专利名称：外腔半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是指一种外腔半导体激光器。
背景技术：
半导体激光器，包括分布反馈(DFB)和外腔半导体激光器是科研和工业中的重要 激光光源。然而通常的外腔半导体激光器输出谱线非常宽，一般达到几百千赫甚至几兆赫， DFB半导体激光器常常具有更宽的线宽，这种宽线宽的存在与许多场合的应用要求相距甚 远。为解决这一问题，一般常用的半导体激光器采用光电反馈和光学反馈两种方法来 实现压窄半导体线宽。光电反馈是将具有较宽线宽的激光束分出一部分，入射到单独可控 的法布里-珀罗(F-P)腔上，接收经过调制的F-P腔反射光激光信号，与调制信号混频后得 到误差信号，利用PDH锁定方法，使得激光器频率被锁定在该F-P腔的某个谐振峰上，从而 实现激光线宽的压窄。光学反馈方法使半导体激光管与外光路形成光学回路，利用谐振腔 的选频作用，实现激光线宽的目的。其中，光学反馈方法最常使用的是Littrow结构和Littman结构，如图1和图2所
7J\ ο在图1所示的Littrow结构中，由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜 3准直后，入射在衍射光栅9上。衍射光栅9的一级衍射光沿与入射光反向共线的路径，按 原路返回到半导体激光管1中，这里半导体激光管1发出的激光入射到衍射光栅9上的入 射角θ i等于光栅的衍射角θ d。在图2所示的Littman结构中，由半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜 (AL) 3准直后，以掠入射的角度入射在衍射光栅9上。衍射光栅9的一级衍射光正入射在一 块平面反馈反射镜(M) 5上，被反馈反射镜5反射后，沿原路返回到衍射光栅9上，经衍射光 栅9再次衍射后回到半导体激光管1中。此外，光学反馈方法还可使用在光路中加入F-P腔的方式。经过处理的F-P腔逆 入射光，返回到半导体激光管中形成光学反馈，即形成谐振，利用F-P谐振峰的窄谱光反馈 压窄线宽。例如B. Dahmani，L. Hollberg，and R. Drullinger提出的谐振反馈半导体激光器， 如图3所示，利用光路中加入的共焦F-P腔实现光路反馈在半导体激光器外腔中设置一个 由腔镜306和腔镜307组成的共焦F-P腔。由半导体激光管1发出的发散光束经非球面准 直透镜3汇聚为平行光束，入射到分束镜304，反射光经可变衰减器301、光阑302、匹配透镜 303到达反射镜300，经反射镜300反射后，入射到由腔镜306和腔镜307组成的共焦F-P腔 上，反射光中的其中一路光束沿着与原入射光束共线反向的路径，经反射镜300再次反射 后被返回到半导体激光管1中。腔镜307的透射光进入光电探测器309。其中在腔镜307 上设置有F-P腔调整压电陶瓷，在反射镜300上设置有激光相位调整压电陶瓷，分别用于进 行输出光频率和相位的物理调节。此外K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff,S. Schiller, and A. Wicht提出采用透射式光栅和分立元件F-P腔构成半导体激光器可实 现更窄线宽，如图4所示。在外腔半导体激光器的腔内加入一个由耦合镜401、反射镜402 和反射镜403三个分立镜片构成的F-P折叠腔，形成F-P腔与半导体激光管的光学反馈，从 而压窄线宽。半导体激光管1发出的发散光束经非球面准直透镜3汇聚为平行光束，入射 到透射光栅412，衍射光经1/2波片404到达由耦合镜401、反射镜402和反射镜403组成 的F-P腔，该腔的逆入射反射光束沿着与原入射光束共线反向的路径，经透射光栅412再次 衍射后被返回到半导体激光管1中；耦合镜401的镜反射光进入平衡偏振探测器405，经透 射光栅412透射光进入光电二极管406，如此通过反馈电子学系统，使得该F-P腔的某个谐 振峰被锁定在半导体外腔激光器的频率上。在所述使用光学反馈方式压窄半导体激光器现有技术中，均使用经过处理的F-P 腔逆入射光作为反馈光。不可直接利用F-P腔反射光作为反馈光的原因在于反射光在腔 形成谐振时光强最弱，而在没有谐振时光强最强，因此无法形成光路反馈，不可直接将F-P 透射光作为反馈光使用。同时，在使用直腔时，若使用F-P腔反射光作为反馈光，由于反射 光与入射光共路反向，会对反射光的探测造成困难。