专利名称：光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法
技术领域：
本发明涉及本导体激光器技术，特别是指 一 种掠入射
(Littman )结构和掠衍射结构中光栅外腔半导体激光器和准同步调 谐方法。
背景技术：
现有常规的同步调谐掠入射结构(Littman结构)外腔半导体激 光器结构如图1所示，包括半导体激光管(LD) 1、非球面准直透 镜(AL) 3、光栅(GT) 12、反馈反射镜(M) 5。
图1中，N表示光栅法线；ei表示半导体激光管l发出的经准直 透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；9d表示所述光束在光栅上 的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。 SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出 的所述光束的中心线，它距G点的距离等于/7; SG表示光栅衍射表 面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面 距G点的距离为/2。 〃为G点到平面SL的距离，它等于G点到半 导体激光管1后端反射面的光学距离(由于受半导体激光管1的增益 介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离 〃 与半导体激光管1 到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半 导体激光管1后表面更远离G点)；/2为G点到平面SM的距离， 它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。
为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy， x轴为半导体激光管 1发出的所述光束中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为平 面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向； 坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P (x，y)表示4壬意的反射镜调谐转动中心；P0 (x0，y0)表示反射镜常规的同步频率 调谐转动中心。x的绝对值为反射镜转动中心P到平面SL的距离； u的绝对值为反射镜转动中心P到平面SM的距离；v的绝对值为反 射镜转动中心P到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规的同 步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射镜常 规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。
本申请人在先提交的申请号为"200810097085.4"的中国专利申 请中，还提出了一种光栅掠衍射结构外腔半导体激光器，其结构如图 2所示，包括半导体激光管(LD) 1、非球面准直透镜(AL) 3、 光栅(GT) 12、反馈反射镜(M) 5。
图2中，N表示光栅法线；ei表示半导体激光管1发出的经准直 透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；ed表示所述光束在光栅上 的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。 SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出 的所述光束的中心线，它距G点的距离等于〃；SG表示光栅衍射表 面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面 距G点的距离为/2。 〃为G点到平面SL的距离，它等于G点到半 导体激光管1后端反射面的光学距离(由于受半导体激光管1的增益 介质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离/7与半导体激光管1 到所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半 导体激光管1后表面更远离G点)；/2为G点到平面SM的距离， 它等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。
为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy， x轴为半导体激光管 1发出的所述光束的中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为 平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方 向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。P(x，y)表 示任意的反射镜调谐转动中心；P0 (x0，y0)表示反射镜常规的同步 频率调谐转动中心。x的绝对值为反射镜转动中心P到平面SL的距 离；u的绝对值为反射镜转动中心P到平面SM的距离；v的绝对值为反射镜转动中心P到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常规 的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反射 镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。
