專利名稱：光柵外腔半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)同步調(diào)諧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本導(dǎo)體激光器技術(shù)，特別是指 一 種掠入射
(Littman )結(jié)構(gòu)和掠衍射結(jié)構(gòu)中光柵外腔半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)同步調(diào) 諧方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有常規(guī)的同步調(diào)諧掠入射結(jié)構(gòu)(Littman結(jié)構(gòu))外腔半導(dǎo)體激 光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括半導(dǎo)體激光管(LD) 1、非球面準(zhǔn)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(dǎo)體激光管l發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直 透鏡3準(zhǔn)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(diǎn)。 SL表示半導(dǎo)體激光管1等效后表面，它垂直于半導(dǎo)體激光管1發(fā)出 的所述光束的中心線，它距G點(diǎn)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(diǎn)的距離為/2。 〃為G點(diǎn)到平面SL的距離，它等于G點(diǎn)到半 導(dǎo)體激光管1后端反射面的光學(xué)距離(由于受半導(dǎo)體激光管1的增益 介質(zhì)和準(zhǔn)直透鏡3折射率等因素影響，該距離 〃 與半導(dǎo)體激光管1 到所述G點(diǎn)的實(shí)際距離相比略長(zhǎng)。也就是說(shuō)平面SL相對(duì)于實(shí)際的半 導(dǎo)體激光管1后表面更遠(yuǎn)離G點(diǎn))；/2為G點(diǎn)到平面SM的距離， 它等于G點(diǎn)到反饋反射鏡5的反射表面的光學(xué)距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標(biāo)系xOy， x軸為半導(dǎo)體激光管 1發(fā)出的所述光束中心線，方向?yàn)樗龉馐?傳輸)方向；y軸為平 面SL與光路面的交線，本實(shí)施例中方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方向； 坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的中心線與平面SL的交點(diǎn)。P (x，y)表示4壬意的反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心；P0 (x0，y0)表示反射鏡常規(guī)的同步頻率 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心。x的絕對(duì)值為反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SL的距離； u的絕對(duì)值為反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SM的距離；v的絕對(duì)值為反 射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SG的距離。x0的絕對(duì)值為反射鏡常規(guī)的同 步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SL的距離；u0的絕對(duì)值為反射鏡常 規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SM的距離。
本申請(qǐng)人在先提交的申請(qǐng)?zhí)枮?200810097085.4"的中國(guó)專利申 請(qǐng)中，還提出了一種光柵掠衍射結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示，包括半導(dǎo)體激光管(LD) 1、非球面準(zhǔn)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(dǎo)體激光管1發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直 透鏡3準(zhǔn)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(diǎn)。 SL表示半導(dǎo)體激光管1等效后表面，它垂直于半導(dǎo)體激光管1發(fā)出 的所述光束的中心線，它距G點(diǎn)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(diǎn)的距離為/2。 〃為G點(diǎn)到平面SL的距離，它等于G點(diǎn)到半 導(dǎo)體激光管1后端反射面的光學(xué)距離(由于受半導(dǎo)體激光管1的增益 介質(zhì)和準(zhǔn)直透鏡3折射率等因素影響，該距離/7與半導(dǎo)體激光管1 到所述G點(diǎn)的實(shí)際距離相比略長(zhǎng)。也就是說(shuō)平面SL相對(duì)于實(shí)際的半 導(dǎo)體激光管1后表面更遠(yuǎn)離G點(diǎn))；/2為G點(diǎn)到平面SM的距離， 它等于G點(diǎn)到反饋反射鏡5的反射表面的光學(xué)距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標(biāo)系xOy， x軸為半導(dǎo)體激光管 1發(fā)出的所述光束的中心線，方向?yàn)樗龉馐?傳輸)方向；y軸為 平面SL與光路面的交線，本實(shí)施例中方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方 向；坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的中心線與平面SL的交點(diǎn)。P(x，y)表 示任意的反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心；P0 (x0，y0)表示反射鏡常規(guī)的同步 頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心。x的絕對(duì)值為反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SL的距 離；u的絕對(duì)值為反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SM的距離；v的絕對(duì)值為反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心P到平面SG的距離。x0的絕對(duì)值為反射鏡常規(guī) 的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SL的距離；u0的絕對(duì)值為反射 鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SM的距離。
圖1和圖2中， 〃 和/2分別表示G點(diǎn)到半導(dǎo)體激光管1后端反 射面和反饋反射鏡5的光學(xué)距離，即光柵外腔的兩個(gè)子光學(xué)腔長(zhǎng)，它 們的和/ =〃 + /2表示整個(gè)光柵外腔激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)。在點(diǎn)P=P0， v=0。圖1和圖2中表示相互位置的參數(shù)x、 u和v的符號(hào)規(guī)定為， 若所述光束與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)。其 中，x的基準(zhǔn)平面為平面SL， u的基準(zhǔn)平面為平面SM， v的基準(zhǔn)平 面為平面SG。根據(jù)上述規(guī)則可以看出，在圖1中對(duì)于P點(diǎn)，u、 x為 正，v為負(fù)，對(duì)于P0點(diǎn)，uO為正，xO為負(fù)。在圖2中，對(duì)于P點(diǎn)，
為正，v為負(fù)，對(duì)于PO點(diǎn)，xO為正，uO為負(fù)。
在圖1和圖2所示的上述兩種結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體激光管l發(fā)出的激 光經(jīng)非球面鏡3準(zhǔn)直后，入射在衍射光柵12上。光柵12的一級(jí)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(jīng)非球面鏡 3返回到半導(dǎo)體激光管1中。