因此在所述B. Dahmani，L. Hollberg，and R. Drullinger 的方案中，采用与共焦 F-P腔轴线方向有微小角度的方式入射F-P腔中，使光线在共焦F-P腔中以V形简并方式 往返传播，当形成振荡时，腔内透射光束沿入射光方向返回，形成反馈，但是这样的方案造 成光路调节困难。所述 K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff, S. Schiller, and A. Wicht等人提出的分离元件折叠F-P腔方案中，利用折叠F-P腔的逆入射反射光具有与 F-P腔相反的光谱结构，从而可以使用作为反馈光。但是现有分立元件F-P腔的容易受到外 界音频、机械振动和温度变化的干扰和影响，系统的稳定性比较差。而如果设计成一体化的 单块折叠F-P腔需要更高的精度要求，对工艺要求较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种外腔半导体激光器，以较简单的方式解决 解决常规外腔半导体激光器谱线较宽的问题。基于上述目的本发明提供的一种外腔半导体激光器，在半导体激光器外腔的主光 路中布设有光学谐振腔、光学隔离器和1/2波片；半导体激光器的布设使得所述半导体激光管发出的光束能够经第一 1/2波片正 向通过光学隔离器，并且透射过所述谐振腔的光束能够经第二 1/2波片后反向通过光学隔 离器，使此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。可选的，在半导体激光器外腔的主光路中还布设光栅；主光路的光束经过光栅形 成的零阶衍射光作为输出光，一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光；或者在半导体激光器外腔的主光路中还布设光栅以外的其他分光器件，主光路的 光束入射在该分光器件后的分出的部分作为半导体激光器的输出光，剩余部分作为反馈 光。可选的，该半导体激光器中所述光栅为反射光栅或者透射光栅；所述其他分光器件为部分反射镜或者分光棱镜，并进一步与分光器件配合的在主 光路的反馈光路部分设置选频器件。
可选的，该半导体激光器中所述谐振腔为F-P腔结构或环形腔结构。可选的，该半导体激光器中所述F-P腔为直腔结构或者折叠腔结构。可选的，该半导体激光器中所述谐振腔为分离元件结构或者单块结构。可选的，该半导体激光器中所述谐振腔为F-P腔时，在透射过所述谐振腔的光束 进入所述第二 1/2波片之前进一步设置另一个光学隔离器。可选的，该半导体激光器中还包括如下一种或一种以上调制设备对谐振腔谐振频率进行调制的设备，对半导体激光器外腔进行调节的设备，对半 导体激光管输出光频率调节的设备。可选的，该半导体激光器中所述对谐振腔谐振频率进行调制的设备包括谐振腔 上粘接压电陶瓷、或设置控温装置、或二者组合；所述对半导体激光器外腔进行调节的设备包括以下一种或一种以上组合电光调 制器和腔镜控制器，电光调制器用于在主光路的光束中加入调制信号，通过探测器探测主 光路中的光信号，转换为电信号后经电学处理，得到误差信号，反馈给腔镜控制器，控制所 述外腔腔长，实现外腔对F-P腔频率的跟踪或同步；所述对半导体激光管输出光频率调节的设备包括以下一种或一种以上组合通过 对半导体激光管驱动电流加入调制信号，实现对激光频率的调制的电流调制设备；或者通 过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围的设备。可选的，该半导体激光器的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片、 分光器件和标准具；从所述半导体激光管发出的出射光束经过第一 1/2波片进入所述光 学隔离器，从光学隔离器的出射光束入射到分光器件，经分光器件分束后进入标准具，经标 准具透射进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的出射光束经第二 1/2波片反向通过光学隔离 器，此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。可选的，该半导体激光器的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片 和光栅；从所述半导体激光管发出的出射光束经过第一 1/2波片进入所述光学隔离器，从 光学隔离器的出射光束入射到光栅，经光栅衍射后进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的透 射光束经第二 1/2波片反向通过光学隔离器，此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回 到半导体激光管中。