图1和图2中， 〃 和/2分别表示G点到半导体激光管1后端反 射面和反馈反射镜5的光学距离，即光栅外腔的两个子光学腔长，它 们的和/ =〃 + /2表示整个光栅外腔激光器的光学腔长。在点P=P0， v=0。图1和图2中表示相互位置的参数x、 u和v的符号规定为， 若所述光束与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其 中，x的基准平面为平面SL， u的基准平面为平面SM， v的基准平 面为平面SG。根据上述规则可以看出，在图1中对于P点，u、 x为 正，v为负，对于P0点，uO为正，xO为负。在图2中，对于P点，
为正，v为负，对于PO点，xO为正，uO为负。
在图1和图2所示的上述两种结构中，半导体激光管l发出的激 光经非球面镜3准直后，入射在衍射光栅12上。光栅12的一级衍射 光正入射在反馈反射镜5上，该光束在反射镜5上被反射后，沿着与 入射光共线反向的路径，按原路被光栅12再次衍射后，经非球面镜 3返回到半导体激光管1中。
激光波长或频率的调谐，是通过转动反射镜5，从而改变光线在 光栅12上的衍射角实现的。然而，在转动反射镜5的过程中，光栅 12的选频作用和反射镜5经过光栅12与半导体激光管1等效后表面 SL构成的F-P外腔的选频作用同时被改变。 一般而言，上述改变不 是同步的，从而将引起激光模式的跳模变化，中断了激光频率的连续 调谐，使得可得到的激光频率不跳模连续调谐范围非常小，例如l至 2个GHz。为了实现激光波长或频率的同步调谐，即实现不跳模的频 率连续调谐， 一般需要反馈反射镜5的调谐同时满足两个条件
<formula>formula see original document page 9</formula>
即满足同步调谐的x0、 u0、 v0由上述两个方程限制，满足这种 条件的反射镜5转动中心称为激光频率的常规同步调谐转动中心，以过常规同步调谐转动中心P()且垂直于光路面的直线为轴转动。
若光栅外腔激光器的光学腔长/、子腔长 〃、光栅常数d、入射
角9i和激光波长入已确定，则在x, y平面上，满足条件(1)和 (2)的x0和y0的轨迹^f又为x、 y平面上的一点，该点的坐标P0 (x0,y0)为
x0= 〃- / d sin(9i) / i (3) y()二 / d cos(ei) /入 (4)
其中，x0为调谐转动中心P0在x轴的坐标值，其绝对值等于所 述调谐转动中心P()到平面SL的距离，x0符号的规定为，若所述半 导体激光管1发出到光栅12的入射光线与转动中心在其基准平面的 同侧，则为正，反之为负，其中，x0的基准平面为平面SL (由于本 发明中默认x轴的方向与所述半导体激光管1发出的入射到光栅12 的光束方向相同，因此通过该符号规定所确定的xq符号与xq坐标 值的符号相符)。yO为调谐转动中心P0在y轴的坐标值，其绝对值 等于该调谐转动中心P0到所述入射光束中心线，即x轴的距离，yq 的符号即为y0坐标值的符号，公式(4)是根据图1和图2中所示的 y轴方向推导得出的；如果y轴方向为x轴逆时针90度方向，公式 (4)中y0前应为负号。
为了实现波长或频率的同步调谐，外腔半导体激光器的机械设计 上，必须保证上述两个约束条件同时被满足，这意味着需要两个具备 独立自由度的调整机构。并且转动中心P0的位置不能离开光栅12 表面所在的平面SG。这种限制使得在许多情况下，激光器的结构设 计、调整和应用是十分不利的，同时造成了机械系统的复杂性并增加 了不稳定因素。
实际中在许多情形下，大的连续不跳模调谐范围还受到许多其它 因素影响，例如半导体激光管l表面是否镀有增透膜和镀膜质量等。 然而， 一般近百个GHz甚至几十个GHz的激光频率的连续调谐范围 已经能够满足相当多应用的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种光栅外腔半导体激光器和准同步调谐 方法，易于设计实现激光同步转动的频率或波长调谐。。
基于上述目的本发明提供了一种光栅外腔半导体激光器的准同步 调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管发出的激光 光束经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光正入射在 反馈反射镜上，该一级衍射光束在反射镜上被反射后，沿着与入射光 束共线反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜返回到半 导体激光管中，其中，在通过转动所述反射镜进行激光的输出频率调
谐时，使反射镜的调谐转动中心的位置(uq， vq)满足关系式(uq-u0) cos(0d) + vq = 0;
其中，ed为所述光束在光栅上的衍射角，uq的绝对值为该调谐 转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离，vq的绝对值为该 调谐转动中心到光栅衍射表面所在平面的距离，u0的绝对值为反射 镜常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜的反射表面所在的平面
的距离；
uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平 面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜的反 射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅衍射表面所在平面。
可选的，该方法中若光栅外腔激光器的光学腔长/、所述输入光 束的中心线在光栅的衍射表面的交点到半导体激光管后端反射面的光 学距离、光栅常数、入射光束在光栅上的入射角和半导体激光管输出 激光波长都为确定尺寸，则在通过转动所述反射镜进行激光的输出频 率调谐时，使反射镜的调谐转动中心的位置(xq， yq)满足关系 式yq - y0 = (xq - x()) tan(6i-ed);