激光波長(zhǎng)或頻率的調(diào)諧，是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡5，從而改變光線在 光柵12上的衍射角實(shí)現(xiàn)的。然而，在轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡5的過(guò)程中，光柵 12的選頻作用和反射鏡5經(jīng)過(guò)光柵12與半導(dǎo)體激光管1等效后表面 SL構(gòu)成的F-P外腔的選頻作用同時(shí)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(xù) 調(diào)諧，使得可得到的激光頻率不跳模連續(xù)調(diào)諧范圍非常小，例如l至 2個(gè)GHz。為了實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)或頻率的同步調(diào)諧，即實(shí)現(xiàn)不跳模的頻 率連續(xù)調(diào)諧， 一般需要反饋反射鏡5的調(diào)諧同時(shí)滿足兩個(gè)條件
<formula>formula see original document page 9</formula>
即滿足同步調(diào)諧的x0、 u0、 v0由上述兩個(gè)方程限制，滿足這種 條件的反射鏡5轉(zhuǎn)動(dòng)中心稱為激光頻率的常規(guī)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，以過(guò)常規(guī)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P()且垂直于光路面的直線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
若光柵外腔激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)/、子腔長(zhǎng) 〃、光柵常數(shù)d、入射
角9i和激光波長(zhǎng)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(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)P0 (x0,y0)為
x0= 〃- / d sin(9i) / i (3) y()二 / d cos(ei) /入 (4)
其中，x0為調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0在x軸的坐標(biāo)值，其絕對(duì)值等于所 述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P()到平面SL的距離，x0符號(hào)的規(guī)定為，若所述半 導(dǎo)體激光管1發(fā)出到光柵12的入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平面的 同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其中，x0的基準(zhǔn)平面為平面SL (由于本 發(fā)明中默認(rèn)x軸的方向與所述半導(dǎo)體激光管1發(fā)出的入射到光柵12 的光束方向相同，因此通過(guò)該符號(hào)規(guī)定所確定的xq符號(hào)與xq坐標(biāo) 值的符號(hào)相符)。yO為調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0在y軸的坐標(biāo)值，其絕對(duì)值 等于該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到所述入射光束中心線，即x軸的距離，yq 的符號(hào)即為y0坐標(biāo)值的符號(hào)，公式(4)是根據(jù)圖1和圖2中所示的 y軸方向推導(dǎo)得出的；如果y軸方向?yàn)閤軸逆時(shí)針90度方向，公式 (4)中y0前應(yīng)為負(fù)號(hào)。
為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)或頻率的同步調(diào)諧，外腔半導(dǎo)體激光器的機(jī)械設(shè)計(jì) 上，必須保證上述兩個(gè)約束條件同時(shí)被滿足，這意味著需要兩個(gè)具備 獨(dú)立自由度的調(diào)整機(jī)構(gòu)。并且轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0的位置不能離開(kāi)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(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)、調(diào)整和應(yīng)用是十分不利的，同時(shí)造成了機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性并增加 了不穩(wěn)定因素。
實(shí)際中在許多情形下，大的連續(xù)不跳模調(diào)諧范圍還受到許多其它 因素影響，例如半導(dǎo)體激光管l表面是否鍍有增透膜和鍍膜質(zhì)量等。 然而， 一般近百個(gè)GHz甚至幾十個(gè)GHz的激光頻率的連續(xù)調(diào)諧范圍 已經(jīng)能夠滿足相當(dāng)多應(yīng)用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出一種光柵外腔半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)同步調(diào)諧 方法，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光同步轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率或波長(zhǎng)調(diào)諧。。
基于上述目的本發(fā)明提供了一種光柵外腔半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)同步 調(diào)諧方法，在該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，半導(dǎo)體激光管發(fā)出的激光 光束經(jīng)非球面鏡準(zhǔn)直后，入射在光柵上，光柵的一級(jí)衍射光正入射在 反饋反射鏡上，該一級(jí)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(jīng)非球面鏡返回到半 導(dǎo)體激光管中，其中，在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述反射鏡進(jìn)行激光的輸出頻率調(diào)
諧時(shí)，使反射鏡的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(uq， vq)滿足關(guān)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(duì)值為該調(diào)諧 轉(zhuǎn)動(dòng)中心到反射鏡的反射表面所在的平面的距離，vq的絕對(duì)值為該 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到光柵衍射表面所在平面的距離，u0的絕對(duì)值為反射 鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)規(guī)定為，若所述入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平 面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其中，uq的基準(zhǔn)平面為反射鏡的反 射表面所在的平面，vq的基準(zhǔn)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(xué)腔長(zhǎng)/、所述輸入光 束的中心線在光柵的衍射表面的交點(diǎn)到半導(dǎo)體激光管后端反射面的光 學(xué)距離、光柵常數(shù)、入射光束在光柵上的入射角和半導(dǎo)體激光管輸出 激光波長(zhǎng)都為確定尺寸，則在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述反射鏡進(jìn)行激光的輸出頻 率調(diào)諧時(shí)，使反射鏡的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(xq， yq)滿足關(guān)系 式y(tǒng)q - y0 = (xq - x()) tan(6i-ed);
其中，x軸為半導(dǎo)體激光管發(fā)出的所述光束的中心線，其方向?yàn)?所述光束方向；y軸為半導(dǎo)體激光管等效后表面與光路面的交線，方 向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方向；坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的中心線與平面 SL的交點(diǎn)；x0、 y()為常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在xOy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；9i為所述入射光束在光4冊(cè)上的入射角。
可選的，該方法通過(guò)在一個(gè)或一個(gè)以上自由度上調(diào)節(jié)所述反射鏡 的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置，使半導(dǎo)體激光器的反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位 置滿足所述關(guān)系式。
可選的，該方法在所述半導(dǎo)體激光器中設(shè)置一個(gè)自由度的反射鏡 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到達(dá)
