栅架的结构示意图；

图11为本发明光栅架的俯视图；

图12为本发明蓝宝石垫板的左视图；

图13为本发明压板的示意图；

图14为本发明压电陶瓷的示意图；

图15为本发明光栅外腔反馈半导体激光器配套使用的饱和吸收装置的俯视示意图；

图16为本发明的光栅外腔反馈半导体激光器的饱和吸收谱；

图17为本发明的光栅外腔反馈半导体激光器的功率图；

其中外壳—1、基板—2、光栅架—3、激光二极管—4、平面镜—5、压板—6、垫环—7、反馈光栅—8、压电陶瓷—9、帕尔贴—11、垫圈—13、二分之一波片—14、棱镜—15、铯原子池—16、全反镜—17、分束镜—18、高增益探测器—19、侧面板—101、侧罩体—102、底座—103、控制孔—104、通光孔—105、调节孔—106、安装槽—107、压脚—108、水平凹槽—201、一号凸起—202、侧面凹槽—203、一号通光腔—204、透镜安装孔—205、矩形通槽—206、一号螺纹孔—207、通孔—208、二号螺纹孔—209、调节螺纹孔—210、二号通光腔—211、复位通孔—212、基板本体—213、上端盖—214、固定小孔—215、弹簧固定孔—216、二号凸起—217、凹槽—301、异形通槽—302、四号通光腔—303、三号通光腔—304、弹簧安装孔—305、蓝宝石垫板—306。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图14所示，一种光栅外腔反馈半导体激光器，包括外壳1、基板2、光栅架3、激光二极管4、平面镜5、压板6、垫环7、反馈光栅8、压电陶瓷9、帕尔贴11和垫圈13；

所述外壳1包括侧面板101、侧罩体102和底座103，所述侧面板101设置在底座103的上表面后侧，在所述侧面板101上设置有控制孔104，用以使电流控制器与激光二极管4之间的控制线、温度控制器与帕尔贴11之间的控制线以及高压放电器与压电陶瓷9之间的控制线穿过，所述侧罩体102盖在底座103的上表面与侧面板101形成保护罩，在所述侧罩体102的前侧板上设置有通光孔105，在所述侧罩体102的左侧板设有调节孔106，所述底座103从上往下分为三层，最上层用于固定基板2，中间层用于固定侧面板101和侧罩体102，最后一层用于固定底座103至工作台上，在所述底座103的左右两侧设置有安装槽107，在所述安装槽107内设置有压脚108，底座103通过压脚108固定在工作台上，用以稳固底座103；

所述基板2包括基板本体213和上端盖214，在所述基板本体213的上表面设置有水平凹槽201，在水平凹槽201内设置有一号凸起202，在基板本体213的后侧面中部设置有侧面凹槽203，在侧面凹槽203的前侧连通设置有一号通光腔204，在一号通光腔204的前侧连通设置有透镜安装孔205，所述透镜安装孔205与水平凹槽201连通，在水平凹槽201的后侧设有矩形通槽206，且使矩形通槽206位于侧面凹槽203和一号通光腔204的前侧，在基板本体213的后侧面设置有两个左右对称的一号螺纹孔207和两个左右对称的通孔208，一号螺纹孔207和通孔208连通至矩形通槽206，在基板本体213上矩形通槽206的前侧设有与两个通孔208相对应的两个二号螺纹孔209，在相对应的通孔208和二号螺纹孔209内设置有一个螺钉，通过拧紧螺钉实现将矩形通槽206的两侧拉紧从而达到调节侧面凹槽203倾斜角度的目的，在两个一号螺纹孔207内分别设置有一个螺钉，通过拧紧螺钉实现将矩形通槽206的两侧撑开，以达到调节侧面凹槽203倾斜角度的目的，在基板本体213的左侧设置有调节螺纹孔210，在所述基板本体213的前侧设置有二号通光腔211，所述二号通光腔211与通光孔105的位置相对应，在所述基板本体213的右侧设置有复位通孔212和弹簧固定孔216，所述调节螺纹孔210、二号通光腔211和复位通孔212均与水平凹槽201相通，在所述调节螺纹孔210设置有一个螺钉，且调节螺纹孔210内螺钉的螺钉头为球形，所述调节螺纹孔210和调节孔106相通，以方便安装上外壳1也能调节光栅架3的旋转，在所述基板2的底部设置有固定小孔215，在所述上端盖214的下表面设有与水平凹槽201上的一号凸起202相同的二号凸起217，所述上端盖214盖在水平凹槽201上方；

