專利名稱：光柵外腔半導體激光器和準同步調諧方法
技術領域：
本發明涉及本導體激光器技術，特別是指 一 種掠入射
(Littman )結構和掠衍射結構中光柵外腔半導體激光器和準同步調 諧方法。
背景技術：
現有常規的同步調諧掠入射結構(Littman結構)外腔半導體激 光器結構如圖1所示，包括半導體激光管(LD) 1、非球面準直透 鏡(AL) 3、光柵(GT) 12、反饋反射鏡(M) 5。
圖1中，N表示光柵法線；ei表示半導體激光管l發出的經準直 透鏡3準直后的光束在光柵上的入射角；9d表示所述光束在光柵上 的衍射角。G表示所述光束的中心線與光柵12的衍射表面的交點。 SL表示半導體激光管1等效后表面，它垂直于半導體激光管1發出 的所述光束的中心線，它距G點的距離等于/7; SG表示光柵衍射表 面所在平面；SM表示反饋反射鏡5的反射表面所在的平面，該平面 距G點的距離為/2。 〃為G點到平面SL的距離，它等于G點到半 導體激光管1后端反射面的光學距離(由于受半導體激光管1的增益 介質和準直透鏡3折射率等因素影響，該距離 〃 與半導體激光管1 到所述G點的實際距離相比略長。也就是說平面SL相對于實際的半 導體激光管1后表面更遠離G點)；/2為G點到平面SM的距離， 它等于G點到反饋反射鏡5的反射表面的光學距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標系xOy， x軸為半導體激光管 1發出的所述光束中心線，方向為所述光束(傳輸)方向；y軸為平 面SL與光路面的交線，本實施例中方向為x軸順時針90度方向； 坐標原點O為所述光束的中心線與平面SL的交點。P (x，y)表示4壬意的反射鏡調諧轉動中心；P0 (x0，y0)表示反射鏡常規的同步頻率 調諧轉動中心。x的絕對值為反射鏡轉動中心P到平面SL的距離； u的絕對值為反射鏡轉動中心P到平面SM的距離；v的絕對值為反 射鏡轉動中心P到平面SG的距離。x0的絕對值為反射鏡常規的同 步頻率調諧轉動中心P0到平面SL的距離；u0的絕對值為反射鏡常 規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SM的距離。
本申請人在先提交的申請號為"200810097085.4"的中國專利申 請中，還提出了一種光柵掠衍射結構外腔半導體激光器，其結構如圖 2所示，包括半導體激光管(LD) 1、非球面準直透鏡(AL) 3、 光柵(GT) 12、反饋反射鏡(M) 5。
圖2中，N表示光柵法線；ei表示半導體激光管1發出的經準直 透鏡3準直后的光束在光柵上的入射角；ed表示所述光束在光柵上 的衍射角。G表示所述光束的中心線與光柵12的衍射表面的交點。 SL表示半導體激光管1等效后表面，它垂直于半導體激光管1發出 的所述光束的中心線，它距G點的距離等于〃；SG表示光柵衍射表 面所在平面；SM表示反饋反射鏡5的反射表面所在的平面，該平面 距G點的距離為/2。 〃為G點到平面SL的距離，它等于G點到半 導體激光管1后端反射面的光學距離(由于受半導體激光管1的增益 介質和準直透鏡3折射率等因素影響，該距離/7與半導體激光管1 到所述G點的實際距離相比略長。也就是說平面SL相對于實際的半 導體激光管1后表面更遠離G點)；/2為G點到平面SM的距離， 它等于G點到反饋反射鏡5的反射表面的光學距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標系xOy， x軸為半導體激光管 1發出的所述光束的中心線，方向為所述光束(傳輸)方向；y軸為 平面SL與光路面的交線，本實施例中方向為x軸順時針90度方 向；坐標原點O為所述光束的中心線與平面SL的交點。P(x，y)表 示任意的反射鏡調諧轉動中心；P0 (x0，y0)表示反射鏡常規的同步 頻率調諧轉動中心。x的絕對值為反射鏡轉動中心P到平面SL的距 離；u的絕對值為反射鏡轉動中心P到平面SM的距離；v的絕對值為反射鏡轉動中心P到平面SG的距離。x0的絕對值為反射鏡常規 的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SL的距離；u0的絕對值為反射 鏡常規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SM的距離。
圖1和圖2中， 〃 和/2分別表示G點到半導體激光管1后端反 射面和反饋反射鏡5的光學距離，即光柵外腔的兩個子光學腔長，它 們的和/ =〃 + /2表示整個光柵外腔激光器的光學腔長。在點P=P0， v=0。圖1和圖2中表示相互位置的參數x、 u和v的符號規定為， 若所述光束與轉動中心在其基準平面的同側，則為正，反之為負。其 中，x的基準平面為平面SL， u的基準平面為平面SM， v的基準平 面為平面SG。根據上述規則可以看出，在圖1中對于P點，u、 x為 正，v為負，對于P0點，uO為正，xO為負。在圖2中，對于P點，
為正，v為負，對于PO點，xO為正，uO為負。