滿足所述關(guān)系式的至少 一 個(gè)點(diǎn)上；并設(shè)置反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使反射 鏡以所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
通過(guò)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 在所述自由度上向一個(gè)方向位移；
調(diào)節(jié)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并檢測(cè)半導(dǎo)體激光器輸出激光的頻率連 續(xù)調(diào)節(jié)范圍，判斷該頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是否隨光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置 的改變而增大，若是，則使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心繼續(xù)沿該方向位移， 直到輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求；否則，沿與當(dāng)前位 移方向的相反方向位移所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，直到輸出激光頻率 連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求。
可選的，該方法所述光柵外腔半導(dǎo)體激光器為掠入射Littman結(jié) 構(gòu)或掠衍射結(jié)構(gòu)。
基于上述目的本發(fā)明還提供了一種光柵外腔半導(dǎo)體激光器，包 括半導(dǎo)體激光管、非球面準(zhǔn)直透鏡、光柵、反射鏡，半導(dǎo)體激光管 發(fā)出的激光光束經(jīng)非球面鏡準(zhǔn)直后，入射在光柵上，光柵的一級(jí)衍射 光正入射在反射鏡上，該一級(jí)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(jīng)非球面鏡返 回到半導(dǎo)體激光管中，其中，還包括
反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，
使反射鏡的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(uq， vq)滿足關(guān)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(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到反射鏡的反射表面所在的平面的距離，vq為該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到光 柵衍射表面所在平面的距離，uO為反射鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng) 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(hào)規(guī)定為，若所述入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平 面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其中，叫的基準(zhǔn)平面為反射鏡的反 射表面所在的平面，vq的基準(zhǔn)平面為光柵衍射表面所在平面；
以及反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡以所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
可選的，該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，若光柵外腔激光器的光學(xué) 腔長(zhǎng)/、所述輸入光束的中心線在光柵的衍射表面的交點(diǎn)到半導(dǎo)體激 光管后端反射面的光學(xué)距離、光柵常數(shù)、入射光束在光柵上的入射 角、半導(dǎo)體激光管輸出激光波長(zhǎng)都為確定尺寸，則所述光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng) 中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(xq， yq)滿足關(guān) 系式y(tǒng)q - y0 = (xq - x0) tan(9i-ed);
其中，x軸為半導(dǎo)體激光管發(fā)出的所述光束的中心線，其方向?yàn)?所述光束方向；y軸為半導(dǎo)體激光管等效后表面與光路面的交線，方 向?yàn)閤軸順時(shí)針卯度方向；坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的中心線與平面 SL的交點(diǎn)；x()、 y()為常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在xOy坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)；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(dǎo)體激光器中，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在一個(gè)或一個(gè)以上自由度上調(diào)節(jié)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的 位置。
可選的，該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在一個(gè)自由度上向一個(gè)方向位移； 調(diào)節(jié)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并檢測(cè)半導(dǎo)體激光器輸出激光的頻率連續(xù)調(diào) 節(jié)范圍，判斷該頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是否隨光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置的改 變而增大，若是，則調(diào)節(jié)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使反射鏡 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心繼續(xù)沿該方向位移，直到輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿
足應(yīng)用的需求；否則，調(diào)節(jié)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，沿與當(dāng)前位移方向的相反方向位移所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，直到輸出激 光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求。
可選的，該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為激
光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘，并且該半導(dǎo)體激光器還包括反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng) 板和固定在所述光柵外腔半導(dǎo)體激光器底板上的反射鏡調(diào)節(jié)架定板；
反射鏡被固定在所述反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板上，激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺 釘和反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘設(shè)置在所述光柵調(diào)節(jié)架定板上，反 射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘?shù)闹行妮S線上； 通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘帶動(dòng)反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板移動(dòng)， 使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到達(dá)滿足所述關(guān)系式的位置；通過(guò)調(diào)節(jié)激光頻 率調(diào)諧微調(diào)螺釘帶動(dòng)反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板，使其上的反射鏡繞所述反射 鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。