其中，x轴为半导体激光管发出的所述光束的中心线，其方向为 所述光束方向；y轴为半导体激光管等效后表面与光路面的交线，方 向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面 SL的交点；x0、 y()为常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系中的坐标；9i为所述入射光束在光4册上的入射角。
可选的，该方法通过在一个或一个以上自由度上调节所述反射镜 的调谐转动中心的位置，使半导体激光器的反射镜调谐转动中心的位 置满足所述关系式。
可选的，该方法在所述半导体激光器中设置一个自由度的反射镜 调谐转动中心调节机构，该调节机构能够使反射镜调谐转动中心到达
满足所述关系式的至少 一 个点上；并设置反射镜转动调节机构使反射 镜以所述调谐转动中心为轴转动；
通过所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜调谐转动中心 在所述自由度上向一个方向位移；
调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连 续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随光栅调谐转动中心位置 的改变而增大，若是，则使反射镜调谐转动中心继续沿该方向位移， 直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，沿与当前位 移方向的相反方向位移所述反射镜调谐转动中心，直到输出激光频率 连续调节范围满足应用的需求。
可选的，该方法所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littman结 构或掠衍射结构。
基于上述目的本发明还提供了一种光栅外腔半导体激光器，包 括半导体激光管、非球面准直透镜、光栅、反射镜，半导体激光管 发出的激光光束经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射 光正入射在反射镜上，该一级衍射光束在反射镜上被反射后，沿着与 入射光束共线反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜返 回到半导体激光管中，其中，还包括
反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反射镜调谐转动中心，
使反射镜的调谐转动中心的位置(uq， vq)满足关系式<formula>formula see original document page 12</formula>其中，9d为所述光束在光栅上的衍射角，uq为该调谐转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离，vq为该调谐转动中心到光 栅衍射表面所在平面的距离，uO为反射镜常规的同步频率调谐转动 中心到所述反射镜的反射表面所在的平面的距离；
uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平 面的同侧，则为正，反之为负，其中，叫的基准平面为反射镜的反 射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅衍射表面所在平面；
以及反射镜转动调节机构，使反射镜以所述调谐转动中心为轴转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，若光栅外腔激光器的光学 腔长/、所述输入光束的中心线在光栅的衍射表面的交点到半导体激 光管后端反射面的光学距离、光栅常数、入射光束在光栅上的入射 角、半导体激光管输出激光波长都为确定尺寸，则所述光栅调谐转动 中心调节机构，使反射镜的调谐转动中心的位置(xq， yq)满足关 系式yq - y0 = (xq - x0) tan(9i-ed);
其中，x轴为半导体激光管发出的所述光束的中心线，其方向为 所述光束方向；y轴为半导体激光管等效后表面与光路面的交线，方 向为x轴顺时针卯度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面 SL的交点；x()、 y()为常规的同步频率调谐转动中心在xOy坐标系 中的坐标；ei为所述入射光束在光栅上的入射角。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心 调节机构在一个或一个以上自由度上调节所述反射镜调谐转动中心的 位置。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心 调节机构，使反射镜调谐转动中心在一个自由度上向一个方向位移； 调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连续调 节范围，判断该频率连续调节范围是否随光栅调谐转动中心位置的改 变而增大，若是，则调节所述反射镜调谐转动中心调节机构使反射镜 调谐转动中心继续沿该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满
足应用的需求；否则，调节所述反射镜调谐转动中心调节机构，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射镜调谐转动中心，直到输出激 光频率连续调节范围满足应用的需求。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜调谐转动中心 调节机构为反射镜调谐转动中心微调螺钉，反射镜转动调节机构为激