在圖1和圖2所示的上述兩種結構中，半導體激光管l發出的激 光經非球面鏡3準直后，入射在衍射光柵12上。光柵12的一級衍射 光正入射在反饋反射鏡5上，該光束在反射鏡5上被反射后，沿著與 入射光共線反向的路徑，按原路被光柵12再次衍射后，經非球面鏡 3返回到半導體激光管1中。
激光波長或頻率的調諧，是通過轉動反射鏡5，從而改變光線在 光柵12上的衍射角實現的。然而，在轉動反射鏡5的過程中，光柵 12的選頻作用和反射鏡5經過光柵12與半導體激光管1等效后表面 SL構成的F-P外腔的選頻作用同時被改變。 一般而言，上述改變不 是同步的，從而將引起激光模式的跳模變化，中斷了激光頻率的連續 調諧，使得可得到的激光頻率不跳模連續調諧范圍非常小，例如l至 2個GHz。為了實現激光波長或頻率的同步調諧，即實現不跳模的頻 率連續調諧， 一般需要反饋反射鏡5的調諧同時滿足兩個條件
<formula>formula see original document page 9</formula>
即滿足同步調諧的x0、 u0、 v0由上述兩個方程限制，滿足這種 條件的反射鏡5轉動中心稱為激光頻率的常規同步調諧轉動中心，以過常規同步調諧轉動中心P()且垂直于光路面的直線為軸轉動。
若光柵外腔激光器的光學腔長/、子腔長 〃、光柵常數d、入射
角9i和激光波長入已確定，則在x, y平面上，滿足條件(1)和 (2)的x0和y0的軌跡^f又為x、 y平面上的一點，該點的坐標P0 (x0,y0)為
x0= 〃- / d sin(9i) / i (3) y()二 / d cos(ei) /入 (4)
其中，x0為調諧轉動中心P0在x軸的坐標值，其絕對值等于所 述調諧轉動中心P()到平面SL的距離，x0符號的規定為，若所述半 導體激光管1發出到光柵12的入射光線與轉動中心在其基準平面的 同側，則為正，反之為負，其中，x0的基準平面為平面SL (由于本 發明中默認x軸的方向與所述半導體激光管1發出的入射到光柵12 的光束方向相同，因此通過該符號規定所確定的xq符號與xq坐標 值的符號相符)。yO為調諧轉動中心P0在y軸的坐標值，其絕對值 等于該調諧轉動中心P0到所述入射光束中心線，即x軸的距離，yq 的符號即為y0坐標值的符號，公式(4)是根據圖1和圖2中所示的 y軸方向推導得出的；如果y軸方向為x軸逆時針90度方向，公式 (4)中y0前應為負號。
為了實現波長或頻率的同步調諧，外腔半導體激光器的機械設計 上，必須保證上述兩個約束條件同時被滿足，這意味著需要兩個具備 獨立自由度的調整機構。并且轉動中心P0的位置不能離開光柵12 表面所在的平面SG。這種限制使得在許多情況下，激光器的結構設 計、調整和應用是十分不利的，同時造成了機械系統的復雜性并增加 了不穩定因素。
實際中在許多情形下，大的連續不跳模調諧范圍還受到許多其它 因素影響，例如半導體激光管l表面是否鍍有增透膜和鍍膜質量等。 然而， 一般近百個GHz甚至幾十個GHz的激光頻率的連續調諧范圍 已經能夠滿足相當多應用的需求。

發明內容
有鑒于此，本發明提出一種光柵外腔半導體激光器和準同步調諧 方法，易于設計實現激光同步轉動的頻率或波長調諧。。
基于上述目的本發明提供了一種光柵外腔半導體激光器的準同步 調諧方法，在該光柵外腔半導體激光器中，半導體激光管發出的激光 光束經非球面鏡準直后，入射在光柵上，光柵的一級衍射光正入射在 反饋反射鏡上，該一級衍射光束在反射鏡上被反射后，沿著與入射光 束共線反向的路徑，按原路被光柵再次衍射后，經非球面鏡返回到半 導體激光管中，其中，在通過轉動所述反射鏡進行激光的輸出頻率調
諧時，使反射鏡的調諧轉動中心的位置(uq， vq)滿足關系式(uq-u0) cos(0d) + vq = 0;
其中，ed為所述光束在光柵上的衍射角，uq的絕對值為該調諧 轉動中心到反射鏡的反射表面所在的平面的距離，vq的絕對值為該 調諧轉動中心到光柵衍射表面所在平面的距離，u0的絕對值為反射 鏡常規的同步頻率調諧轉動中心到所述反射鏡的反射表面所在的平面
的距離；
uq和vq的符號規定為，若所述入射光線與轉動中心在其基準平 面的同側，則為正，反之為負，其中，uq的基準平面為反射鏡的反 射表面所在的平面，vq的基準平面為光柵衍射表面所在平面。
可選的，該方法中若光柵外腔激光器的光學腔長/、所述輸入光 束的中心線在光柵的衍射表面的交點到半導體激光管后端反射面的光 學距離、光柵常數、入射光束在光柵上的入射角和半導體激光管輸出 激光波長都為確定尺寸，則在通過轉動所述反射鏡進行激光的輸出頻 率調諧時，使反射鏡的調諧轉動中心的位置(xq， yq)滿足關系 式yq - y0 = (xq - x()) tan(6i-ed);
其中，x軸為半導體激光管發出的所述光束的中心線，其方向為 所述光束方向；y軸為半導體激光管等效后表面與光路面的交線，方 向為x軸順時針90度方向；坐標原點O為所述光束的中心線與平面 SL的交點；x0、 y()為常規的同步頻率調諧轉動中心在xOy坐標系中的坐標；9i為所述入射光束在光4冊上的入射角。
可選的，該方法通過在一個或一個以上自由度上調節所述反射鏡 的調諧轉動中心的位置，使半導體激光器的反射鏡調諧轉動中心的位 置滿足所述關系式。
可選的，該方法在所述半導體激光器中設置一個自由度的反射鏡 調諧轉動中心調節機構，該調節機構能夠使反射鏡調諧轉動中心到達
