本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

激光光譜學(xué)研究對于現(xiàn)代物理學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。得益于激光光源的發(fā)明和不斷進(jìn)步，激光光譜學(xué)研究的應(yīng)用領(lǐng)域日趨豐富，同時也對激光光源本身提出了更多、更高的要求。激光光譜學(xué)研究往往要求激光光源具有一定的波長調(diào)諧范圍，這樣可以在調(diào)諧波長范圍內(nèi)測得目標(biāo)吸收峰，通過對吸收峰位置、強(qiáng)度和寬度的分析，從而得到所需信息。分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器具有體積小、功率穩(wěn)定、波長調(diào)諧性能穩(wěn)定的優(yōu)點，因而較多的被應(yīng)用于激光光譜學(xué)研究，尤其是氣體分子檢測與氣體濃度測定。然而，DFB半導(dǎo)體激光器調(diào)諧范圍十分有限，而許多的激光光譜學(xué)研究中需要大范圍波長調(diào)諧。

外腔半導(dǎo)體激光器具有寬調(diào)諧范圍的特點，但是外腔激光器的波長選擇往往涉及精密的機(jī)械運動控制，所以很難實現(xiàn)快速調(diào)諧和周期性波長掃描。以往研究人員通過旋轉(zhuǎn)多面棱鏡的方法，獲取較高頻率的波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器，但是激光輸出的占空比很小，而且波長掃描僅限于線性掃描模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器，以解決上述很難實現(xiàn)快速、大占空比、任意掃描模式波長掃描的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器，包括：

增益芯片(1)；

閃耀光柵(5)；以及

掃描振鏡(4)，

其中：

所述增益芯片(1)的發(fā)射光經(jīng)所述掃描振鏡(4)反射到所述閃耀光柵(5)；

所述閃耀光柵(5)的反饋光經(jīng)所述掃描振鏡(4)返回至所述增益芯片(1)，形成諧振，產(chǎn)生激光。

上述方案中，所述掃描振鏡(4)在一定偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動。

上述方案中，所述掃描振鏡(4)在一定偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動的頻率最高為1200Hz。

上述方案中，所述掃描振鏡(4)包括驅(qū)動線圈(41)、光束反射鏡(42)、掃描轉(zhuǎn)子(44)、磁鐵(45)，其中：

驅(qū)動線圈(41)在磁鐵(45)產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生電磁力矩，驅(qū)動掃描轉(zhuǎn)子(44)帶動光束反射鏡(42)旋轉(zhuǎn)；

掃描轉(zhuǎn)子(44)上通過機(jī)械紐簧或電子的方法加有復(fù)位力矩，大小與掃描轉(zhuǎn)子(44)偏離平衡位置的角度成正比；

當(dāng)驅(qū)動線圈(41)通以一定的驅(qū)動電流而掃描轉(zhuǎn)子(44)發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時，電磁力矩與復(fù)位力矩大小相等，偏轉(zhuǎn)角與電流成正比；

通過掃描驅(qū)動電流，使光束反射鏡(42)在一定角度范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動。

上述方案中，所述閃耀光柵(5)的光柵周期及閃耀角度隨增益芯片(1)所發(fā)射光波段的不同而不同。

上述方案中，所述入射光入射到閃耀光柵(5)的入射角度與閃耀光柵(5)的閃耀角度之差小于5度。

上述方案中，所述增益芯片(1)為半導(dǎo)體發(fā)光芯片。

上述方案中，還包括：

驅(qū)動及控制電路(6)，用于激勵所述增益芯片(1)發(fā)光，控制所述增益芯片(1)的溫度和電流穩(wěn)定，以及控制所述掃描振鏡(4)的轉(zhuǎn)動。