可选的，该半导体激光器的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片 和光栅；从所述半导体激光管发出的出射光束入射到光栅，经光栅衍射后，经过第一 1/2波 片进入所述光学隔离器，从光学隔离器的出射光束，进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的出 射光束经第二 1/2波片反向通过光学隔离器，此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回 到半导体激光管中。从上面所述可以看出，本发明提供的基于谐振腔反馈增强的外腔半导体激光器， 利用法拉第磁光效应，在半导体激光器中使用光学隔离器和谐振腔，通过光学反馈，使激光 线宽压窄。
图1为现有技术Littrow结构外腔半导体结构示意图；图2为现有技术Littman结构外腔半导体结构示意图3为现有技术B. Dahmani, L. Hollberg, and R. Drullinger等人提出的谐振反馈 半导体极光器结构示意图；图 4 为现有技术 K. Doringshoff, I. Ernsting, R. -H. Rinkleff, S. Schiller, and A. Wicht等人提出的F-P腔增强透射光栅Littman结构外腔半导体结构示意图；图5为本发明光栅外腔半导体激光器第一个实施例的结构示意图；图6为本发明光栅外腔半导体激光器第二个实施例的结构示意图；图7为本发明光栅外腔半导体激光器第三个实施例的结构示意图；图8为本发明不采用光栅的外腔半导体激光器的结构示意图；图9为本发明带有完整调节设备的光栅外腔半导体激光器实施例的结构示意图；图10本发明实施例的单块折叠F-P腔的结构示意图；图11为本发明光栅外腔半导体激光器第四个实施例的结构示意图；图12为本发明光栅外腔半导体激光器第五个实施例的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的外腔半导体激光器，在半导体激光器外腔的主光路中主要布设有 光学谐振腔、光学隔离器和1/2波片；并且，所述半导体激光管发出的光束能够经第一 1/2波片正向通过光学隔离器， 透射过所述谐振腔的光束能够经第二 1/2波片后反向通过光学隔离器，使此后沿着与原出 射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。这里所述主光路也就是指半导体激光器中激光在外腔中振荡所经过的光路。本发明在半导体激光器外腔的主光路中可以布设光栅；所述半导体激光管发出的 光束能够经过光栅，光栅的零阶衍射光作为输出光，光栅的一阶衍射光作为半导体激光器 的反馈光；或者在半导体激光器外腔的主光路中布设有分光器件，所述半导体激光管发出的 光束能够经过该分光器件，光束入射在该分光器件后的分出的部分可作为半导体激光器的 输出光，剩余部分可作为反馈光。并且为了保证激光器输出为单模，优选还需要在反馈光路 中加入选频器件，如标准具等。本发明的设计利用光学隔离器中法拉第旋光器的磁光效应，使半导体激光器同时 具备驻波场和行波场。利用半导体激光器中的驻波部分，可以使用价格便宜的驻波型半导 体激光管，同时在主光路行波场部分加入谐振腔，利用谐振腔透射光实现光学反馈增强，替 代繁杂的电学反馈，使得反馈光的波长或频率选择作用通过谐振腔的谐振作用而极大地增 强。并且所使用的谐振腔只需具有透射光，无其他特殊要求。其中，所述行波场部分在本 发明的结构中是指光学隔离器出射一侧的光路部分，即光线从光学隔离器的出射端的透射 面透射后，到从光学隔离器出射端的偏振分光棱镜入射进光学隔离器前，所经过的光路部 分。另外，使用第一个光学隔离器的后端PBS实现谐振腔透射光返回半导体激光管中，使用 任何腔型的谐振腔的透射光实现光学反馈和线宽压窄，只要具有透射光就可以应用于该设 计，使获得窄线宽半导体激光器的实现更加简单。