滿足所述關系式的至少 一 個點上；并設置反射鏡轉動調節機構使反射 鏡以所述調諧轉動中心為軸轉動；
通過所述反射鏡調諧轉動中心調節機構，使反射鏡調諧轉動中心 在所述自由度上向一個方向位移；
調節反射鏡轉動調節機構并檢測半導體激光器輸出激光的頻率連 續調節范圍，判斷該頻率連續調節范圍是否隨光柵調諧轉動中心位置 的改變而增大，若是，則使反射鏡調諧轉動中心繼續沿該方向位移， 直到輸出激光頻率連續調節范圍滿足應用的需求；否則，沿與當前位 移方向的相反方向位移所述反射鏡調諧轉動中心，直到輸出激光頻率 連續調節范圍滿足應用的需求。
可選的，該方法所述光柵外腔半導體激光器為掠入射Littman結 構或掠衍射結構。
基于上述目的本發明還提供了一種光柵外腔半導體激光器，包 括半導體激光管、非球面準直透鏡、光柵、反射鏡，半導體激光管 發出的激光光束經非球面鏡準直后，入射在光柵上，光柵的一級衍射 光正入射在反射鏡上，該一級衍射光束在反射鏡上被反射后，沿著與 入射光束共線反向的路徑，按原路被光柵再次衍射后，經非球面鏡返 回到半導體激光管中，其中，還包括
反射鏡調諧轉動中心調節機構，用于調節反射鏡調諧轉動中心，
使反射鏡的調諧轉動中心的位置(uq， vq)滿足關系式<formula>formula see original document page 12</formula>其中，9d為所述光束在光柵上的衍射角，uq為該調諧轉動中心到反射鏡的反射表面所在的平面的距離，vq為該調諧轉動中心到光 柵衍射表面所在平面的距離，uO為反射鏡常規的同步頻率調諧轉動 中心到所述反射鏡的反射表面所在的平面的距離；
uq和vq的符號規定為，若所述入射光線與轉動中心在其基準平 面的同側，則為正，反之為負，其中，叫的基準平面為反射鏡的反 射表面所在的平面，vq的基準平面為光柵衍射表面所在平面；
以及反射鏡轉動調節機構，使反射鏡以所述調諧轉動中心為軸轉動。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，若光柵外腔激光器的光學 腔長/、所述輸入光束的中心線在光柵的衍射表面的交點到半導體激 光管后端反射面的光學距離、光柵常數、入射光束在光柵上的入射 角、半導體激光管輸出激光波長都為確定尺寸，則所述光柵調諧轉動 中心調節機構，使反射鏡的調諧轉動中心的位置(xq， yq)滿足關 系式yq - y0 = (xq - x0) tan(9i-ed);
其中，x軸為半導體激光管發出的所述光束的中心線，其方向為 所述光束方向；y軸為半導體激光管等效后表面與光路面的交線，方 向為x軸順時針卯度方向；坐標原點O為所述光束的中心線與平面 SL的交點；x()、 y()為常規的同步頻率調諧轉動中心在xOy坐標系 中的坐標；ei為所述入射光束在光柵上的入射角。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，所述反射鏡調諧轉動中心 調節機構在一個或一個以上自由度上調節所述反射鏡調諧轉動中心的 位置。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，所述反射鏡調諧轉動中心 調節機構，使反射鏡調諧轉動中心在一個自由度上向一個方向位移； 調節反射鏡轉動調節機構并檢測半導體激光器輸出激光的頻率連續調 節范圍，判斷該頻率連續調節范圍是否隨光柵調諧轉動中心位置的改 變而增大，若是，則調節所述反射鏡調諧轉動中心調節機構使反射鏡 調諧轉動中心繼續沿該方向位移，直到輸出激光頻率連續調節范圍滿
足應用的需求；否則，調節所述反射鏡調諧轉動中心調節機構，沿與當前位移方向的相反方向位移所述反射鏡調諧轉動中心，直到輸出激 光頻率連續調節范圍滿足應用的需求。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，所述反射鏡調諧轉動中心 調節機構為反射鏡調諧轉動中心微調螺釘，反射鏡轉動調節機構為激
光頻率調諧微調螺釘，并且該半導體激光器還包括反射鏡調節架動 板和固定在所述光柵外腔半導體激光器底板上的反射鏡調節架定板；
反射鏡被固定在所述反射鏡調節架動板上，激光頻率調諧微調螺 釘和反射鏡調諧轉動中心微調螺釘設置在所述光柵調節架定板上，反 射鏡調諧轉動中心位于反射鏡調諧轉動中心微調螺釘的中心軸線上； 通過調節反射鏡調諧轉動中心微調螺釘帶動反射鏡調節架動板移動， 使反射鏡調諧轉動中心到達滿足所述關系式的位置；通過調節激光頻 率調諧微調螺釘帶動反射鏡調節架動板，使其上的反射鏡繞所述反射 鏡調諧轉動中心轉動。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，所述反射鏡轉動調節機構 還包括壓電陶瓷，設置在所述反射鏡調節架動板和激光頻率調諧微 調螺釘之間，用于對反射鏡調節架動板的轉動做精細調節。
可選的，該光柵外腔半導體激光器中，所述光柵外腔半導體激光 器為掠入射Littman結構或掠衍射結構。