光频率调谐微调螺钉，并且该半导体激光器还包括反射镜调节架动 板和固定在所述光栅外腔半导体激光器底板上的反射镜调节架定板；
反射镜被固定在所述反射镜调节架动板上，激光频率调谐微调螺 钉和反射镜调谐转动中心微调螺钉设置在所述光栅调节架定板上，反 射镜调谐转动中心位于反射镜调谐转动中心微调螺钉的中心轴线上； 通过调节反射镜调谐转动中心微调螺钉带动反射镜调节架动板移动， 使反射镜调谐转动中心到达满足所述关系式的位置；通过调节激光频 率调谐微调螺钉带动反射镜调节架动板，使其上的反射镜绕所述反射 镜调谐转动中心转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述反射镜转动调节机构 还包括压电陶瓷，设置在所述反射镜调节架动板和激光频率调谐微 调螺钉之间，用于对反射镜调节架动板的转动做精细调节。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅外腔半导体激光 器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。
从上面所述可以看出，本发明提供的光栅外腔半导体激光器和准 同步调谐转动中心选择方法，减少了约束条件数目，将两个约束条件 减少为一个，从而调整机构仅需一个自由度。去除了转动中心的位置 不能离开光栅表面所在的平面SG的限制。使得同步调谐具有更多的 选择和更大的发挥余地和空间。易于设计实现激光的同步转动频率或 波长调谐，使得结构更加稳定，更加简单和容易调整。
图1为现有同步调谐Littman结构外腔半导体激光器的结构示意
图2为光栅掠衍射结构外腔半导体激光器的结构示意图；图3为本发明实施例准同步调谐Littman结构外腔半导体激光器 的结构示意图4为本发明实施例准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器的 结构示意图5为本发明实施例带有调节部件的准同步调谐Littman结构外 腔半导体激光器的结构示意图6为本发明实施例带有调节部件的准同步调谐光栅掠衍射外腔 半导体激光器的结构示意图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示 例性实施例。
本发明提出采用准同步调谐方法实现激光频率的连续调谐，它包 含了常规的同步调谐条件在内。本发明 一个实施例的准同步调谐掠入 射(Littman)结构光栅反馈外腔半导体激光器结构如图3所示，包 括半导体激光管(LD) 1、非球面准直透镜(AL) 3、光栅 (GT) 12和反々贵反射镜(M) 5。
图3中，N表示光栅法线；9i表示半导体激光管l发出的经准直 透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；0d表示所述光束在光栅上 的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。 SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出 的所述光束的中心线，它距G点的距离等于〃；SG表示光栅衍射表 面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面 距G点的距离为/入 〃 为G点到平面SL的距离，它等于G点到半 导体激光管1后端反射面光学距离(由于受半导体激光管1的增益介 质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离 〃 与半导体激光管1到 所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导 体激光管1后表面更远离G点)；/2为G点到平面SM的距离，它 等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy， x轴为半导体激光管 1发出的所述光束的中心线，方向为所述光束(传输)方向；y轴为 平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方 向；坐标原点()为所述光束的中心线与平面SL的交点。P0
(x0，y0 )表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心，Pq ( xq，yq ) 表 示反射镜准同步调谐转动中心。xq的绝对值为反射镜5的准同步频 率调谐转动中心Pq到平面SL的距离，uq的绝对值为反射镜准同步 频率调谐转动中心Pq到平面SM的距离，vq的绝对值为反射镜准同 步频率调谐转动中心Pq到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常 规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反 射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。
本发明一个实施例的掠衍射结构光栅反馈外腔半导体激光器结构 如图4所示，包括半导体激光管(LD) 1、非球面准直透镜
(AL) 3、光栅(GT) 12和反馈反射镜(M) 5。
图4中，N表示光栅法线;ei表示半导体激光管l发出的经准直 透镜3准直后的光束在光栅上的入射角；ed表示所述光束在光栅上 的衍射角。G表示所述光束的中心线与光栅12的衍射表面的交点。 SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出 的所述光束的中心线，它距G点的距离等于〃；SG表示光栅衍射表 面所在平面；SM表示反馈反射镜5的反射表面所在的平面，该平面 距G点的距离为/2。 〃为G点到平面SL的距离，它等于G点到半 导体激光管1后端反射面光学距离(由于受半导体激光管1的增益介 质和准直透镜3折射率等因素影响，该距离W与半导体激光管1到 所述G点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导 体激光管1后表面更远离G点)；/2为G点到平面SM的距离，它 等于G点到反馈反射镜5的反射表面的光学距离。