可選的，該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，所述反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 還包括壓電陶瓷，設(shè)置在所述反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板和激光頻率調(diào)諧微 調(diào)螺釘之間，用于對(duì)反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板的轉(zhuǎn)動(dòng)做精細(xì)調(diào)節(jié)。
可選的，該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，所述光柵外腔半導(dǎo)體激光 器為掠入射Littman結(jié)構(gòu)或掠衍射結(jié)構(gòu)。
從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的光柵外腔半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn) 同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心選擇方法，減少了約束條件數(shù)目，將兩個(gè)約束條件 減少為一個(gè)，從而調(diào)整機(jī)構(gòu)僅需一個(gè)自由度。去除了轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置 不能離開(kāi)光柵表面所在的平面SG的限制。使得同步調(diào)諧具有更多的 選擇和更大的發(fā)揮余地和空間。易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光的同步轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或 波長(zhǎng)調(diào)諧，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，更加簡(jiǎn)單和容易調(diào)整。


圖1為現(xiàn)有同步調(diào)諧Littman結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意
圖2為光柵掠衍射結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例準(zhǔn)同步調(diào)諧Littman結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器 的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明實(shí)施例準(zhǔn)同步調(diào)諧掠衍射結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器的 結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例帶有調(diào)節(jié)部件的準(zhǔn)同步調(diào)諧Littman結(jié)構(gòu)外 腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明實(shí)施例帶有調(diào)節(jié)部件的準(zhǔn)同步調(diào)諧光柵掠衍射外腔 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述，其中說(shuō)明本發(fā)明的示 例性實(shí)施例。
本發(fā)明提出采用準(zhǔn)同步調(diào)諧方法實(shí)現(xiàn)激光頻率的連續(xù)調(diào)諧，它包 含了常規(guī)的同步調(diào)諧條件在內(nèi)。本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的準(zhǔn)同步調(diào)諧掠入 射(Littman)結(jié)構(gòu)光柵反饋外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示，包 括半導(dǎo)體激光管(LD) 1、非球面準(zhǔn)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(dǎo)體激光管l發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直 透鏡3準(zhǔn)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(diǎn)。 SL表示半導(dǎo)體激光管1等效后表面，它垂直于半導(dǎo)體激光管1發(fā)出 的所述光束的中心線，它距G點(diǎn)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(diǎn)的距離為/入 〃 為G點(diǎn)到平面SL的距離，它等于G點(diǎn)到半 導(dǎo)體激光管1后端反射面光學(xué)距離(由于受半導(dǎo)體激光管1的增益介 質(zhì)和準(zhǔn)直透鏡3折射率等因素影響，該距離 〃 與半導(dǎo)體激光管1到 所述G點(diǎn)的實(shí)際距離相比略長(zhǎng)。也就是說(shuō)平面SL相對(duì)于實(shí)際的半導(dǎo) 體激光管1后表面更遠(yuǎn)離G點(diǎn))；/2為G點(diǎn)到平面SM的距離，它 等于G點(diǎn)到反饋反射鏡5的反射表面的光學(xué)距離。為了方便描述，在光路面建立坐標(biāo)系xOy， x軸為半導(dǎo)體激光管 1發(fā)出的所述光束的中心線，方向?yàn)樗龉馐?傳輸)方向；y軸為 平面SL與光路面的交線，本實(shí)施例中方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方 向；坐標(biāo)原點(diǎn)()為所述光束的中心線與平面SL的交點(diǎn)。P0
(x0，y0 )表示反射鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，Pq ( xq，yq ) 表 示反射鏡準(zhǔn)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心。xq的絕對(duì)值為反射鏡5的準(zhǔn)同步頻 率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SL的距離，uq的絕對(duì)值為反射鏡準(zhǔn)同步 頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SM的距離，vq的絕對(duì)值為反射鏡準(zhǔn)同 步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SG的距離。x0的絕對(duì)值為反射鏡常 規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SL的距離；u0的絕對(duì)值為反 射鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SM的距離。
本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的掠衍射結(jié)構(gòu)光柵反饋外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 如圖4所示，包括半導(dǎo)體激光管(LD) 1、非球面準(zhǔn)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(dǎo)體激光管l發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直 透鏡3準(zhǔn)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(diǎn)。 SL表示半導(dǎo)體激光管1等效后表面，它垂直于半導(dǎo)體激光管1發(fā)出 的所述光束的中心線，它距G點(diǎn)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(diǎn)的距離為/2。 〃為G點(diǎn)到平面SL的距離，它等于G點(diǎn)到半 導(dǎo)體激光管1后端反射面光學(xué)距離(由于受半導(dǎo)體激光管1的增益介 質(zhì)和準(zhǔn)直透鏡3折射率等因素影響，該距離W與半導(dǎo)體激光管1到 所述G點(diǎn)的實(shí)際距離相比略長(zhǎng)。也就是說(shuō)平面SL相對(duì)于實(shí)際的半導(dǎo) 體激光管1后表面更遠(yuǎn)離G點(diǎn))；/2為G點(diǎn)到平面SM的距離，它 等于G點(diǎn)到反饋反射鏡5的反射表面的光學(xué)距離。