本发明中，为避免半导体激光管出射激光经谐振腔前表面反射后直接反馈回半导 体激光管，造成对半导体激光管的损害，一般将谐振腔设置于光学隔离器之后，即半导体激 光管发出的光束经过光学隔离器后再经过谐振腔。而所述光栅在光路中的位置可以任意， 比如可以使半导体激光管发出的光束依次经过光学隔离器、光栅和谐振腔；或者依次经 过光学隔离器、谐振腔和光栅；或者依次经过光栅、光学隔离器和谐振腔等。而为了避免谐 振腔对输出光功率的影响，一般将谐振腔置于光栅之后，以保证仅光栅的一阶衍射光经过 谐振腔作为反馈光，而作为输出光的光栅零阶衍射没有经过谐振腔，以保证输出功率不被 谐振腔衰减。其中，所述谐振腔可以为F-P腔、或者环形腔等结构。以下参照附图，对本发明实施例进行详细说明。参见图5所示，本发明第一个实施例的光栅外腔半导体激光器主要包括半导体 激光管(LD)1、准直透镜(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光栅(Gt)9、光学隔离器(01)7和F-P腔 19。半导体激光管1发出的激光依次经过准直透镜3、第一 1/2波片5、光学隔离器7后，在 光栅9上的一阶衍射光束被入射在F-P腔19上，F-P腔19透射光经反射镜504反射后，通 过第二 1/2波片8，从光学隔离器7出射一侧的监视口入射，利用光学隔离器7的磁光效应， 使F-P腔19的透射光经过光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射，反向通过光学隔 离器7，返回到半导体激光管1，从而使得F-P腔透射光形成光路回路。光栅9的零阶衍射光 作为输出光，光栅9的一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光。从图5中可以看出，从光学 隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022出射面到经过F-P腔等后又达到光学隔离器7出射端 的偏振分光棱镜5022反射面，这部分光路是行波场部分，将F-P腔设置于此，可以利用F-P 腔透射光实现光学反馈增强，替代繁杂的电学反馈。由于F-P腔所具有更好的选频作用，使 得整个光栅外腔的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压 缩，从而实现激光线宽的压窄。在半导体激光器中使用光学隔离器和谐振腔，使该激光器形 成光学反馈的同时使激光器具备驻波场和行波场的优点。在激光器行波部分使用谐振腔， 利用谐振腔透射光实现光学反馈，利用驻波场部分，使用驻波型半导体激光管，避免使用价 格昂贵的行波型半导体激光管。使得外腔半导体激光器不用反馈锁定电子系统，实现输出 激光的谱线宽度小于100kHz。解决了常规外腔半导体激光器谱线较宽的问题，同时解决了 使用价格便宜的驻波型半导体激光管时，利用谐振腔压窄半导体激光线宽的应用中光学反 馈的难题，并且无需对F-P腔腔型进行特殊设计和复杂的加工，不用腔内和腔外复杂庞大 昂贵的反馈锁定电子系统，并且激光器的频率更加稳定、容易调谐和控制，避免了使用复杂 高速的锁定电路。本发明上述优选实施例是将光栅设置于谐振腔之前，即从半导体激光管射出的光 束先经过光栅再经过谐振腔，这样可以减少光线强度的损耗。不过其他的设计方案也是可 以的，例如参见图6所示，本发明第二个实施例的光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管1 发出的激光依次经过准直透镜3、第一 1/2波片5、光学隔离器7后，被反射镜504反射进入 F-P腔19，经F-P腔19透射的光束入射在光栅9上，一阶衍射光束通过第二 1/2波片8，从 光学隔离器7出射一侧的监视口入射，利用光学隔离器7的磁光效应，使F-P腔19的透射 光经过光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射，反向通过光学隔离器7，返回到半导体激光管1，从而使得F-P腔透射光形成光路回路。光栅9的零阶衍射光作为输出光，光栅 9的一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光。另外，本发明也可以将光栅置于光学隔离器和谐振腔之前。参见图7所示，本发明第三个实施例的光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管1 发出的激光经过准直透镜3准直后，先入射到光栅9上，一阶衍射光束通过第一 1/2波片5、 光学隔离器7后，被反射镜701反射进入F-P腔19，经F-P腔19透射的光束经另一反射镜 702反射，经第二 波片8，从光学隔离器7出射一侧的监视口入射，利用光学隔离器7的 磁光效应，使F-P腔19的透射光经过光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射，反向 通过光学隔离器7，返回到半导体激光管1，从而使得F-P腔透射光形成光路回路。