为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy， x轴为半导体激光管 1发出的所述光束的中心线，其方向为所述光束(传输)方向；y轴 为平面SL与光路面的交线，本实施例中方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点()为所述光束的中心线与平面SL的交点。P0 (x0，y0)表示反射镜常规的同步频率调谐转动中心，Pq (xq，yq)表 示反射镜准同步调谐转动中心。xq的绝对值为反射镜5的准同步频 率调谐转动中心Pq到平面SL的距离，uq的绝对值为反射镜准同步 频率调谐转动中心Pq到平面SM的距离，vq的绝对值为反射镜准同 步频率调谐转动中心Pq到平面SG的距离。x0的绝对值为反射镜常 规的同步频率调谐转动中心P0到平面SL的距离；u0的绝对值为反 射镜常规的同步频率调谐转动中心P0到平面SM的距离。
图3和图4中，半导体激光管1发出的激光经非球面镜3准直 后，入射在衍射光栅12上，光栅12的一级衍射光正入射在反馈反射 镜5上，该光束在反射镜5上被反射后，沿着与入射光共线反向的路 径，按原路被光栅12再次衍射后，经非球面镜3返回到半导体激光 管1中。 〃 和/2分别表示G点到半导体激光管1后端反射面和反馈 反射镜5的光学距离，即光栅外腔的两个子光学腔长，它们的和/= // + /2表示整个光栅外腔激光器的光学腔长。
根据长期系统研究和大量实验发现，在图3和图4所示光栅反馈 外腔半导体激光器结构中，存在反馈反射镜5的准同步调谐转动中心 Pq(uq， vq),满足下列条件方程
(uq-u0) cos(9d) + 、 q = () ( 5 )
其中u0由方程(1 )和(3)给出。表示相互位置的参数uq和 vq的符号规定为，若从所述半导体激光管1发出到光栅12的入射光 线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，uq
的基准平面为平面SM， vq的基准平面为平面SG。可以看出，当0d 趋向于ei并最终等于9i时，则上式可还原成为Littrow结构的准同步 调谐条件方程。
通过大量的实验得出，当反馈反射镜5的调谐转动中心Pq的位 置满足公式(5)时，可以获得明显优于其它点的明显更大的不跳模 连续频率同步调谐范围，因此称符合上述关系式的Pq为准同步调谐 转动中心，Pq(uq, vq)越接近P0 (满足/〉式(1 ) 、( 2 )，或(3) 、 (4))，连续频率同步调谐范围越大(当达到P0时理论上 连续可调谐范围为无穷大)。在实际中，几十个GHz或几百个GHz 的连续频率同步调谐范围已经能够满足相当多应用的需求。而理想情 况下，对于常规尺度的半导体激光器，也就是说uq-u0和vq不是特 别大时，(一般半导体激光器都符合这一假设)，调谐转动中心位于 Pq(uq， vq)时，半导体激光器的输出光连续频率同步调谐范围可达到 几十至上百GHz，甚至上千GHz，因此都能够满足大多数应用要 求。举个例子来说，Pq到PO的距离在一百毫米以内，某些情况下几 百毫米甚至更大，都是可以得到比较好的调谐效果。
这样本发明就可以通过在一个自由度上调节所述反馈反射镜5的 调谐转动中心Pq的位置，使反馈反射镜5调谐转动中心Pq的位置 满足所述关系式，就可以满足绝大多数的应用要求。
若光栅外腔激光器的光学腔长/、子光学腔长 〃、光栅常数d、 入射角0i和半导体激光管1输出激光波长X被确定，则在x， y平面 上，满足条件(5)的反射镜转动中心坐标Pq(xq，yq)的轨迹，为xOy 平面上的一条直线，该直线方程为
yq画y0 = (xq - x0) tan(9i-ed) (6)
其中，xq为所述调谐转动中心Pq在x轴的坐标值，其绝对值等 于所述调谐转动中心Pq到平面SL的距离，xq符号的规定为，若所 述入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其 中，xq的基准平面为平面SL (由于本发明中默认x轴的方向与所述 半导体激光管1发出的入射到光栅12的光束方向相同，因此通过该 符号规定所确定的xq符号与xq坐标值的符号相符)。yq为调谐转 动中心Pq在y轴的坐标值，其绝对值等于该调谐转动中心Pq到所 述入射光束中心线，即x轴的距离，yq的符号即为yq坐标值的符 号，公式(6)是根据图3和图4中所示的y轴方向推导得出的，如 果y轴方向为x轴逆时针9()度方向，公式(6)中yp前应为负号。 x0和y0为常规的反射镜同步调谐的转动中心在xOy坐标系的坐标， 由方程(3)和(4)给出，符号也由方程(3)和(4)给出。从激光器实际物理空间上，本发明可以看成是，在(x， y)坐标平面xOy 上，满足实现准同步调谐的坐标Pq(xq，yq)的取值范围，由常规同步 调谐条件(3)和(4)所限定的一点P0(x0，y0)，拓展为xOy平面上 的过该P0点、且与反射镜5上的入射或反射光线平行的一条直线上 的(最好不远离)P0的区间，该区间可以位于P0点的任意一侧。在 该直线上，可以获得明显优于其它点的大的同步调谐范围，且越接近 常规同步调谐点P()(xO，yO)，同步调谐范围越大。可以看出，当9d趋 向于6i并最终等于9i时，则上式可还原成为Littrow结构的准同步调 谐条件方程yq= y()=(〃2)/tan(ei)。
为实现上述调节，本发明的一个实施例中，在所述半导体激光器 中设置反馈反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反馈反射镜调谐 转动中心Pq,使反馈反射镜准调谐转动中心Pq的位置满足关系式 (5)或在腔长一定情况下满足关系式(6);并设置反馈反射镜转动 调节机构使反馈反射镜5以所述准调谐转动中心Pq为轴转动。