為了方便描述，在光路面建立坐標(biāo)系xOy， x軸為半導(dǎo)體激光管 1發(fā)出的所述光束的中心線，其方向?yàn)樗龉馐?傳輸)方向；y軸 為平面SL與光路面的交線，本實(shí)施例中方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方向；坐標(biāo)原點(diǎn)()為所述光束的中心線與平面SL的交點(diǎn)。P0 (x0，y0)表示反射鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，Pq (xq，yq)表 示反射鏡準(zhǔn)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心。xq的絕對(duì)值為反射鏡5的準(zhǔn)同步頻 率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SL的距離，uq的絕對(duì)值為反射鏡準(zhǔn)同步 頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SM的距離，vq的絕對(duì)值為反射鏡準(zhǔn)同 步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SG的距離。x0的絕對(duì)值為反射鏡常 規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SL的距離；u0的絕對(duì)值為反 射鏡常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心P0到平面SM的距離。
圖3和圖4中，半導(dǎo)體激光管1發(fā)出的激光經(jīng)非球面鏡3準(zhǔn)直 后，入射在衍射光柵12上，光柵12的一級(jí)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(jīng)非球面鏡3返回到半導(dǎo)體激光 管1中。 〃 和/2分別表示G點(diǎn)到半導(dǎo)體激光管1后端反射面和反饋 反射鏡5的光學(xué)距離，即光柵外腔的兩個(gè)子光學(xué)腔長(zhǎng)，它們的和/= // + /2表示整個(gè)光柵外腔激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)。
根據(jù)長(zhǎng)期系統(tǒng)研究和大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在圖3和圖4所示光柵反饋 外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中，存在反饋反射鏡5的準(zhǔn)同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)uq和 vq的符號(hào)規(guī)定為，若從所述半導(dǎo)體激光管1發(fā)出到光柵12的入射光 線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)。其中，uq
的基準(zhǔn)平面為平面SM， vq的基準(zhǔn)平面為平面SG?？梢钥闯?，當(dāng)0d 趨向于ei并最終等于9i時(shí)，則上式可還原成為L(zhǎng)ittrow結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)同步 調(diào)諧條件方程。
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)反饋反射鏡5的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq的位 置滿足公式(5)時(shí)，可以獲得明顯優(yōu)于其它點(diǎn)的明顯更大的不跳模 連續(xù)頻率同步調(diào)諧范圍，因此稱符合上述關(guān)系式的Pq為準(zhǔn)同步調(diào)諧 轉(zhuǎn)動(dòng)中心，Pq(uq, vq)越接近P0 (滿足/〉式(1 ) 、( 2 )，或(3) 、 (4))，連續(xù)頻率同步調(diào)諧范圍越大(當(dāng)達(dá)到P0時(shí)理論上 連續(xù)可調(diào)諧范圍為無(wú)窮大)。在實(shí)際中，幾十個(gè)GHz或幾百個(gè)GHz 的連續(xù)頻率同步調(diào)諧范圍已經(jīng)能夠滿足相當(dāng)多應(yīng)用的需求。而理想情 況下，對(duì)于常規(guī)尺度的半導(dǎo)體激光器，也就是說(shuō)uq-u0和vq不是特 別大時(shí)，(一般半導(dǎo)體激光器都符合這一假設(shè))，調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于 Pq(uq， vq)時(shí)，半導(dǎo)體激光器的輸出光連續(xù)頻率同步調(diào)諧范圍可達(dá)到 幾十至上百GHz，甚至上千GHz，因此都能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用要 求。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，Pq到PO的距離在一百毫米以內(nèi)，某些情況下幾 百毫米甚至更大，都是可以得到比較好的調(diào)諧效果。
這樣本發(fā)明就可以通過(guò)在一個(gè)自由度上調(diào)節(jié)所述反饋反射鏡5的 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq的位置，使反饋反射鏡5調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq的位置 滿足所述關(guān)系式，就可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用要求。
若光柵外腔激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)/、子光學(xué)腔長(zhǎng) 〃、光柵常數(shù)d、 入射角0i和半導(dǎo)體激光管1輸出激光波長(zhǎng)X被確定，則在x， y平面 上，滿足條件(5)的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)Pq(xq，yq)的軌跡，為xOy 平面上的一條直線，該直線方程為
yq畫(huà)y0 = (xq - x0) tan(9i-ed) (6)
其中，xq為所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq在x軸的坐標(biāo)值，其絕對(duì)值等 于所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到平面SL的距離，xq符號(hào)的規(guī)定為，若所 述入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其 中，xq的基準(zhǔn)平面為平面SL (由于本發(fā)明中默認(rèn)x軸的方向與所述 半導(dǎo)體激光管1發(fā)出的入射到光柵12的光束方向相同，因此通過(guò)該 符號(hào)規(guī)定所確定的xq符號(hào)與xq坐標(biāo)值的符號(hào)相符)。yq為調(diào)諧轉(zhuǎn) 動(dòng)中心Pq在y軸的坐標(biāo)值，其絕對(duì)值等于該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq到所 述入射光束中心線，即x軸的距離，yq的符號(hào)即為yq坐標(biāo)值的符 號(hào)，公式(6)是根據(jù)圖3和圖4中所示的y軸方向推導(dǎo)得出的，如 果y軸方向?yàn)閤軸逆時(shí)針9()度方向，公式(6)中yp前應(yīng)為負(fù)號(hào)。 x0和y0為常規(guī)的反射鏡同步調(diào)諧的轉(zhuǎn)動(dòng)中心在xOy坐標(biāo)系的坐標(biāo)， 由方程(3)和(4)給出，符號(hào)也由方程(3)和(4)給出。從激光器實(shí)際物理空間上，本發(fā)明可以看成是，在(x， y)坐標(biāo)平面xOy 上，滿足實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步調(diào)諧的坐標(biāo)Pq(xq，yq)的取值范圍，由常規(guī)同步 調(diào)諧條件(3)和(4)所限定的一點(diǎn)P0(x0，y0)，拓展為xOy平面上 的過(guò)該P(yáng)0點(diǎn)、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(yuǎn)離)P0的區(qū)間，該區(qū)間可以位于P0點(diǎn)的任意一側(cè)。在 該直線上，可以獲得明顯優(yōu)于其它點(diǎn)的大的同步調(diào)諧范圍，且越接近 常規(guī)同步調(diào)諧點(diǎn)P()(xO，yO)，同步調(diào)諧范圍越大?？梢钥闯?，當(dāng)9d趨 向于6i并最終等于9i時(shí)，則上式可還原成為L(zhǎng)ittrow結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)同步調(diào) 諧條件方程yq= y()=(〃2)/tan(ei)。
為實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述半導(dǎo)體激光器 中設(shè)置反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)反饋反射鏡調(diào)諧 轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq,使反饋反射鏡準(zhǔn)調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq的位置滿足關(guān)系式 (5)或在腔長(zhǎng)一定情況下滿足關(guān)系式(6);并設(shè)置反饋反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使反饋反射鏡5以所述準(zhǔn)調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