光栅9 的零阶衍射光作为输出光，光栅9的一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光。上述各实施例中，所述准直透镜3用于将半导体激光管1发出的光线汇聚为准直 光束，一般常用非球面准直透镜实现。所述反射镜用于改变光线方向，优选采用高反射率平 面镜，可通过压电陶瓷(PZT)改变外腔腔长，实现外腔对F-P腔的跟踪锁定。本发明半导体激光器的外腔中也可以不使用光栅，参见图8所示实施例，在图5所 示的外腔结构基础上，用具有部分反射功能的部分反射镜801来替代光栅9，光束入射在该 部分反射镜801后的透射部分可作为半导体激光器的输出光束，反射部分可作为反馈光。 除采用部分反射镜以外还可使用其它分光器件，如分光棱镜等替代。当然其他实施例半导 体外腔中的光栅也可以用如部分反射镜、分光棱镜等分光器件替代，这样光束入射在该分 光器件后的分出的部分可作为半导体激光器的输出光，剩余部分可作为反馈光。为了保证 激光器输出为单模，还在反馈光路中的部分反射镜801和F-P腔19之间加入了一个标准具 (Etalon)802。本发明实施例中，所述谐振腔决定的谐振频率可通过在谐振腔腔镜上粘接压电陶 瓷，通过压电陶瓷带动谐振腔腔长的改变，以及通过控温技术通过热胀冷缩效应来改变谐 振腔腔长，从而分别实现快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控 制。在本发明优选的，还可在半导体激光管的电流中加入调制信号，实现对激光的调 制。所述谐振腔的透射光经光栅的衍射后与入射光相反方向入射到光学隔离器，由于光学 隔离器7的磁光作用，经过光学隔离器法拉第旋光部分，反馈光的偏振态与入射光垂直，被 光学隔离器出射端的偏振分光棱镜反射后，可作为锁定监测光，经探测器探测转换为电信 号后经电学处理，得到误差信号，反馈给调制设备实现外腔对谐振腔频率的跟踪或同步，比 如通过改变所述反射镜后的压电陶瓷(PZT)的电压，实现外腔对谐振腔频率的跟踪或同 步锁定。其中对于图7所示的实施例，压电陶瓷可放置于反射镜701或其他反射镜702、703 任意一个之后。另外，还有一种方案是在主光路中(优选在反馈光部分)布设电光调制器(EOM)， 用于在主光路的光束中加入调制信号，经探测器探测转换为电信号后经电学处理，得到误 差信号，反馈给调制设备实现外腔对F-P腔频率的跟踪或同步。本发明中，可选用的调谐与控制设备包括对谐振腔谐振频率进行调谐与控制的 设备，比如谐振腔上粘接压电陶瓷实现快速小范围细调，在谐振腔上设置热沉等控温装置 实现慢速大范围粗调；对半导体激光器外腔进行调节的设备，比如上述在光路中布设的电光调制器的方案；以及对半导体激光管输出光频率调节的设备，比如电流调制设备，通过 对半导体激光管驱动电流加入调制信号，实现对激光频率的调制。归纳起来，本发明提供的半导体激光器设置的调节设备，主要包括如下几种类 型对谐振腔的调节设备，通过改变F-P腔的内部光程来调节谐振腔决定的谐振频 率，例如所述在谐振腔上设置的压电陶瓷、控温装置等；对外腔的调节设备，通过改变外腔长度、光学性能等来调节激光频率，例如上面 所述在主光路中设置电光调制器、并在外腔腔镜(反射镜504、701、702、703等都属于外腔 腔镜)后设置压电陶瓷等腔镜控制器用于控制外腔腔长。电光调制器在主光路的光束中加 入调制信号，通过探测器对主光路中的光信号进行探测，转换为电信号后经电学处理，得到 误差信号，反馈给腔镜控制器，控制所述外腔腔长，实现外腔对谐振腔频率的跟踪或同步。对半导体激光管的调节设备，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激 光管输出光频率范围，例如上述电流调制设备；或者通过改变半导体激光管的温度来改变 半导体激光管输出光频率范围，例如在半导体激光管上设置热沉，控制其温度。下面参见图9所示，对本发明的具有调节设备的外腔半导体激光器实施例进行具 体说明。其中，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、非球面准直 透镜调整架4、第一 1/2波片5、探测器6、光学隔离器7、第二 1/2波片8、光栅9、光栅固定 架10、第三1/2波片11、透镜Ll 12、电光调制器13、透镜L2 14、高反射率腔镜Ml 15、匹配 透镜L3 16、光阑17、高反射率腔镜M2 18、F-P腔19、F-P腔真空腔20、匹配透镜L4 21、压 电陶瓷22、高反射率腔镜M3 23、λ/4波片24、第四1/2波片25、高反射率腔镜M4 26、高反 射率腔镜Μ5 27、高反射率腔镜Μ6 28、底板30。