程控/手動連續可調諧窄線寬外腔半導體雷射器的製作方法

2023-08-03 22:07:26 2

專利名稱：程控/手動連續可調諧窄線寬外腔半導體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射技術領域，特別涉及連續可調諧外腔半導體雷射器結構設計。
連續可調諧窄線寬外腔半導體雷射器是光通信、光交換，光波元件測試，光譜分析、光纖傳感以及計量檢測等領域必需的重要光源。多年來一直是國際上研究的熱點，近年來開始出現產品。外腔半導體雷射器由置於冷卻器上的半導體雷射器(LD)及放置在LD一側的外反射器組成，LD與外反射器之間通過透鏡耦合。實現連續調諧的通常方法是採用光柵做外反饋元件，要求光柵轉動引起的反饋中心波長的移動與腔長變化造成諧振頻率的移動相等。
根據光柵方程2dSinθ＝K·λ(1)及諧振條件L＝q· (λ)/2 (2)可得到連續調諧條件為(δL)/(δθ) ＝L·Ctgθ (3)上述公式中λ為雷射振蕩波長，L為外腔長，θ為光柵入射角，d為光柵常數，K為光柵衍射級次，通常採用一級衍射光K＝1，q為正整數，δL及δθ分別是連續調諧要求腔長和光柵轉角同步變化量。為了滿足(3)式，需要光柵轉動與腔長調節同步進行。為此，已有的技術方案多數是採用複雜的機械傳動結構使光柵做旋轉和平移的二維運動，也有的方案是在雷射諧振腔內插入光學F-P薄板，這種方法需要同步控制光柵及薄板的運動，其系統也很複雜，上述兩種方案的共同問題是由於機械結構複雜，控制系統繁瑣，不易做到同步，經常發生跳模，單模穩定性差且成本高。
通常的外腔雷射器在調諧過程中產生跳模現象以及工作在固定頻率處發生跳模的原因是，光柵反饋波長的光譜範圍較寬，在較寬的反饋譜線範圍內可以同時允許多個縱模振蕩。外腔引起的損耗差不足以讓主模把邊模抑制掉，在反饋光譜範圍內的不同縱模間因調諧的不同步或溫度、電流、聲波振動的擾動而跳變。這種跳模因素現還末得到足夠的重視及有效的解決辦法。
另外，為實現雷射器調諧和選頻的自動控制，已有的一些可調諧外腔半導體雷射器配備了專用微機，大多調諧精度較低，功能單一，不能實現人機對話，不能靈活的適應不同應用場合的不同要求而且價格昂貴。
本發明的目的在於為克服上述已有技術的不足之處，提出一種新的連續可調諧外腔半導體雷射器，即採取偏軸設置光柵，只轉動光柵即可使光柵反饋中心波長與諧振頻率的移動同步進行。
本發明具有結構簡單，互換方便，性能穩定，調諧精度高，波長定標顯示方便，準確，並可與通用微機接口，實現功能的自動選擇自動控制等諸多優點。
本發明提出一種連續可調諧外腔半導體雷射器由光柵及其傳動機構，透鏡及半導體雷射器組成，其特徵在於設置所說的光柵的傳動機構的轉動軸與所說的透鏡與半導體雷射器組成的光軸間距為h，並且滿足h＝bSinθ+LCos3θ/Sinθ，其中b為光柵與轉軸的距離，θ為光柵法線與光軸的夾角，L為外腔有效腔長。
本發明的工作原理結合

圖1說明如下半導體雷射器1與透鏡2組成的光軸X，與光柵g的轉軸中心O相距h，外腔長為L，光柵g的法線與光軸X夾角為θ，當光柵轉動一小角度δθ(至g′)時腔長隨之變化為δL，因δθ很小，∴ (δR)/(δl) ＝COS(θ+δθ)≈COSθ (4)δR＝R·δθ(5)又