通过所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构，使反馈反射镜调谐 转动中心Pq在一个自由度上向一个方向位移(即改变位置)；位移 到某个位置时，调节反馈反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输 出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随反馈反 射镜调谐转动中心Pq位置的改变而增大，若是，则调节所述反馈反 射镜调谐转动中心调节机构，使反馈反射镜调谐转动中心Pq继续沿 该方向位移，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否 则，调节所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构，使得所述反馈反射 镜调谐转动中心Pq沿与当前位移方向相反的方向位移，直到输出激
光频率连续调节范围满足应用的需求。
当然，所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构也可以有一个以上 的自由度，比如当有两个自由度时，可以通过在一个自由度上调 节，将反馈反射镜调谐转动中心Pq调节到满足公式(5)或(6)的 一点；通过在另一个自由度上调节，使反馈反射镜调谐转动中心Pq 接近或远离所述的P0点。参见图5和图6所示，为本发明带有上述调节机构的一个具体实 施例。
包括半导体激光管1、半导体激光管热沉2、非球面准直透镜 3、准直镜架4、反馈反射镜5、反馈反射镜调节架动板6、反馈反射 镜调节架定板7、激光频率调谐微调螺钉8、反馈反射镜调谐转动中 心微调螺钉9、反馈反射镜调节架压电陶瓷10、光栅固定架11、衍 射光栅12和底板13。
功率30mW波长为689nm的半导体激光管1发出的激光光束， 经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的非球面准直透镜3准直后，入 射在刻线密度为18()()g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为 12.5mmxl2.5mm、厚度为6mm的闪耀衍射光栅12上，光栅12的 零阶衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅12的一级 衍射光正入射到平面反射镜5上，在反射镜5上反射后光线被反向， 沿着与原入射光束共线反向的路径，沿原路经光栅12再次衍射后，
返回到半导体激光管1中。
其中，半导体激光管1通过热沉2采用温度传感器和半导体制冷 器实现温度控制。准直透镜3通过镜架4被调整和固定。反射镜5被 固定在调节架动板6上，其方向可通过调节架定板7上的调节螺4丁 8 和9进行调整，还可通过动板上的压电陶瓷10进行细调；衍射光栅 12通过光栅固定架11固定在底板13上。反馈反射镜调谐转动中心 微调螺钉9为所述反馈反射镜调谐转动中心调节机构；激光频率调谐 微调螺钉8和压电陶瓷10为反馈反射镜转动调节机构。本实施例中 反馈反射镜调谐转动中心Pq位于反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉 9的中心轴线上。通过调节反馈反射镜调谐转动中心微调螺钉9带动 反馈反射镜调节架动板6移动，使反馈反射镜调谐转动中心Pq满足 上述关系式(5)或(6)的要求，通过调节激光频率调谐微调螺钉8 带动反馈反射镜调节架动板6使其上的反馈反射镜5转动，实现反馈 反射镜5绕所述调谐转动中心Pq转动。外腔和光栅12的选频作用 可通过转动反射镜5绕准同步转动中心Pq的转动实现。例如通过微调螺钉8改变反射镜5的角度进行粗调，或经过在压电陶覺10施加 控制电压进行细调。
图5给出了准同步调谐掠入射(Littman)结构外腔半导体激光 器实施例，其中光学子腔长〃=35mm， /2=13.02mm，则光学腔长 /=48.02mm，光线在光栅12上的入射角为9i=60° ，衍射角为9d =22.98°,则角度差ei-6d二37.02。，可得常规频率同步调谐转动中心坐 标为x0=1.902mm， y(H19.109mm ，这里取准同步转动中心坐标为 xq=11.256mm， yq=26.164mm ， 相应的其它参量为uq=9.814mm ， vq=-10.786mm,则对应的激光频率同步调谐范围为3400GHz。随着 xq-xO或uq-u()的增加，同步调谐范围会下降。例如若 xq=50mm,对应的激光频率同步调谐范围为1500GHz; 而若 xq=100mm，对应的激光频率同步调谐范围为1100GHz;而即 <吏 xq=500mm，对应的激光频率同步调谐范围仍可达到400GHz。完全 可满足一般应用的需求。这时的xq、 yq、 uq和vq值已经覆盖了一 般Littman结构和掠衍射结构中可以取值的选择范围。实际上，这时 的激光频率不跳模的连续调谐范围已经主要由其它元件和参数决定， 例如半导体激光管1发射面镀增透膜的剩余反射状态等。
图6给出了准同步调谐掠衍射结构外腔半导体激光器实施例，其 中光学子腔长〃二25mm, G二20.059mm，则光学腔长/=45.059mm， 光线在光栅12上的入射角为61=22.5°，衍射角为6d =60.893°,则角 度差ei-ed=-38.393° ，可得常规频率同步调谐转动中心坐标为 x0=11.276mm ， y0=33.133mm , 这里取准同步转动中心坐标为 xq=25.2768mm， yq:22.039誦，相应的其它参量为uq=6.588mm， vq=-8.69mm,则对应的激光频率同步调谐范围为1400GHz。同理， 随着xq-xO或uq-u()的增加，同步调谐范围会下降。例如若 xq=50mm ,对应的激光频率同步调谐范围为800GHz ; 而若 xq=100mm，对应的激光频率同步调谐范围为500GHz;而即使 xq=500mm，对应的激光频率同步调谐范围仍可达到200GHz。同样 可满足一般应用的需求。可以看出，由于在图6中xO或-uO明显大