标号29所指示的是光栅9的零级衍射光， 可作为外腔半导体激光器的输出光束，该光栅9的一阶衍射光作为反馈光继续在外腔内振 荡。其中，所述探测器6，为光电探测器，用于探测F-P腔反射光，实现外腔对F-P腔的 跟踪锁定；匹配透镜L3 16，用于实现LD输出光束对F-P腔的匹配；光阑17，用于空间滤波； F-P腔真空腔20，用于增加F-P腔稳定性(隔声和隔热)；匹配透镜L4 21，用于实现外腔与 F-P腔的匹配；光栅9通过光栅固定架10固定在底板30上，另外若需要也可以设置成活动 的，以调节光栅9角度。本实施例中，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，透射过689nm30dB光学隔离器7，入 射在刻线密度为1800g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为12. 5mmX12. 5mm、厚度 为6mm的闪耀衍射光栅9上，例如入射角为20. 2°，衍射角为63. 5°。光栅9的零阶衍射 光作为激光器的输出光束。光栅9 一阶衍射光模式匹配地入射到由优质光学石英玻璃材料 加工构成的F-P腔19上，将光栅9、半导体激光管1、光学隔离器7和F-P腔19等共同组成 外腔。光路中的光学隔离器7起到隔离F-P腔反射回半导体激光管的光和实现F-P腔19 透射光形成光学回路的作用。F-P腔透射光通过光学隔离器7的出射端监测口入射，经光学 隔离器7出射端的偏振分光棱镜反射后反向通过，返回到半导体激光管1中。由于F-P腔 19的选频作用，使得光栅9外腔的选频作用被进一步增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄，得到短期线宽小于100kHz。本发明上述各实施例中所述的F-P腔除为直腔结构外，也可以是折叠腔等结构。 另外，所述F-P腔既可以采用分离结构(如两个具有一定反射率的反射镜)，也可以是单块 结构(如镀膜的单块石英玻璃)。例如，可采用如图10所示的单块折叠腔结构。其中Sl面 为输入耦合面，S2面为全反射面作为F-P腔的折叠面，S3面为输出耦合面。入射光从Sl面 进入F-P腔，在三个面之间经多次振荡后，从S3面输出。这种单块结构使得谐振腔稳定性 大大提高，不易受外界干扰。在上述采用F-P腔的各实施例中，为了达到更佳的效果可以再增加另一个光学隔 离器，设置在反馈光束通过光学隔离器7之前的位置，以滤除杂质光，防止不希望的反馈 光。优选所述另一个光学隔离器可以设置在透射过所述谐振腔的光束进入到第二 1/2波片 8之前。本发明优选，谐振腔采用高纯度和均勻性，优质光学石英玻璃作为材料。F-P腔选 择为平凹腔型的直腔结构，其两反射镜按照超光滑光学加工工艺仔细加工，表面的粗糙度 低于0.5nm。光学镀膜的吸收系数小于50ppm。谐振腔优选采用高Q (品质因数)值，具体 数值针对不同的腔型、材料和应用等可能不同，范围可以为几十到几万，例如对于以上各 实施例，可以选择Q值可以选择5000。本发明实施例中，除了采用F-P腔以外，也可以采用环形腔等其他结构的谐振腔。参见图11所示，本发明第四个实施例的光栅外腔半导体激光器主要包括半导体 激光管(LD) 1、准直透镜(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光栅(Gt)9、光学隔离器(01)7以及由三 个分立镜片组成的环形腔(Cavity) 19a。半导体激光管1发出的激光依次经过准直透镜3、 第一 1/2波片5、光学隔离器7后，在光栅9上的一阶衍射光束一衍射角θ d被入射在环形 腔19a上，在环形腔19a内部三个镜片之间经过环形振荡后输出的透射光经反射镜504反 射后，通过第二 1/2波片8，从光学隔离器7出射一侧的监视口入射，利用光学隔离器7的磁 光效应，使环形腔19a的透射光经过光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射，反向 通过光学隔离器7，返回到半导体激光管1，从而使得环形腔19a透射光形成光路回路。光 栅9的零阶衍射光作为输出光，光栅9的一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光。