上述方案中，其中：

所述增益芯片(1)包括反饋端和發(fā)射端；

所述增益芯片(1)的反饋端發(fā)射光經(jīng)所述掃描振鏡(4)反射到所述閃耀光柵(5)；以及

所述激光從所述發(fā)射端輸出。

上述方案中，還包括：

反饋端準(zhǔn)直透鏡(3)，位于所述增益芯片(1)的反饋端與所述掃描振鏡之間；

輸出端準(zhǔn)直透鏡(2)，所述諧振后產(chǎn)生的激光經(jīng)所述輸出端準(zhǔn)直透鏡后輸出。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的一種波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器具有以下有益效果：

本發(fā)明將掃描振鏡應(yīng)用于外腔激光器，實現(xiàn)較寬范圍的波長快速掃描。掃描振鏡能夠?qū)崿F(xiàn)上千赫茲的小角度來回轉(zhuǎn)動，且波形由驅(qū)動電流的波形決定。利用掃描振鏡來改變?nèi)肷涞焦鈻派系慕嵌?，從而在較大范圍內(nèi)改變Littrow外腔模式的激射波長，由此實現(xiàn)寬范圍、高占空比、較高掃描頻率且掃描模式多樣化的波長掃面外腔半導(dǎo)體激光器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a是本發(fā)明實施例的掃描振鏡結(jié)構(gòu)圖。

圖2b是本發(fā)明實施例的掃描鏡三維示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的中心波長7.3μm波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器在固定和掃描模式下的發(fā)射光譜圖(模擬計算得到，實際光譜隨反饋狀態(tài)而不同)。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

針對激光光譜學(xué)研究中對于寬調(diào)諧范圍、大占空比快速掃描激光光源的需求，本發(fā)明將掃描振鏡引入外腔半導(dǎo)體激光器中，用作光束掃描元件，從而獲得寬調(diào)諧范圍、大占空比、較高掃描頻率的波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器，且可以根據(jù)需要設(shè)置多種掃描模式。

圖1是本發(fā)明實施例的波長掃描外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例，所述激光器包括：半導(dǎo)體增益芯片1、輸出端準(zhǔn)直透鏡2、反饋端準(zhǔn)直透鏡3、掃描振鏡4、閃耀光柵5、驅(qū)動及控制電路6以及輸出激光束7。

由驅(qū)動及控制電路6激勵增益芯片1發(fā)光，并控制增益芯片1的溫度和電流穩(wěn)定；增益芯片1反饋端發(fā)射光經(jīng)反饋端準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直后，再由掃描振鏡4反射后，以一定的入射角照射到閃耀光柵5上，閃耀光柵5將特定波長的光反饋，按原光路返回增益芯片1，從而形成諧振，產(chǎn)生激光，經(jīng)輸出端準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出激光束7。

閃耀光柵5所反饋的特定波長光與光的入射角有關(guān)，閃耀光柵5的光柵周期及閃耀角度隨增益芯片所發(fā)射激光波段的不同而不同，光柵入射角度即閃耀光柵5的放置角度與閃耀角度之差小于5度。掃描振鏡4由驅(qū)動及控制電路6控制在一定角度范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動，則照射到閃耀光柵5的光的入射角在一定范圍內(nèi)來回掃描，反饋波長隨之掃描，從而使輸出激光7波長在一定范圍內(nèi)掃描。由驅(qū)動及控制電路6控制掃描振鏡4掃描，可以使輸出激光7波長按照多種波形進(jìn)行掃描。

半導(dǎo)體發(fā)光芯片作為增益芯片1，增益芯片1的增益譜決定了波長掃描外腔激光器的中心波長和掃描范圍。

掃描振鏡4作為光束入射角掃描部件，由驅(qū)動及控制電路6控制，在小角度范圍內(nèi)掃描，掃描頻率最高可達(dá)1200Hz。

閃耀光柵5作為波長選擇部件和反饋部件，構(gòu)成Littrow外腔。

圖2a是本發(fā)明實施例的掃描振鏡結(jié)構(gòu)圖、圖2b是本發(fā)明實施例的掃描鏡三維示意圖。

如圖2a以及2b所示，所述掃描振鏡包括：驅(qū)動線圈41、光束反射鏡42、電樞43、掃描轉(zhuǎn)子44、磁鐵45、外殼46、扭矩桿47以及信號線48。