21于图5的数值，因此对应的同步调谐范围有相应的下降。
上述方案中的半导体激光管1也可选用其它波长，其它输出功
率，光栅12也可采用其它类型的光栅，比如透射光栅或全息光栅 等，其它刻线密度和大小厚度构成；准直透镜3也可以采用其它焦距 和数值孔径，xq、 yq、 uq和vq值也可釆用其它数值。
本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏 的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普 通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明 的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从 而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
权利要求
1.一种光栅外腔半导体激光器的准同步调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管(1)发出的激光光束经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12)上，光栅(12)的一级衍射光正入射在反馈反射镜(5)上，该一级衍射光束在反射镜(5)上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径，按原路被光栅(12)再次衍射后，经非球面镜(3)返回到半导体激光管(1)中，其特征在于，在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足关系式(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；其中，θd为所述光束在光栅(12)上的衍射角，uq的绝对值为该调谐转动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq的绝对值为该调谐转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0的绝对值为反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离；uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负，其中，uq的基准平面为反射镜(5)的反射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅(12)衍射表面所在平面。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若光栅外腔激光 器的光学腔长/、所述输入光束的中心线在光栅(12)的衍射表面的 交点到半导体激光管(1)后端反射面的光学距离、光栅常数、入射 光束在光栅(12)上的入射角和半导体激光管(1)输出激光波长都 为确定尺寸，则在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调 谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(xq， yq)满足关系 式yq画y0 = (xq - x0) tan(6i-ed);其中，x轴为半导体激光管(1)发出的所述光束的中心线，其 方向为所述光束方向；y轴为半导体激光管(1)等效后表面与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的 中心线与平面SL的交点；x0、 y0为常规的同步频率调谐转动中心在 xOy坐标系中的坐标；Gi为所述入射光束在光栅(12)上的入射 角。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在一个 或一个以上自由度上调节所述反射镜(5)的调谐转动中心的位置， 使半导体激光器的反射镜(5)调谐转动中心的位置满足所述关系 式。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述半导体激 光器中设置一个自由度的反射镜调谐转动中心调节机构，该调节机构 能够使反射镜调谐转动中心到达满足所述关系式的至少 一 个点上；并 设置反射镜转动调节机构使反射镜(5)以所述调谐转动中心为轴转动；通过所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜调谐转动中心在所述自由度上向一个方向位移；调节反射镜转动调节机构并检测半导体激光器输出激光的频率连 续调节范围，判断该频率连续调节范围是否随光栅调谐转动中心位置 的改变而增大，若是，则使反射镜调谐转动中心继续沿该方向位移， 直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，沿与当前位 移方向的相反方向位移所述反射镜调谐转动中心，直到输出激光频率 连续调节范围满足应用的需求。
5. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光栅外 腔半导体激光器为掠入射Littman结构或掠衍射结构。