从图11 中可以看出，从光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022出射面到经过环形腔19a等后又 达到光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射面，这部分光路是行波场部分，将环形 腔19a设置于此，可以利用环形腔透射光实现光学反馈增强和线宽压窄，替代繁杂的电学 反馈。本实施例中，利用环形腔入射光和反射光(包括一部分腔内透射光)不共路的特 点。由于不是正入射，即使有激光沿反馈光反方向入射到腔的后端面，经过反射，该光反射 出光路，无法形成反馈光，从而起到较好的隔离作用。即使对于对反馈光非常敏感的半导 体激光器来说也可以达到要求，不需要像采用F-P腔的上述各实施例那样设置另一光隔离 器，从而使系统更加简单、稳定。参见图12所示，本发明第五个实施例的光栅外腔半导体激光器主要包括半导体 激光管(LD) 1、准直透镜(AL)3、l/2波片(HWP)5、8、光栅(Gt)9、光学隔离器(01)7以及单块 环形腔(Cavity) 19b。半导体激光管1发出的激光依次经过准直透镜3、第一 1/2波片5、光 学隔离器7后，在光栅9上的一阶衍射光束一衍射角θ d被入射在环形腔19b上，在环形腔19b内部三个镜片之间经过环形振荡后输出的透射光经反射镜504反射后，通过第二 1/2波 片8，从光学隔离器7出射一侧的监视口入射，利用光学隔离器7的磁光效应，使环形腔19a 的透射光经过光学隔离器7出射端的偏振分光棱镜5022反射，反向通过光学隔离器7，返回 到半导体激光管1，从而使得环形腔1%透射光形成光路回路。光栅9的零阶衍射光作为输 出光，光栅9的一阶衍射光作为半导体激光器的反馈光。从图12中可以看出，从光学隔离 器7出射端的偏振分光棱镜5022出射面到经过环形腔19b等后又达到光学隔离器7出射 端的偏振分光棱镜5022反射面，这部分光路是行波场部分，将环形腔19b设置于此，可以利 用环形腔透射光实现光学反馈增强，替代繁杂的电学反馈。本实施例通过将环形腔设置为 单块的结构，使得谐振腔稳定性大大提高，具有不易受外界干扰，体积小、系统简单和使用 方便等优点。在本发明上述各实施例中，半导体激光管和谐振腔均采用温度传感器和半导体制 冷器实现温度控制。该谐振腔的谐振频率可通过粘接在该腔上的压电陶瓷的方法和对谐 振腔精密控温技术分别作快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对激光频率的调谐与控 制。上述方案中的半导体激光管也可选用其它波长，其它输出功率，光学隔离器选择 相应波长隔离器，并可选择其他隔离度。光栅也可采用透射光栅，其它刻线密度和大小厚度 构成，选用其它的入射角和衍射角。光栅还可放置于图7或图9中所示的高反射率腔镜Ml、 M2等位置。准直透镜也可以采用其它焦距和数值孔径。F-P腔的材料也可采用其它材料， 可采用其他具有透射光的腔型，如直腔(包括平平、平凹、双凹等)、折叠腔、单块一体腔等， 光学镀膜的反射率也可采用其它数值，Q值可选择几十到几万之间的其他值。压电陶瓷还 可放置于腔镜Ml、M2、M3或M4之后。以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种外腔半导体激光器，其特征在于，在半导体激光器外腔的主光路中布设有光学谐振腔、光学隔离器和1/2波片；半导体激光器的布设使得所述半导体激光管发出的光束能够经第一1/2波片正向通过光学隔离器，并且透射过所述谐振腔的光束能够经第二1/2波片后反向通过光学隔离器，使此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，在半导体激光器外腔的主光路 中还布设光栅；主光路的光束经过光栅形成的零阶衍射光作为输出光，一阶衍射光作为半 导体激光器的反馈光；或者在半导体激光器外腔的主光路中还布设光栅以外的其他分光器件，主光路的光束 入射在该分光器件后的分出的部分作为半导体激光器的输出光，剩余部分作为反馈光。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅为反射光栅或者透射 光栅；所述其他分光器件为部分反射镜或者分光棱镜，并进一步与分光器件配合的在主光路 的反馈光路部分设置选频器件。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔为F-P腔结构或环形 腔结构。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述F-P腔为直腔结构或者折叠 腔结构。