從上面所述可以看出，本發明提供的光柵外腔半導體激光器和準 同步調諧轉動中心選擇方法，減少了約束條件數目，將兩個約束條件 減少為一個，從而調整機構僅需一個自由度。去除了轉動中心的位置 不能離開光柵表面所在的平面SG的限制。使得同步調諧具有更多的 選擇和更大的發揮余地和空間。易于設計實現激光的同步轉動頻率或 波長調諧，使得結構更加穩定，更加簡單和容易調整。


圖1為現有同步調諧Littman結構外腔半導體激光器的結構示意
圖2為光柵掠衍射結構外腔半導體激光器的結構示意圖；圖3為本發明實施例準同步調諧Littman結構外腔半導體激光器 的結構示意圖4為本發明實施例準同步調諧掠衍射結構外腔半導體激光器的 結構示意圖5為本發明實施例帶有調節部件的準同步調諧Littman結構外 腔半導體激光器的結構示意圖6為本發明實施例帶有調節部件的準同步調諧光柵掠衍射外腔 半導體激光器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明進行更全面的描述，其中說明本發明的示 例性實施例。
本發明提出采用準同步調諧方法實現激光頻率的連續調諧，它包 含了常規的同步調諧條件在內。本發明 一個實施例的準同步調諧掠入 射(Littman)結構光柵反饋外腔半導體激光器結構如圖3所示，包 括半導體激光管(LD) 1、非球面準直透鏡(AL) 3、光柵 (GT) 12和反々貴反射鏡(M) 5。
圖3中，N表示光柵法線；9i表示半導體激光管l發出的經準直 透鏡3準直后的光束在光柵上的入射角；0d表示所述光束在光柵上 的衍射角。G表示所述光束的中心線與光柵12的衍射表面的交點。 SL表示半導體激光管1等效后表面，它垂直于半導體激光管1發出 的所述光束的中心線，它距G點的距離等于〃；SG表示光柵衍射表 面所在平面；SM表示反饋反射鏡5的反射表面所在的平面，該平面 距G點的距離為/入 〃 為G點到平面SL的距離，它等于G點到半 導體激光管1后端反射面光學距離(由于受半導體激光管1的增益介 質和準直透鏡3折射率等因素影響，該距離 〃 與半導體激光管1到 所述G點的實際距離相比略長。也就是說平面SL相對于實際的半導 體激光管1后表面更遠離G點)；/2為G點到平面SM的距離，它 等于G點到反饋反射鏡5的反射表面的光學距離。為了方便描述，在光路面建立坐標系xOy， x軸為半導體激光管 1發出的所述光束的中心線，方向為所述光束(傳輸)方向；y軸為 平面SL與光路面的交線，本實施例中方向為x軸順時針90度方 向；坐標原點()為所述光束的中心線與平面SL的交點。P0
(x0，y0 )表示反射鏡常規的同步頻率調諧轉動中心，Pq ( xq，yq ) 表 示反射鏡準同步調諧轉動中心。xq的絕對值為反射鏡5的準同步頻 率調諧轉動中心Pq到平面SL的距離，uq的絕對值為反射鏡準同步 頻率調諧轉動中心Pq到平面SM的距離，vq的絕對值為反射鏡準同 步頻率調諧轉動中心Pq到平面SG的距離。x0的絕對值為反射鏡常 規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SL的距離；u0的絕對值為反 射鏡常規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SM的距離。
本發明一個實施例的掠衍射結構光柵反饋外腔半導體激光器結構 如圖4所示，包括半導體激光管(LD) 1、非球面準直透鏡
(AL) 3、光柵(GT) 12和反饋反射鏡(M) 5。
圖4中，N表示光柵法線;ei表示半導體激光管l發出的經準直 透鏡3準直后的光束在光柵上的入射角；ed表示所述光束在光柵上 的衍射角。G表示所述光束的中心線與光柵12的衍射表面的交點。 SL表示半導體激光管1等效后表面，它垂直于半導體激光管1發出 的所述光束的中心線，它距G點的距離等于〃；SG表示光柵衍射表 面所在平面；SM表示反饋反射鏡5的反射表面所在的平面，該平面 距G點的距離為/2。 〃為G點到平面SL的距離，它等于G點到半 導體激光管1后端反射面光學距離(由于受半導體激光管1的增益介 質和準直透鏡3折射率等因素影響，該距離W與半導體激光管1到 所述G點的實際距離相比略長。也就是說平面SL相對于實際的半導 體激光管1后表面更遠離G點)；/2為G點到平面SM的距離，它 等于G點到反饋反射鏡5的反射表面的光學距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標系xOy， x軸為半導體激光管 1發出的所述光束的中心線，其方向為所述光束(傳輸)方向；y軸 為平面SL與光路面的交線，本實施例中方向為x軸順時針90度方向；坐標原點()為所述光束的中心線與平面SL的交點。P0 (x0，y0)表示反射鏡常規的同步頻率調諧轉動中心，Pq (xq，yq)表 示反射鏡準同步調諧轉動中心。xq的絕對值為反射鏡5的準同步頻 率調諧轉動中心Pq到平面SL的距離，uq的絕對值為反射鏡準同步 頻率調諧轉動中心Pq到平面SM的距離，vq的絕對值為反射鏡準同 步頻率調諧轉動中心Pq到平面SG的距離。x0的絕對值為反射鏡常 規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SL的距離；u0的絕對值為反 射鏡常規的同步頻率調諧轉動中心P0到平面SM的距離。