通過(guò)所述反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反饋反射鏡調(diào)諧 轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq在一個(gè)自由度上向一個(gè)方向位移(即改變位置)；位移 到某個(gè)位置時(shí)，調(diào)節(jié)反饋反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并檢測(cè)半導(dǎo)體激光器輸 出激光的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍，判斷該頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是否隨反饋反 射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq位置的改變而增大，若是，則調(diào)節(jié)所述反饋反 射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq繼續(xù)沿 該方向位移，直到輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求；否 則，調(diào)節(jié)所述反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得所述反饋反射 鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq沿與當(dāng)前位移方向相反的方向位移，直到輸出激
光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求。
當(dāng)然，所述反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也可以有一個(gè)以上 的自由度，比如當(dāng)有兩個(gè)自由度時(shí)，可以通過(guò)在一個(gè)自由度上調(diào) 節(jié)，將反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq調(diào)節(jié)到滿足公式(5)或(6)的 一點(diǎn)；通過(guò)在另一個(gè)自由度上調(diào)節(jié)，使反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq 接近或遠(yuǎn)離所述的P0點(diǎn)。參見(jiàn)圖5和圖6所示，為本發(fā)明帶有上述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的一個(gè)具體實(shí) 施例。
包括半導(dǎo)體激光管1、半導(dǎo)體激光管熱沉2、非球面準(zhǔn)直透鏡 3、準(zhǔn)直鏡架4、反饋反射鏡5、反饋反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板6、反饋反射 鏡調(diào)節(jié)架定板7、激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘8、反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中 心微調(diào)螺釘9、反饋反射鏡調(diào)節(jié)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(zhǎng)為689nm的半導(dǎo)體激光管1發(fā)出的激光光束， 經(jīng)過(guò)焦距為4mm，數(shù)值孔徑為0.6的非球面準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)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(jí) 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(jīng)光柵12再次衍射后，
返回到半導(dǎo)體激光管1中。
其中，半導(dǎo)體激光管1通過(guò)熱沉2采用溫度傳感器和半導(dǎo)體制冷 器實(shí)現(xiàn)溫度控制。準(zhǔn)直透鏡3通過(guò)鏡架4被調(diào)整和固定。反射鏡5被 固定在調(diào)節(jié)架動(dòng)板6上，其方向可通過(guò)調(diào)節(jié)架定板7上的調(diào)節(jié)螺4丁 8 和9進(jìn)行調(diào)整，還可通過(guò)動(dòng)板上的壓電陶瓷10進(jìn)行細(xì)調(diào)；衍射光柵 12通過(guò)光柵固定架11固定在底板13上。反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 微調(diào)螺釘9為所述反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；激光頻率調(diào)諧 微調(diào)螺釘8和壓電陶瓷10為反饋反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本實(shí)施例中 反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq位于反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘 9的中心軸線上。通過(guò)調(diào)節(jié)反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘9帶動(dòng) 反饋反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板6移動(dòng)，使反饋反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq滿足 上述關(guān)系式(5)或(6)的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘8 帶動(dòng)反饋反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板6使其上的反饋反射鏡5轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反饋 反射鏡5繞所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq轉(zhuǎn)動(dòng)。外腔和光柵12的選頻作用 可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡5繞準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)中心Pq的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。例如通過(guò)微調(diào)螺釘8改變反射鏡5的角度進(jìn)行粗調(diào)，或經(jīng)過(guò)在壓電陶覺(jué)10施加 控制電壓進(jìn)行細(xì)調(diào)。
圖5給出了準(zhǔn)同步調(diào)諧掠入射(Littman)結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光 器實(shí)施例，其中光學(xué)子腔長(zhǎng)〃=35mm， /2=13.02mm，則光學(xué)腔長(zhǎng) /=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(guī)頻率同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐 標(biāo)為x0=1.902mm， y(H19.109mm ，這里取準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為 xq=11.256mm， yq=26.164mm ， 相應(yīng)的其它參量為uq=9.814mm ， vq=-10.786mm,則對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為3400GHz。隨著 xq-xO或uq-u()的增加，同步調(diào)諧范圍會(huì)下降。例如若 xq=50mm,對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為1500GHz; 而若 xq=100mm，對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為1100GHz;而即 <吏 xq=500mm，對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍仍可達(dá)到400GHz。完全 可滿足一般應(yīng)用的需求。這時(shí)的xq、 yq、 uq和vq值已經(jīng)覆蓋了一 般Littman結(jié)構(gòu)和掠衍射結(jié)構(gòu)中可以取值的選擇范圍。實(shí)際上，這時(shí) 的激光頻率不跳模的連續(xù)調(diào)諧范圍已經(jīng)主要由其它元件和參數(shù)決定， 例如半導(dǎo)體激光管1發(fā)射面鍍?cè)鐾改さ氖Ｓ喾瓷錉顟B(tài)等。