6.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔为分离元件结构或 者单块结构。
7.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔为F-P腔时，在透射 过所述谐振腔的光束进入所述第二 1/2波片之前进一步设置另一个光学隔离器。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器还包括如下一 种或一种以上调制设备对谐振腔谐振频率进行调制的设备，对半导体激光器外腔进行调节的设备，对半导体 激光管输出光频率调节的设备。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述对谐振腔谐振频率进行调 制的设备包括谐振腔上粘接压电陶瓷、或设置控温装置、或二者组合；所述对半导体激光器外腔进行调节的设备包括以下一种或一种以上组合电光调制器 和腔镜控制器，电光调制器用于在主光路的光束中加入调制信号，通过探测器探测主光路 中的光信号，转换为电信号后经电学处理，得到误差信号，反馈给腔镜控制器，控制所述外 腔腔长，实现外腔对F-P腔频率的跟踪或同步；所述对半导体激光管输出光频率调节的设备包括以下一种或一种以上组合通过对半 导体激光管驱动电流加入调制信号，实现对激光频率的调制的电流调制设备；或者通过改 变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围的设备。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器 的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片、分光器件和标准具；从所述半导 体激光管发出的出射光束经过第一 1/2波片进入所述光学隔离器，从光学隔离器的出射光 束入射到分光器件，经分光器件分束后进入标准具，经标准具透射进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的出射光束经第二 1/2波片反向通过光学隔离器，此后沿着与原出射光束共线反 向的路径返回到半导体激光管中。
11.根据权利要求1-9任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光 器的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片和光栅；从所述半导体激光管发 出的出射光束经过第一 1/2波片进入所述光学隔离器，从光学隔离器的出射光束入射到光 栅，经光栅衍射后进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的透射光束经第二 1/2波片反向通过 光学隔离器，此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。
12.根据权利要求1-9任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器 的主光路中的布设有光学谐振腔、光学隔离器、1/2波片和光栅；从所述半导体激光管发出 的出射光束入射到光栅，经光栅衍射后，经过第一 1/2波片进入所述光学隔离器，从光学隔 离器的出射光束，进入所述光学谐振腔，光学谐振腔的出射光束经第二 1/2波片反向通过 光学隔离器，此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。
全文摘要
本发明公开一种外腔半导体激光器，在半导体激光器外腔的主光路中主要布设有光学谐振腔、光学隔离器和1/2波片；所述半导体激光管发出的光束能够经第一1/2波片正向通过光学隔离器，所述半导体激光器的经谐振腔透射的光束经第二1/2波片后反向通过光学隔离器，使此后沿着与原出射光束共线反向的路径返回到半导体激光管中。本发明通过相对简单的装置解决了常规外腔半导体激光器谱线较宽的问题。
文档编号H01S5/14GK101958510SQ20101022514
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月14日
发明者方占军, 曹建平, 李烨, 臧二军, 赵阳 申请人:中国计量科学研究院