圖3和圖4中，半導體激光管1發出的激光經非球面鏡3準直 后，入射在衍射光柵12上，光柵12的一級衍射光正入射在反饋反射 鏡5上，該光束在反射鏡5上被反射后，沿著與入射光共線反向的路 徑，按原路被光柵12再次衍射后，經非球面鏡3返回到半導體激光 管1中。 〃 和/2分別表示G點到半導體激光管1后端反射面和反饋 反射鏡5的光學距離，即光柵外腔的兩個子光學腔長，它們的和/= // + /2表示整個光柵外腔激光器的光學腔長。
根據長期系統研究和大量實驗發現，在圖3和圖4所示光柵反饋 外腔半導體激光器結構中，存在反饋反射鏡5的準同步調諧轉動中心 Pq(uq， vq),滿足下列條件方程
(uq-u0) cos(9d) + 、 q = () ( 5 )
其中u0由方程(1 )和(3)給出。表示相互位置的參數uq和 vq的符號規定為，若從所述半導體激光管1發出到光柵12的入射光 線與轉動中心在其基準平面的同側，則為正，反之為負。其中，uq
的基準平面為平面SM， vq的基準平面為平面SG。可以看出，當0d 趨向于ei并最終等于9i時，則上式可還原成為Littrow結構的準同步 調諧條件方程。
通過大量的實驗得出，當反饋反射鏡5的調諧轉動中心Pq的位 置滿足公式(5)時，可以獲得明顯優于其它點的明顯更大的不跳模 連續頻率同步調諧范圍，因此稱符合上述關系式的Pq為準同步調諧 轉動中心，Pq(uq, vq)越接近P0 (滿足/〉式(1 ) 、( 2 )，或(3) 、 (4))，連續頻率同步調諧范圍越大(當達到P0時理論上 連續可調諧范圍為無窮大)。在實際中，幾十個GHz或幾百個GHz 的連續頻率同步調諧范圍已經能夠滿足相當多應用的需求。而理想情 況下，對于常規尺度的半導體激光器，也就是說uq-u0和vq不是特 別大時，(一般半導體激光器都符合這一假設)，調諧轉動中心位于 Pq(uq， vq)時，半導體激光器的輸出光連續頻率同步調諧范圍可達到 幾十至上百GHz，甚至上千GHz，因此都能夠滿足大多數應用要 求。舉個例子來說，Pq到PO的距離在一百毫米以內，某些情況下幾 百毫米甚至更大，都是可以得到比較好的調諧效果。
這樣本發明就可以通過在一個自由度上調節所述反饋反射鏡5的 調諧轉動中心Pq的位置，使反饋反射鏡5調諧轉動中心Pq的位置 滿足所述關系式，就可以滿足絕大多數的應用要求。
若光柵外腔激光器的光學腔長/、子光學腔長 〃、光柵常數d、 入射角0i和半導體激光管1輸出激光波長X被確定，則在x， y平面 上，滿足條件(5)的反射鏡轉動中心坐標Pq(xq，yq)的軌跡，為xOy 平面上的一條直線，該直線方程為
yq畫y0 = (xq - x0) tan(9i-ed) (6)
其中，xq為所述調諧轉動中心Pq在x軸的坐標值，其絕對值等 于所述調諧轉動中心Pq到平面SL的距離，xq符號的規定為，若所 述入射光線與轉動中心在其基準平面的同側，則為正，反之為負，其 中，xq的基準平面為平面SL (由于本發明中默認x軸的方向與所述 半導體激光管1發出的入射到光柵12的光束方向相同，因此通過該 符號規定所確定的xq符號與xq坐標值的符號相符)。yq為調諧轉 動中心Pq在y軸的坐標值，其絕對值等于該調諧轉動中心Pq到所 述入射光束中心線，即x軸的距離，yq的符號即為yq坐標值的符 號，公式(6)是根據圖3和圖4中所示的y軸方向推導得出的，如 果y軸方向為x軸逆時針9()度方向，公式(6)中yp前應為負號。 x0和y0為常規的反射鏡同步調諧的轉動中心在xOy坐標系的坐標， 由方程(3)和(4)給出，符號也由方程(3)和(4)給出。從激光器實際物理空間上，本發明可以看成是，在(x， y)坐標平面xOy 上，滿足實現準同步調諧的坐標Pq(xq，yq)的取值范圍，由常規同步 調諧條件(3)和(4)所限定的一點P0(x0，y0)，拓展為xOy平面上 的過該P0點、且與反射鏡5上的入射或反射光線平行的一條直線上 的(最好不遠離)P0的區間，該區間可以位于P0點的任意一側。在 該直線上，可以獲得明顯優于其它點的大的同步調諧范圍，且越接近 常規同步調諧點P()(xO，yO)，同步調諧范圍越大。可以看出，當9d趨 向于6i并最終等于9i時，則上式可還原成為Littrow結構的準同步調 諧條件方程yq= y()=(〃2)/tan(ei)。
為實現上述調節，本發明的一個實施例中，在所述半導體激光器 中設置反饋反射鏡調諧轉動中心調節機構，用于調節反饋反射鏡調諧 轉動中心Pq,使反饋反射鏡準調諧轉動中心Pq的位置滿足關系式 (5)或在腔長一定情況下滿足關系式(6);并設置反饋反射鏡轉動 調節機構使反饋反射鏡5以所述準調諧轉動中心Pq為軸轉動。
通過所述反饋反射鏡調諧轉動中心調節機構，使反饋反射鏡調諧 轉動中心Pq在一個自由度上向一個方向位移(即改變位置)；位移 到某個位置時，調節反饋反射鏡轉動調節機構并檢測半導體激光器輸 出激光的頻率連續調節范圍，判斷該頻率連續調節范圍是否隨反饋反 射鏡調諧轉動中心Pq位置的改變而增大，若是，則調節所述反饋反 射鏡調諧轉動中心調節機構，使反饋反射鏡調諧轉動中心Pq繼續沿 該方向位移，直到輸出激光頻率連續調節范圍滿足應用的需求；否 則，調節所述反饋反射鏡調諧轉動中心調節機構，使得所述反饋反射 鏡調諧轉動中心Pq沿與當前位移方向相反的方向位移，直到輸出激