掃描振鏡是一種能夠通過控制驅(qū)動電流來控制反射鏡偏轉(zhuǎn)的電流敏感型器件，其原理為：驅(qū)動線圈41繞設(shè)在電樞43上，在磁鐵45產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生力矩，驅(qū)動掃描轉(zhuǎn)子44帶動光束反射鏡42轉(zhuǎn)動。扭矩桿47通過機(jī)械扭簧或電子的方法使得掃描轉(zhuǎn)子44上加有復(fù)位力矩，，大小與掃描轉(zhuǎn)子44偏離平衡位置的角度成正比，當(dāng)外加電流通過信號線48加在線圈41上時，掃描轉(zhuǎn)子44發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時，電磁力矩與復(fù)位力矩大小相等，故不能像普通電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，只能偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角與外加驅(qū)動電流成正比。通過掃描驅(qū)動電流，能夠使光束反射鏡42在小角度范圍內(nèi)來回轉(zhuǎn)動，掃描頻率可達(dá)上千赫茲。掃描振鏡具有較小的體積，這也十分有利于外腔激光器的小型化和集成化。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例：

半導(dǎo)體增益芯片1：增益中心波長為7.3μm的量子級聯(lián)激光器芯片，具有雙溝脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，反饋端腔面鍍增透膜(反射率小于1％)，從而抑制法布里-波羅(FP)腔模式激射。

輸出端準(zhǔn)直透鏡2：孔徑5.5mm，焦距2.5mm非球面透鏡，材質(zhì)可為ZnSe或GeSnSb等紅外透光材質(zhì)，鍍增透膜，透射波長6μm到8μm。

反饋端準(zhǔn)直透鏡3：孔徑5.5mm，焦距1mm非球面透鏡，材質(zhì)可為ZnSe或GeSnSb等紅外透光材質(zhì)，鍍增透膜，透射波長6μm到8μm。

掃描振鏡4，偏轉(zhuǎn)角度大于±2度，最高工作頻率1200Hz，反射鏡為鍍金全反射膜，放置角度為45度入射，反射率大于98％。

閃耀光柵5，每毫米105刻線，即光柵周期約9.52微米，光柵閃耀角度24度，1級衍射效率大于90％；根據(jù)光柵衍射方程：2dsinθ＝λ，放置角度為22.53度入射。閃耀光柵5的光柵周期及閃耀角度隨增益芯片所發(fā)射激光波段的不同而不同，光柵的入射角度即放置角度與閃耀角度之差小于5度。驅(qū)動及控制電路6，包括三個模塊：芯片驅(qū)動模塊，芯片溫度控制模塊和掃描振鏡驅(qū)動模塊；芯片驅(qū)動模塊和芯片溫度控制模塊使增益芯片提供中心波長7.3μm的光學(xué)增益，掃描振鏡驅(qū)動模塊驅(qū)動掃描振鏡小角度來回轉(zhuǎn)動，使光柵入射角在22.53±1度范圍內(nèi)掃描。這樣輸出激光波長將能夠在7.1μm到7.5μm范圍內(nèi)掃描。

圖3給出以上實例中所述快速波長掃描外腔激光器在線性掃描模式下，測試積分時間大于波長掃描周期條件下的發(fā)射光譜(模擬計算得到，實際光譜隨反饋狀態(tài)而不同)，和入射角度固定在22.53度時的發(fā)射光譜(實測得到)。掃描模式光譜覆蓋由7.1μm到7.5μm的光譜范圍能夠滿足多種氣體分子同時檢測和凝聚態(tài)物質(zhì)檢測的需求；固定模式下單波長輸出，邊模抑制比大于30dB，這非常有利于提高檢測的精密度。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。