6. —种光栅外腔半导体激光器，包括半导体激光管(1)、非 球面准直透镜(3)、光栅(12)、反射镜(5)，半导体激光管(1)发出的激光光束经非球面镜(3)准直后，入射在光栅(12) 上，光栅(12)的一级衍射光正入射在反射镜(5)上，该一级衍射 光束在反射镜(5)上被反射后，沿着与入射光束共线反向的路径， 按原路被光栅(12)再次衍射后，经非球面镜(3)返回到半导体激光管(1)中，其特征在于，还包括反射镜调谐转动中心调节机构，用于调节反射镜调谐转动中心，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(叫，vq)满足关系式(uq-u0) cos(0d) + vq = 0;其中，ed为所述光束在光栅(12)上的衍射角，uq为该调谐转 动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq为该调谐转 动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0为反射镜(5)常 规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜(5)的反射表面所在的平 面的3巨离；uq和vq的符号规定为，若所述入射光线与转动中心在其基准平 面的同侧，则为正，反之为负，其中，叫的基准平面为反射镜(5) 的反射表面所在的平面，vq的基准平面为光栅(12)衍射表面所在 平面；以及反射镜转动调节机构，使反射镜(5)以所述调谐转动中心 为轴转动。
7.根据权利要求6所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在 于，若光栅外腔激光器的光学腔长/、所述输入光束的中心线在光栅(12)的衍射表面的交点到半导体激光管(1)后端反射面的光学距 离、光栅常数、入射光束在光栅(12)上的入射角、半导体激光管(1)输出激光波长都为确定尺寸，则所述光栅调谐转动中心调节机 构，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(xq， yq)满足关系式 yq - y0 = (xq - x0) tan(ei-0d);其中，x轴为半导体激光管(1)发出的所述光束的中心线，其 方向为所述光束方向；y轴为半导体激光管(1)等效后表面与光路 面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的 中心线与平面SL的交点；x0、 y0为常规的同步频率调谐转动中心 在xOy坐标系中的坐标；0i为所述入射光束在光栅(12)上的入射 角。
8. 根据权利要求6或7所述的光栅外腔半导体激光器，其特征 在于，所述反射镜调谐转动中心调节机构在一个或一个以上自由度上 调节所述反射镜调谐转动中心的位置。
9. 根据权利要求8所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在 于，所述反射镜调谐转动中心调节机构，使反射镜调谐转动中心在一 个自由度上向一个方向位移；调节反射镜转动调节机构并检测半导体 激光器输出激光的频率连续调节范围，判断该频率连续调节范围是否 随光栅调谐转动中心位置的改变而增大，若是，则调节所述反射镜调 谐转动中心调节机构使反射镜调谐转动中心继续沿该方向位移，直到 输出激光频率连续调节范围满足应用的需求；否则，调节所述反射镜 调谐转动中心调节机构，沿与当前位移方向的相反方向位移所述反射 镜调谐转动中心，直到输出激光频率连续调节范围满足应用的需求。
10. 根据权利要求9所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在 于，所述反射镜调谐转动中心调节机构为反射镜调谐转动中心微调螺 钉(9),反射镜转动调节机构为激光频率调谐微调螺钉(8)，并且 该半导体激光器还包括反射镜调节架动板(6)和固定在所述光栅 外腔半导体激光器底板(13)上的反射镜调节架定板(7);反射镜(5)被固定在所述反射镜调节架动板(6)上，激光频率 调谐微调螺钉(8)和反射镜调谐转动中心微调螺钉(9)设置在所述 光栅调节架定板(7)上，反射镜调谐转动中心位于反射镜调谐转动 中心微调螺钉(9)的中心轴线上；通过调节反射镜调谐转动中心微 调螺钉(9)带动反射镜调节架动板(6)移动，使反射镜调谐转动中 心到达满足所述关系式的位置；通过调节激光频率调谐微调螺钉 (8)带动反射镜调节架动板(6)，使其上的反射镜(5)绕所述反 射镜调谐转动中心转动。
11. 根据权利要求10所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在 于，所述反射镜转动调节机构还包括压电陶资(10)，设置在所述 反射镜调节架动板(6)和激光频率调谐微调螺钉(8)之间，用于对 反射镜调节架动板(6)的转动做精细调节。
12.根据权利要求6或7所述的光栅外腔半导体激光器，其特征在于，所述光栅外腔半导体激光器为掠入射Littmaii结构或掠衍射结 构。
全文摘要
本发明公开一种光栅外腔半导体激光器和准同步调谐方法，在通过转动所述反射镜(5)进行激光的输出频率调谐时，使反射镜(5)的调谐转动中心的位置(uq，vq)满足关系式(uq-u0)cos(θd)+vq＝0；其中，θd为所述光束在光栅上的衍射角，uq为该调谐转动中心到反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离，vq为该调谐转动中心到光栅(12)衍射表面所在平面的距离，u0为反射镜(5)常规的同步频率调谐转动中心到所述反射镜(5)的反射表面所在的平面的距离。本发明更易于设计实现激光的同步转动频率或波长调谐。
文档编号H01S5/00GK101630811SQ200810116638
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者方占军, 曹建平, 烨 李, 臧二军 申请人:中国计量科学研究院