光頻率連續調節范圍滿足應用的需求。
當然，所述反饋反射鏡調諧轉動中心調節機構也可以有一個以上 的自由度，比如當有兩個自由度時，可以通過在一個自由度上調 節，將反饋反射鏡調諧轉動中心Pq調節到滿足公式(5)或(6)的 一點；通過在另一個自由度上調節，使反饋反射鏡調諧轉動中心Pq 接近或遠離所述的P0點。參見圖5和圖6所示，為本發明帶有上述調節機構的一個具體實 施例。
包括半導體激光管1、半導體激光管熱沉2、非球面準直透鏡 3、準直鏡架4、反饋反射鏡5、反饋反射鏡調節架動板6、反饋反射 鏡調節架定板7、激光頻率調諧微調螺釘8、反饋反射鏡調諧轉動中 心微調螺釘9、反饋反射鏡調節架壓電陶瓷10、光柵固定架11、衍 射光柵12和底板13。
功率30mW波長為689nm的半導體激光管1發出的激光光束， 經過焦距為4mm，數值孔徑為0.6的非球面準直透鏡3準直后，入 射在刻線密度為18()()g/mm、具有合適的衍射效率、刻線面積大小為 12.5mmxl2.5mm、厚度為6mm的閃耀衍射光柵12上，光柵12的 零階衍射光或直接鏡反射光作為激光器的輸出光束。光柵12的一級 衍射光正入射到平面反射鏡5上，在反射鏡5上反射后光線被反向， 沿著與原入射光束共線反向的路徑，沿原路經光柵12再次衍射后，
返回到半導體激光管1中。
其中，半導體激光管1通過熱沉2采用溫度傳感器和半導體制冷 器實現溫度控制。準直透鏡3通過鏡架4被調整和固定。反射鏡5被 固定在調節架動板6上，其方向可通過調節架定板7上的調節螺4丁 8 和9進行調整，還可通過動板上的壓電陶瓷10進行細調；衍射光柵 12通過光柵固定架11固定在底板13上。反饋反射鏡調諧轉動中心 微調螺釘9為所述反饋反射鏡調諧轉動中心調節機構；激光頻率調諧 微調螺釘8和壓電陶瓷10為反饋反射鏡轉動調節機構。本實施例中 反饋反射鏡調諧轉動中心Pq位于反饋反射鏡調諧轉動中心微調螺釘 9的中心軸線上。通過調節反饋反射鏡調諧轉動中心微調螺釘9帶動 反饋反射鏡調節架動板6移動，使反饋反射鏡調諧轉動中心Pq滿足 上述關系式(5)或(6)的要求，通過調節激光頻率調諧微調螺釘8 帶動反饋反射鏡調節架動板6使其上的反饋反射鏡5轉動，實現反饋 反射鏡5繞所述調諧轉動中心Pq轉動。外腔和光柵12的選頻作用 可通過轉動反射鏡5繞準同步轉動中心Pq的轉動實現。例如通過微調螺釘8改變反射鏡5的角度進行粗調，或經過在壓電陶覺10施加 控制電壓進行細調。
圖5給出了準同步調諧掠入射(Littman)結構外腔半導體激光 器實施例，其中光學子腔長〃=35mm， /2=13.02mm，則光學腔長 /=48.02mm，光線在光柵12上的入射角為9i=60° ，衍射角為9d =22.98°,則角度差ei-6d二37.02。，可得常規頻率同步調諧轉動中心坐 標為x0=1.902mm， y(H19.109mm ，這里取準同步轉動中心坐標為 xq=11.256mm， yq=26.164mm ， 相應的其它參量為uq=9.814mm ， vq=-10.786mm,則對應的激光頻率同步調諧范圍為3400GHz。隨著 xq-xO或uq-u()的增加，同步調諧范圍會下降。例如若 xq=50mm,對應的激光頻率同步調諧范圍為1500GHz; 而若 xq=100mm，對應的激光頻率同步調諧范圍為1100GHz;而即 <吏 xq=500mm，對應的激光頻率同步調諧范圍仍可達到400GHz。完全 可滿足一般應用的需求。這時的xq、 yq、 uq和vq值已經覆蓋了一 般Littman結構和掠衍射結構中可以取值的選擇范圍。實際上，這時 的激光頻率不跳模的連續調諧范圍已經主要由其它元件和參數決定， 例如半導體激光管1發射面鍍增透膜的剩余反射狀態等。
圖6給出了準同步調諧掠衍射結構外腔半導體激光器實施例，其 中光學子腔長〃二25mm, G二20.059mm，則光學腔長/=45.059mm， 光線在光柵12上的入射角為61=22.5°，衍射角為6d =60.893°,則角 度差ei-ed=-38.393° ，可得常規頻率同步調諧轉動中心坐標為 x0=11.276mm ， y0=33.133mm , 這里取準同步轉動中心坐標為 xq=25.2768mm， yq:22.039誦，相應的其它參量為uq=6.588mm， vq=-8.69mm,則對應的激光頻率同步調諧范圍為1400GHz。同理， 隨著xq-xO或uq-u()的增加，同步調諧范圍會下降。例如若 xq=50mm ,對應的激光頻率同步調諧范圍為800GHz ; 而若 xq=100mm，對應的激光頻率同步調諧范圍為500GHz;而即使 xq=500mm，對應的激光頻率同步調諧范圍仍可達到200GHz。同樣 可滿足一般應用的需求。可以看出，由于在圖6中xO或-uO明顯大
21于圖5的數值，因此對應的同步調諧范圍有相應的下降。
上述方案中的半導體激光管1也可選用其它波長，其它輸出功
率，光柵12也可采用其它類型的光柵，比如透射光柵或全息光柵 等，其它刻線密度和大小厚度構成；準直透鏡3也可以采用其它焦距 和數值孔徑，xq、 yq、 uq和vq值也可釆用其它數值。