在所述光栅架3的上下表面分别设置有与一号凸起202和二号凸起217相对应的凹槽301，在凹槽301内设置有异形通槽302，用于安装平面镜5、压板6、垫环7、反馈光栅8和压电陶瓷9，在所述光栅架3的前后侧面分别设置有三号通光腔304和四号通光腔303，所述三号通光腔304和透镜安装孔205相通，所述四号通光腔303和二号通光腔211相连通，在所述光栅架3的右侧设置有弹簧安装孔305，所述弹簧安装孔305和复位通孔212相连通，在所述光栅架3的左侧面与调节螺纹孔210对应的位置镶嵌有蓝宝石垫板306，以使通过螺钉调节光栅架3旋转时能够连贯持续不会出现卡顿现象；

所述压电陶瓷9安装在光栅架3上的异形通槽302的右侧面，反馈光栅8通过压板6压装在压电陶瓷9的左侧，在所述压板6和反馈光栅8之间设置有垫环7，所述垫环7为橡胶垫，所述平面镜5安装在光栅架3上的异形通槽302的左侧面上，所述激光二极管4安装在基板2上的侧面凹槽203内，在所述透镜安装孔205内安装有准直透镜，所述光栅架3安装在基板2上的水平凹槽201内，并通过上端盖214将光栅架3固定在水平凹槽201内，通过凹槽301与一号凸起202和二号凸起217配合限制光栅架3只能绕凹槽301的轴线在同一平面内做旋转运动，在所述上端盖214的二号凸起217上套设有垫圈13，在所述弹簧安装孔305内安装有弹簧，弹簧的一端固定在弹簧安装孔305内，另一端穿过复位通孔212固定在弹簧固定孔216内，用以对旋转过的光栅架3进行复位，在固定小孔215内设置有热敏电阻在热敏电阻和固定小孔215的内壁之间还设置有导热硅脂层，并用棉花塞紧，所述基板2固定在外壳1的底座上，并被侧面板101和侧罩体102罩住。

一种光栅外腔反馈半导体激光器的调节方法，包括以下步骤：

a、通过拧紧通孔208和二号螺纹孔209的螺钉拉紧矩形通槽206的两侧或拧紧两个一号螺纹孔207内的螺钉将矩形通槽206的两侧撑开，即可调节激光二极管4的俯仰角度；

b、通过旋转调节螺纹孔210内的螺钉使光栅架3以凹槽301圆心所在的轴线为转动轴转动，即可调节反馈光栅8和平面镜5相对于激光二极管4输出光束的位置；

c、通过改变压电陶瓷9的电压，使得压电陶瓷9进行伸缩从而推动反馈光栅8移动改变反馈光栅8的光栅反馈角度，又由于垫环7可弹性变形，使得反馈光栅8移动时会受到垫环7的回复力，使得压电陶瓷9的反馈控制带增加，从而使得激光器稳频更稳定。

以下提供本发明的光栅外腔反馈半导体激光器的测试结果。

测试1

该测试利用饱和吸收装置测试光栅外腔反馈半导体激光器的调谐范围，其发明构思是将原先分离设置的结构转换为稳定的整体外腔结构，即激光二极管4不会相对于反馈光栅8刻线做移动，而且反馈光栅8不会相对于基板上下晃动，以保证平面镜5反射的输出光束的方向不变，进而增加了激光器的调谐范围。

具体而言，如图15所示，852nm光栅外腔反馈半导体激光器输出激光经二分之一波片14和棱镜15分为功率不等的两路，较弱光经过铯原子池16后到达99:1分束镜18上，较强光束经过两个全反镜17后也入射到分束镜18上，且保证较强光束与较弱光束在铯原子池内完全重合。两束光在分束镜18上1％的光透射并由高增益探测器19探测，探测到的饱和吸收谱如图16所示。由此可知，将原先分离设置的结构转换为稳定的整体外腔结构后，激光器的调谐范围明显加宽，符合预期的结果。

测试2

该测试通过功率计测试光栅外腔反馈半导体激光器的功率稳定性，测试结果如图17，由此可知，将原先分离设置的结构转换为稳定的整体外腔结构后，光栅反馈半导体激光器的功率十分稳定，可被应用于腔与原子的相互作用的实验中。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。