h＝bSinθ+RCOSθ＝bSin+ (δR)/(δθ) ·COSθ＝bSinθ+ (δl)/(δθ) ·COS2θ (6)將連續調諧條件 (δL)/(δθ) ＝Ctgθ·L(3)式代入(6)式得到h＝bSinθ+ (COS3θ)/(Sinθ) ·L (7)因此只要滿足(7)式的條件，即可使光柵反饋中心波長與諧振頻率的移動同步進行。
本發明為克服通常的外腔雷射器在調諧過程中產生跳模現象，採取了壓窄光柵反饋線寬的措施包括1)選用大數值口徑的非球面透鏡取代已有技術的自聚焦透鏡或顯微物鏡。以此提高光柵解析度，光柵分辨本領δλ＝ (λ)/(KN) ，其中λ為波長，N為照射光斑內的光柵條紋數，K為光譜級次。因此，入射到光柵上的光斑越大，光柵條紋越密，則解析度越高，採用大數值口徑(NA)高耦合效率的非球面透鏡，使光斑面積增大，從而壓窄了光柵的反饋線寬;
2)將半導體結平面與光柵刻痕成平行放置，使半導體雷射器(LD)有源區對光柵反饋光束張角減小。由於LD發光波導截面不對稱，為扁矩型(通常為0.2×10μm)，因此LD結平面與光柵刻紋平行放置與相互垂直放置，允許接收的反饋張角相差懸殊(0.2∶10)。已有的結構，考慮到耦合效率及振蕩閾值，通常將LD結平面與光柵刻痕垂直放置，有源區開口為10μm，本發明採取平行放置，有源區開口為0.2μm，使光柵反饋線寬大大減小，從而確保不跳模。
本發明不但具有結構簡單，成本低廉的特點，而且僅調整光柵角度即可達到光柵反饋波長與諧振頻率移動同步的目的。具有性能穩定，調諧精度高，調諧範圍大，反饋線寬窄，波長定標顯示方便、準確，可方便地與通用微機接口，實現多種功能選擇及控制，可廣泛適應不同領域的不同應用需要。
附圖簡要說明圖1為本發明原理示意圖。
圖2為本發明的一種實施例結構示意圖，其中2(1)為正視圖，2(2)為俯視圖。
圖3為本實施例的波長定標單元示意圖，其中3(1)為結構示意圖，3(2)為電路原理圖。
圖4為本實施例的計算機控制單元示意圖。
圖5為本實施例計算機控制流程圖。
本發明設計出一種手動/程控連續可調諧窄線寬外腔半導體雷射器實施例，其結構如圖2～5所示，結合各附圖分別詳細描述如下一、手動外腔半導體雷射器主要包括，雷射二極體(LD)及其前後準直透鏡210，光柵及其傳動機構220，波長定標單元230三部分。本實施例各部分均安裝在一盒體內構成一整體，盒體分為具有良好的隔熱性能的內盒204，及具有良好的散熱效果的金屬外盒202，各部分具有方便互換的積木式結構，極大地方便了不同波長器件的更換，也大大提高了整體器件的穩定性。下面對各部分分別進行詳細描述。
雷射器及透鏡部分包括表面鍍有增透膜的LD固定在熱沉211上，LD兩端分別為安裝在透鏡支架212上兩個透鏡筒213、214，其中透鏡筒213內裝有非球面透鏡，它將發散的雷射束變成平行光射向光柵，放置在LD另一端的透鏡筒214內安裝有自聚焦透鏡，它將雷射光束轉變成平行光輸出雷射器外，熱沉211及透鏡支架212均焊接在半導體致冷器215上，致冷器215與雷射器底座201相固接。此外，在裝置底座下面放置了另一組致冷器，以實現對整個裝置的溫度控制。光柵221與其傳動機構安裝在與雷射器底座201相固接的調諧架222上。