本發明的描述是為了示例和說明起見而給出的，而并不是無遺漏 的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普 通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明 的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從 而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
權利要求
1.一種光柵外腔半導體激光器的準同步調諧方法，在該光柵外腔半導體激光器中，半導體激光管(1)發出的激光光束經非球面鏡(3)準直后，入射在光柵(12)上，光柵(12)的一級衍射光正入射在反饋反射鏡(5)上，該一級衍射光束在反射鏡(5)上被反射后，沿著與入射光束共線反向的路徑，按原路被光柵(12)再次衍射后，經非球面鏡(3)返回到半導體激光管(1)中，其特征在于，在通過轉動所述反射鏡(5)進行激光的輸出頻率調諧時，使反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置(uq，vq)滿足關系式(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；其中，θd為所述光束在光柵(12)上的衍射角，uq的絕對值為該調諧轉動中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq的絕對值為該調諧轉動中心到光柵(12)衍射表面所在平面的距離，u0的絕對值為反射鏡(5)常規的同步頻率調諧轉動中心到所述反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離；uq和vq的符號規定為，若所述入射光線與轉動中心在其基準平面的同側，則為正，反之為負，其中，uq的基準平面為反射鏡(5)的反射表面所在的平面，vq的基準平面為光柵(12)衍射表面所在平面。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，若光柵外腔激光 器的光學腔長/、所述輸入光束的中心線在光柵(12)的衍射表面的 交點到半導體激光管(1)后端反射面的光學距離、光柵常數、入射 光束在光柵(12)上的入射角和半導體激光管(1)輸出激光波長都 為確定尺寸，則在通過轉動所述反射鏡(5)進行激光的輸出頻率調 諧時，使反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置(xq， yq)滿足關系 式yq畫y0 = (xq - x0) tan(6i-ed);其中，x軸為半導體激光管(1)發出的所述光束的中心線，其 方向為所述光束方向；y軸為半導體激光管(1)等效后表面與光路面的交線，方向為x軸順時針90度方向；坐標原點O為所述光束的 中心線與平面SL的交點；x0、 y0為常規的同步頻率調諧轉動中心在 xOy坐標系中的坐標；Gi為所述入射光束在光柵(12)上的入射 角。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過在一個 或一個以上自由度上調節所述反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置， 使半導體激光器的反射鏡(5)調諧轉動中心的位置滿足所述關系 式。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述半導體激 光器中設置一個自由度的反射鏡調諧轉動中心調節機構，該調節機構 能夠使反射鏡調諧轉動中心到達滿足所述關系式的至少 一 個點上；并 設置反射鏡轉動調節機構使反射鏡(5)以所述調諧轉動中心為軸轉動；通過所述反射鏡調諧轉動中心調節機構，使反射鏡調諧轉動中心在所述自由度上向一個方向位移；調節反射鏡轉動調節機構并檢測半導體激光器輸出激光的頻率連 續調節范圍，判斷該頻率連續調節范圍是否隨光柵調諧轉動中心位置 的改變而增大，若是，則使反射鏡調諧轉動中心繼續沿該方向位移， 直到輸出激光頻率連續調節范圍滿足應用的需求；否則，沿與當前位 移方向的相反方向位移所述反射鏡調諧轉動中心，直到輸出激光頻率 連續調節范圍滿足應用的需求。
5. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光柵外 腔半導體激光器為掠入射Littman結構或掠衍射結構。