圖6給出了準(zhǔn)同步調(diào)諧掠衍射結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器實(shí)施例，其 中光學(xué)子腔長(zhǎng)〃二25mm, G二20.059mm，則光學(xué)腔長(zhǎng)/=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(guī)頻率同步調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為 x0=11.276mm ， y0=33.133mm , 這里取準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為 xq=25.2768mm， yq:22.039誦，相應(yīng)的其它參量為uq=6.588mm， vq=-8.69mm,則對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為1400GHz。同理， 隨著xq-xO或uq-u()的增加，同步調(diào)諧范圍會(huì)下降。例如若 xq=50mm ,對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為800GHz ; 而若 xq=100mm，對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍為500GHz;而即使 xq=500mm，對(duì)應(yīng)的激光頻率同步調(diào)諧范圍仍可達(dá)到200GHz。同樣 可滿足一般應(yīng)用的需求?？梢钥闯?，由于在圖6中xO或-uO明顯大
21于圖5的數(shù)值，因此對(duì)應(yīng)的同步調(diào)諧范圍有相應(yīng)的下降。
上述方案中的半導(dǎo)體激光管1也可選用其它波長(zhǎng)，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(gòu)成；準(zhǔn)直透鏡3也可以采用其它焦距 和數(shù)值孔徑，xq、 yq、 uq和vq值也可釆用其它數(shù)值。
本發(fā)明的描述是為了示例和說(shuō)明起見(jiàn)而給出的，而并不是無(wú)遺漏 的或者將本發(fā)明限于所公開(kāi)的形式。很多修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員而言是顯然的。選擇和描述實(shí)施例是為了更好說(shuō)明本發(fā)明 的原理和實(shí)際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明從 而設(shè)計(jì)適于特定用途的帶有各種修改的各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光柵外腔半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)同步調(diào)諧方法，在該光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，半導(dǎo)體激光管(1)發(fā)出的激光光束經(jīng)非球面鏡(3)準(zhǔn)直后，入射在光柵(12)上，光柵(12)的一級(jí)衍射光正入射在反饋反射鏡(5)上，該一級(jí)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(jīng)非球面鏡(3)返回到半導(dǎo)體激光管(1)中，其特征在于，在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述反射鏡(5)進(jìn)行激光的輸出頻率調(diào)諧時(shí)，使反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(uq，vq)滿足關(guān)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(duì)值為該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq的絕對(duì)值為該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到光柵(12)衍射表面所在平面的距離，u0的絕對(duì)值為反射鏡(5)常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)規(guī)定為，若所述入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其中，uq的基準(zhǔn)平面為反射鏡(5)的反射表面所在的平面，vq的基準(zhǔn)平面為光柵(12)衍射表面所在平面。
2. 根據(jù)權(quán)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(xué)腔長(zhǎng)/、所述輸入光束的中心線在光柵(12)的衍射表面的 交點(diǎn)到半導(dǎo)體激光管(1)后端反射面的光學(xué)距離、光柵常數(shù)、入射 光束在光柵(12)上的入射角和半導(dǎo)體激光管(1)輸出激光波長(zhǎng)都 為確定尺寸，則在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述反射鏡(5)進(jìn)行激光的輸出頻率調(diào) 諧時(shí)，使反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(xq， yq)滿足關(guān)系 式y(tǒng)q畫(huà)y0 = (xq - x0) tan(6i-ed);其中，x軸為半導(dǎo)體激光管(1)發(fā)出的所述光束的中心線，其 方向?yàn)樗龉馐较颍粂軸為半導(dǎo)體激光管(1)等效后表面與光路面的交線，方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方向；坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的 中心線與平面SL的交點(diǎn)；x0、 y0為常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在 xOy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Gi為所述入射光束在光柵(12)上的入射 角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)在一個(gè) 或一個(gè)以上自由度上調(diào)節(jié)所述反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置， 使半導(dǎo)體激光器的反射鏡(5)調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置滿足所述關(guān)系 式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述半導(dǎo)體激 光器中設(shè)置一個(gè)自由度的反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 能夠使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到達(dá)滿足所述關(guān)系式的至少 一 個(gè)點(diǎn)上；并 設(shè)置反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使反射鏡(5)以所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在所述自由度上向一個(gè)方向位移；調(diào)節(jié)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并檢測(cè)半導(dǎo)體激光器輸出激光的頻率連 續(xù)調(diào)節(jié)范圍，判斷該頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是否隨光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置 的改變而增大，若是，則使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心繼續(xù)沿該方向位移， 直到輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求；否則，沿與當(dāng)前位 移方向的相反方向位移所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，直到輸出激光頻率 連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光柵外 腔半導(dǎo)體激光器為掠入射Littman結(jié)構(gòu)或掠衍射結(jié)構(gòu)。