光柵傳動機構包括，光柵座223、連槓224、偏心輪225、定滑輪及定滑輪軸226，拉線輪227、連杆軸228及彈簧片229組成。本實施例中採用1200條/mm的光柵，光柵固定在光柵座223上，調整光柵使其刻痕相對於雷射器LD的結平面平行放置，光柵座轉軸與光柵相距b＝2mm，與雷射器光軸相距h＝4.56mm。當旋轉固定在雷射器外盒202外的旋鈕203時，連杆軸228隨之轉動，拉線經過定滑輪226將連杆軸228轉動傳給拉線輪227，本實施例的拉線輪的外徑為連杆軸的5倍，因此轉動角度被細分了5倍。拉線輪227的轉動經過輪軸帶動固定其上的偏心輪225轉動，連杆224與彈簧片229緊夾在偏心輪225上，當偏心輪225轉動時連杆224隨之上下擺動，光柵座223與連杆224固定在一塊也隨之繞軸擺動，本實施例設計選擇合適的偏心尺寸偏心輪轉動360°時，光柵來回擺動10°，從而角度又被細分了18倍，大大提高調諧精度，又由於經過拉線、連杆二次傳遞，調諧旋鈕203的抖動，扭曲都不會傳到光柵座223上，從而保證光柵只做平穩的轉動，使雷射器調諧穩定。
波長定位單元包括反射鏡31，探測器32，小孔光闌33及開關電路如圖3所示，其中反射鏡31固定在圖2中的調諧架222上，可將光柵221零級反射光改變方向射向探測器32。利用光柵零級輸出光方向與波長有唯一對應的關係，輸出光經反射鏡引導到具有小孔光闌的探測器列陣上，通過反射鏡位置及距離的調整，實現只有當外腔調諧到某一特殊波長時，某一個探測器才能接收到光柵零級輸出光。本實施例雷射器輸出波長為1.5μm，調諧範圍為100nm;採用11個探測器的列陣。每隔10nm標定一個波長，從1.48～1.58μm即1.48μm，1.49μm……1.57μm，1.58μm共11個特殊波長，分別用探測器PD1～PD11接收。當某一探測器接收到0級輸出光時，表明此時光柵調諧到某一特殊波長，採用開關電路將此探測器與一發光二極體相連，使發光二極體點亮。開關電路主要由運算放大器(0P07)，電壓比較器(LM393)，開關三極體3DK，發光二極體LED等構成，如圖3(2)所示，其原理是當有光照射到探測器PD上時，在PD上產生電流注入到運算放大器(0P07)經電壓比較器(LM393)，使開關三極體3DK導通從而發光管LED上有電流流過，使LED發光做為指示此時有光照到探測器上，當無光照時，3DK截止，LED中無電流流過，指示熄滅。上述探測器列陣及光闌以及開關電路的元器件均固定在裝置盒內的底板上(見圖2)，發光二極體安裝在裝置的前面板上，同時還裝有一紅色指針與滑輪、拉線相連，旋轉調諧鈕時，帶動指針移動，可指示出二個特殊波長之間的波長大約值。
二、程控外腔半導體雷射器上述手動半導體雷射器與一臺通用微機相連即構成程控外腔半導體雷射器，可實現自動調諧、波長定標、功率檢測及器件溫度的控制等各種功能的選擇及控制。與手動裝置的不同點是光柵傳動機構中用步進馬達與偏心輪相連帶動光柵座及光柵擺動，取代定滑輪、拉線及調諧旋鈕。由於光柵不直接安裝在馬達轉動軸上，而是採取具有放大作用的凸輪磨擦傳動結構，減低了對馬達轉角細分的要求和難度，可以很容易做到每步小於1GHz的調諧精度。本實施例對1.5μm雷射器，調諧範圍100nm對應光柵10°轉角，利用凸輪傳動結構，使標準的一步轉1.8°(或3.6°，7.2°)的馬達能一步僅轉幾分或幾秒，即由每圈2000步細分到每圈數萬步。本實施通用計算機通過模/數及數/模接口，分別與步進馬達，致冷器，雷射電源等部分相連，實現對雷射的調諧、溫度、功率的監控及波長的標定顯示等功能。結合圖4分別描述各部分的控制原理。