6. —種光柵外腔半導體激光器，包括半導體激光管(1)、非 球面準直透鏡(3)、光柵(12)、反射鏡(5)，半導體激光管(1)發出的激光光束經非球面鏡(3)準直后，入射在光柵(12) 上，光柵(12)的一級衍射光正入射在反射鏡(5)上，該一級衍射 光束在反射鏡(5)上被反射后，沿著與入射光束共線反向的路徑， 按原路被光柵(12)再次衍射后，經非球面鏡(3)返回到半導體激光管(1)中，其特征在于，還包括反射鏡調諧轉動中心調節機構，用于調節反射鏡調諧轉動中心，使反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置(叫，vq)滿足關系式(uq-u0) cos(0d) + vq = 0;其中，ed為所述光束在光柵(12)上的衍射角，uq為該調諧轉 動中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq為該調諧轉 動中心到光柵(12)衍射表面所在平面的距離，u0為反射鏡(5)常 規的同步頻率調諧轉動中心到所述反射鏡(5)的反射表面所在的平 面的3巨離；uq和vq的符號規定為，若所述入射光線與轉動中心在其基準平 面的同側，則為正，反之為負，其中，叫的基準平面為反射鏡(5) 的反射表面所在的平面，vq的基準平面為光柵(12)衍射表面所在 平面；以及反射鏡轉動調節機構，使反射鏡(5)以所述調諧轉動中心 為軸轉動。
7.根據權利要求6所述的光柵外腔半導體激光器，其特征在 于，若光柵外腔激光器的光學腔長/、所述輸入光束的中心線在光柵(12)的衍射表面的交點到半導體激光管(1)后端反射面的光學距 離、光柵常數、入射光束在光柵(12)上的入射角、半導體激光管(1)輸出激光波長都為確定尺寸，則所述光柵調諧轉動中心調節機 構，使反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置(xq， yq)滿足關系式 yq - y0 = (xq - x0) tan(ei-0d);其中，x軸為半導體激光管(1)發出的所述光束的中心線，其 方向為所述光束方向；y軸為半導體激光管(1)等效后表面與光路 面的交線，方向為x軸順時針90度方向；坐標原點O為所述光束的 中心線與平面SL的交點；x0、 y0為常規的同步頻率調諧轉動中心 在xOy坐標系中的坐標；0i為所述入射光束在光柵(12)上的入射 角。
8. 根據權利要求6或7所述的光柵外腔半導體激光器，其特征 在于，所述反射鏡調諧轉動中心調節機構在一個或一個以上自由度上 調節所述反射鏡調諧轉動中心的位置。
9. 根據權利要求8所述的光柵外腔半導體激光器，其特征在 于，所述反射鏡調諧轉動中心調節機構，使反射鏡調諧轉動中心在一 個自由度上向一個方向位移；調節反射鏡轉動調節機構并檢測半導體 激光器輸出激光的頻率連續調節范圍，判斷該頻率連續調節范圍是否 隨光柵調諧轉動中心位置的改變而增大，若是，則調節所述反射鏡調 諧轉動中心調節機構使反射鏡調諧轉動中心繼續沿該方向位移，直到 輸出激光頻率連續調節范圍滿足應用的需求；否則，調節所述反射鏡 調諧轉動中心調節機構，沿與當前位移方向的相反方向位移所述反射 鏡調諧轉動中心，直到輸出激光頻率連續調節范圍滿足應用的需求。
10. 根據權利要求9所述的光柵外腔半導體激光器，其特征在 于，所述反射鏡調諧轉動中心調節機構為反射鏡調諧轉動中心微調螺 釘(9),反射鏡轉動調節機構為激光頻率調諧微調螺釘(8)，并且 該半導體激光器還包括反射鏡調節架動板(6)和固定在所述光柵 外腔半導體激光器底板(13)上的反射鏡調節架定板(7);反射鏡(5)被固定在所述反射鏡調節架動板(6)上，激光頻率 調諧微調螺釘(8)和反射鏡調諧轉動中心微調螺釘(9)設置在所述 光柵調節架定板(7)上，反射鏡調諧轉動中心位于反射鏡調諧轉動 中心微調螺釘(9)的中心軸線上；通過調節反射鏡調諧轉動中心微 調螺釘(9)帶動反射鏡調節架動板(6)移動，使反射鏡調諧轉動中 心到達滿足所述關系式的位置；通過調節激光頻率調諧微調螺釘 (8)帶動反射鏡調節架動板(6)，使其上的反射鏡(5)繞所述反 射鏡調諧轉動中心轉動。
11. 根據權利要求10所述的光柵外腔半導體激光器，其特征在 于，所述反射鏡轉動調節機構還包括壓電陶資(10)，設置在所述 反射鏡調節架動板(6)和激光頻率調諧微調螺釘(8)之間，用于對 反射鏡調節架動板(6)的轉動做精細調節。
12.根據權利要求6或7所述的光柵外腔半導體激光器，其特征在于，所述光柵外腔半導體激光器為掠入射Littmaii結構或掠衍射結 構。
全文摘要
本發明公開一種光柵外腔半導體激光器和準同步調諧方法，在通過轉動所述反射鏡(5)進行激光的輸出頻率調諧時，使反射鏡(5)的調諧轉動中心的位置(uq，vq)滿足關系式(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；其中，θd為所述光束在光柵上的衍射角，uq為該調諧轉動中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq為該調諧轉動中心到光柵(12)衍射表面所在平面的距離，u0為反射鏡(5)常規的同步頻率調諧轉動中心到所述反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離。本發明更易于設計實現激光的同步轉動頻率或波長調諧。
文檔編號H01S5/00GK101630811SQ200810116638
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月14日 優先權日2008年7月14日
發明者方占軍, 曹建平, 燁 李, 臧二軍 申請人:中國計量科學研究院