6. —種光柵外腔半導(dǎo)體激光器，包括半導(dǎo)體激光管(1)、非 球面準(zhǔn)直透鏡(3)、光柵(12)、反射鏡(5)，半導(dǎo)體激光管(1)發(fā)出的激光光束經(jīng)非球面鏡(3)準(zhǔn)直后，入射在光柵(12) 上，光柵(12)的一級(jí)衍射光正入射在反射鏡(5)上，該一級(jí)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(jīng)非球面鏡(3)返回到半導(dǎo)體激光管(1)中，其特征在于，還包括反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，使反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(叫，vq)滿足關(guān)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(diào)諧轉(zhuǎn) 動(dòng)中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq為該調(diào)諧轉(zhuǎn) 動(dòng)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(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)規(guī)定為，若所述入射光線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心在其基準(zhǔn)平 面的同側(cè)，則為正，反之為負(fù)，其中，叫的基準(zhǔn)平面為反射鏡(5) 的反射表面所在的平面，vq的基準(zhǔn)平面為光柵(12)衍射表面所在 平面；以及反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡(5)以所述調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在 于，若光柵外腔激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)/、所述輸入光束的中心線在光柵(12)的衍射表面的交點(diǎn)到半導(dǎo)體激光管(1)后端反射面的光學(xué)距 離、光柵常數(shù)、入射光束在光柵(12)上的入射角、半導(dǎo)體激光管(1)輸出激光波長(zhǎng)都為確定尺寸，則所述光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)，使反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(xq， yq)滿足關(guān)系式 yq - y0 = (xq - x0) tan(ei-0d);其中，x軸為半導(dǎo)體激光管(1)發(fā)出的所述光束的中心線，其 方向?yàn)樗龉馐较?；y軸為半導(dǎo)體激光管(1)等效后表面與光路 面的交線，方向?yàn)閤軸順時(shí)針90度方向；坐標(biāo)原點(diǎn)O為所述光束的 中心線與平面SL的交點(diǎn)；x0、 y0為常規(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心 在xOy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；0i為所述入射光束在光柵(12)上的入射 角。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征 在于，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在一個(gè)或一個(gè)以上自由度上 調(diào)節(jié)所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在 于，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心在一 個(gè)自由度上向一個(gè)方向位移；調(diào)節(jié)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并檢測(cè)半導(dǎo)體 激光器輸出激光的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍，判斷該頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是否 隨光柵調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置的改變而增大，若是，則調(diào)節(jié)所述反射鏡調(diào) 諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心繼續(xù)沿該方向位移，直到 輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求；否則，調(diào)節(jié)所述反射鏡 調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，沿與當(dāng)前位移方向的相反方向位移所述反射 鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心，直到輸出激光頻率連續(xù)調(diào)節(jié)范圍滿足應(yīng)用的需求。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在 于，所述反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺 釘(9),反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘(8)，并且 該半導(dǎo)體激光器還包括反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)和固定在所述光柵 外腔半導(dǎo)體激光器底板(13)上的反射鏡調(diào)節(jié)架定板(7);反射鏡(5)被固定在所述反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)上，激光頻率 調(diào)諧微調(diào)螺釘(8)和反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微調(diào)螺釘(9)設(shè)置在所述 光柵調(diào)節(jié)架定板(7)上，反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng) 中心微調(diào)螺釘(9)的中心軸線上；通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心微 調(diào)螺釘(9)帶動(dòng)反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)移動(dòng)，使反射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中 心到達(dá)滿足所述關(guān)系式的位置；通過(guò)調(diào)節(jié)激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘 (8)帶動(dòng)反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)，使其上的反射鏡(5)繞所述反 射鏡調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在 于，所述反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還包括壓電陶資(10)，設(shè)置在所述 反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)和激光頻率調(diào)諧微調(diào)螺釘(8)之間，用于對(duì) 反射鏡調(diào)節(jié)架動(dòng)板(6)的轉(zhuǎn)動(dòng)做精細(xì)調(diào)節(jié)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述光柵外腔半導(dǎo)體激光器為掠入射Littmaii結(jié)構(gòu)或掠衍射結(jié) 構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種光柵外腔半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)同步調(diào)諧方法，在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述反射鏡(5)進(jìn)行激光的輸出頻率調(diào)諧時(shí)，使反射鏡(5)的調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置(uq，vq)滿足關(guān)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(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離，vq為該調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)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(guī)的同步頻率調(diào)諧轉(zhuǎn)動(dòng)中心到所述反射鏡(5)的反射表面所在的平面的距離。本發(fā)明更易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光的同步轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或波長(zhǎng)調(diào)諧。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101630811SQ200810116638
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月14日
發(fā)明者方占軍, 曹建平, 燁 李, 臧二軍 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院