双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器

本发明属于半导体激光器，具体涉及一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光器具有体积小、能耗低、效率高、使用寿命长、调制速度快等优点，所以在激光通信、光存储、激光医疗、激光雷达、激光测距等领域得到了广泛应用。随着半导体激光器的发展以及相关领域的需求，窄线宽和波长可调谐性逐渐成为半导体激光器的发展方向，这通常是将激光二极管集成到一个外部腔中形成外腔半导体激光器来实现的。

2、半导体激光器的工作原理是激励方式，其利用电子在能带间跃迁发光，通过半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜组成谐振腔，光学谐振腔提供光学反馈，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的方向性和单色性。

3、现有技术中的外腔半导体激光器结构如图2所示，包括激光二极管11、准直透镜12、纵模选择元件13、聚焦透镜14和聚焦透镜17、输出耦合镜15、压电陶瓷环16，纵模选择元件13可以是单片纵模选择元件也可以是两片复合后的纵模选择组件，激光二极管11产生的多纵模光束经过准直透镜12得到平行光束，再经过纵模选择元件13进行滤波，滤波后的平行光束经过聚焦透镜14，把平行光束聚焦在位于焦平面的输出耦合镜15上，输出耦合镜15为部分反射镜，部分光被反射沿原光路返回至激光二极管的有源区，输出耦合镜与激光二极管的腔面形成谐振腔，腔长可通过压电陶瓷环16改变，另一部分透过输出耦合镜后为发散光束再经过聚焦透镜17变被平行光束出射，其中旋转纵模选择元件13可对波长进行调谐，纵模选择元件13与光轴的夹角不同时，光在纵模选择元件13中发生干涉后输出的波长不同，由于纵模选择元件13处于激光二极管11与输出耦合镜15形成的谐振腔中，光在谐振腔中多次反射会多次经过纵模选择元件13滤波，起到压窄激光线宽的效果。现有技术中由于聚焦透镜14和17安装时可能存在机械不共轴，会引起出射光光束质量变差，并且聚焦透镜14和17这两个光学元件也容易受到外界机械振动的影响而导致不共轴，从而激光器的不稳定性增加。输出激光的线宽和频率调谐范围是激光器的重要指标，输出激光的线宽依赖于纵模选择元件的带宽和外腔反射率，因此该激光器的外腔反射率由输出耦合镜15自身的特定反射率决定，由于输出耦合镜15为部分反射镜则其反射率受限，使激光线宽和频率调谐范围受到了一定程度的限制；并且更窄带宽的纵模选择元件的设计和加工，是目前的技术瓶颈，虽然现有技术激光器中采用复合纵模选择元件的方法可获得带宽更小的纵模选择组件，但透射率会降低，但因现有技术激光器中纵模选择元件的复合并非最佳角度，达不到复合后带宽和透射率二者综合的最佳值，会导致复合后带宽不够小或透射率较低，因此现有技术中激光器的输出激光线宽和功率受到了限制。

4、综上所述，现有技术中的外腔半导体激光器的输出激光线宽、输出功率和频率调谐范围因其结构而受限。

技术实现思路

1、本发明针对常规干涉滤光片式平面镜反馈外腔半导体激光系统中存在的两方面问题：一是干涉滤光片带宽不够窄，二是反馈量不便调节问题，本发明提供了一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调节半导体激光器，以增加激光器的调谐范围，降低输出激光的线宽。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器，包括：激光二极管、准直透镜、纵模选择组件、第一半波片、偏振分束棱镜、聚焦透镜和零度入射全反射镜；

3、所述激光二极管发出的激光经准直透镜准直为平行光束，然后经纵模选择组件进行滤波后，被第一半波片和偏振分束棱镜组成的分光元件分为两束，其中一束经聚焦透镜会聚后入射至零度入射全反射镜，经零度入射全反射镜反射后沿原路返回至激光二极管内，另一束作为激光系统的输出；

4、所述纵模选择组件包括第一干涉滤光片和第二干涉滤光片，所述第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的参数相同，其光轴与激光光轴的夹角不同并且可调节。

5、所述第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的光轴与激光光轴的夹角分别为θ1和θ2，其满足以下条件：

6、

7、其中，λ0表示第一干涉滤光片和第二干涉滤光片在垂直入射时的透射峰中心波长值，n为第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的等效折射率，ω表示第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的透射峰的半高宽。

8、所述偏振分束棱镜的透射光入射至所述聚焦透镜，反射光作为激光系统的输出。

9、所述零度入射全反射镜上设置有压电陶瓷，所述压电陶瓷用于调节零度入射全反射镜与激光二极管之间的距离进而改变激光器外腔腔长。

10、所述压电陶瓷设置在零度入射全反射镜之后。

11、所述的一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器，还包括可调节镜架，所述第一干涉滤光片和第二干涉滤光片设置在可调节镜架上，所述可调节镜架用于调节第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的角度以改变其入射角。

12、所述聚焦透镜为猫眼透镜。

13、所述的一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器，其调节方法包括以下步骤：

14、s1、调节聚焦透镜的焦点位于零度入射全反射镜上；

15、s2、调节零度入射全反射镜的角度，使激光反馈回激光二极管的芯区，观测电流阈值，使阈值最低；

16、s3、根据实际应用中所需中心波长，计算第一干涉滤光片的入射角度θ1；计算公式为：

17、

18、然后计算第二干涉滤光片的入射角度θ2；计算公式为：

19、

20、其中，λ(θ1)表示实际应用中所需中心波长，λ0表示第一干涉滤光片和第二干涉滤光片在垂直入射时的透射峰中心波长值，θ1和θ2分别表示第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的入射角，n为第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的等效折射率，ω表示第一干涉滤光片和第二干涉滤光片的透射峰的半高宽；

21、最后，根据计算结果设置两个干涉滤光片，先固定其中一个干涉滤光片，然后微调另一干涉滤光片的角度，测量激光器输出激光线宽，选择线宽最小的角度固定干涉滤光片。

22、所述的一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调半导体激光器，还包括器件座和底座，所述器件座为黄铜材料制成，用于固定各个光学器件，所述底座为铝制成，用于承载所述器件座，所述器件座与底座之间设置有tec控温元件。

23、所述第一半波片、偏振分束棱镜的入射角为1～2度。

24、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

25、1、本发明提供了一种双干涉滤光片特殊角度复合的反馈量可调节半导体激光器，通过相同的干涉滤波片在特殊角度复合得到纵模选择组件，可实现对激光线宽进一步压窄，特殊角度的复合相比其他复合方式，可实现复合后带宽和透射率二者综合最优的结果，其中，激光二极管发出的光在外腔中多次经过复合的干涉滤波片滤波，使激光系统输出线宽更窄的激光，而且，其调节过程仅基于滤波片的角度变化，无需更换滤波片，调节过程简单。

26、2、此外，本发明通过半波片和偏振分束棱镜组成的可调分光器件可以大范围、方便地调节激光系统的光学反馈量，进而改变激光器的激光线宽和最大波长调谐范围，提高了激光器调节的参数调节范围。本发明中的外腔激光器在仅使用一组光学元件的情况下，可实现输出激光线宽可变、波长调谐范围可变，而且结构简单，调谐方便，可应用于高分辨光谱测量、光泵原子磁强计、中性原子的激光冷却与俘获、微波频率冷原子喷泉钟、光频冷原子或冷离子钟、里德堡原子微波电场测量等领域。