1、自動調諧及波長標定由輸入的波長λ計算光柵的位置，即步進電機的轉動角度，然後通過四路12位的數/模轉換接口經功率放大後控制步進電機四相的驅動電流脈衝，使光柵轉動到位。
2、溫度監控用兩個熱敏電阻分別測量LD管芯熱沉和外腔雷射器內底板的溫度，經電壓放大後由兩路12位的模/數轉換接口輸入計算機，作為實際的溫度值。設定的溫度由鍵盤輸入，實際溫度與設定值之間的誤差信號作為兩路16位數/模轉換接口的輸出分別控制兩個致冷器的致冷電流，從而控制LD管芯熱沉和雷射器底板的溫度。
3、恆流偏置及功率監測雷射器的直流偏置由一路16位數/模轉換接口提供。鍵盤輸入的偏置電流的值對應數/模接口的電壓，經V/I(電壓/電流)轉換為0～200mA範圍的恆流源加在雷射器上。
光功率由PIN探測，經一路12位模/數轉換接口輸入計算機。
控制系統工作流程如圖5所示。
開機啟動後初始復位，包括將步進電機驅動電流、雷射器偏置電流、控溫電流等置零。然後接受鍵盤輸入，待輸入溫度及偏置電流後，延遲等待，穩定後電機回到初始位置，再接受鍵盤輸入的波長，由軟體控制電機轉動使光柵到位。
控溫及功率監控實時進行(採用定時中斷方式)，一旦溫度失控或光功率、偏置電流出現異常，立即啟動保護，使偏置電流、控制溫電流置零，以免損壞雷射器。
本實施例的主要性能指標如下波長850nm，1300nm，1550nm調諧範圍850nm波段為20nm1300nm波段為50nm1550nm波段為100nm線寬100KHg輸出功率＞2mw光速發散角2mrad頻率穩定度50MHg/小時(無頻率自動控制措施)2MHg/小時(加頻率反饋自動控制系統)
權利要求
1.一種連續可調諧外腔半導體雷射器由光柵及其傳動機構，透鏡及半導體雷射器組成，其特徵在於設置所說的光柵的傳動機構的轉動軸與所說的透鏡與半導體雷射器組成的光軸間距為h，並且滿足h=bSinθ+L·Cos3θ/Sinθ，其中b為光柵與轉軸的距離，θ為光柵法線與光軸的夾角，L為外腔有效腔長。
2.如權利要求1所述雷射器，其特徵在於所說的透鏡為大數值口徑的非球面透鏡。
3.如權利要求1或2所述雷射器，其特徵在於所說的半導體的結平面與光柵刻痕成平行放置。
4.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於所說的透鏡為分置在半導體雷射器兩端的大數值口徑的非球面透鏡與自聚焦透鏡所組成，所說的半導體雷射器和前後透鏡做為整體安置在半導體致冷器上，半導體雷射器的結平面與光柵刻痕成平行放置，所說的光柵傳動機構為凸輪磨擦傳動機構，上述各組成部件均安裝於一盒體內的底座上，盒體內底座下安裝一組致冷器。
5.如權利要求4所述的雷射器，其特徵在於所說的光柵凸輪磨擦傳動機構包括與一連杆一端相固的固定光柵的光柵座，偏心輪，一端與所說連杆固定，另一端與連杆一起緊夾所說偏心輪的彈簧片，通過輪軸與所說偏心輪相連的滑輪組，與所說滑輪相連的調諧旋紐。
6.如權利要求4或5所述的雷射器，其特徵在於包括由能接收所說光柵零級反射光的反射鏡分別接收經反射鏡反射具有特殊波長的光的探測器列陣、設置在每個探測器前的小孔光闌以及由運算放大器、開關三極體、發光二極體所組成的開關電路所構成的波長定標，顯示單元。
7.如權利要求4所述的雷射器，其特徵在於所說的凸輪磨擦傳動機構包括與一連杆一端相固接的固定光柵的光柵座，偏心輪，一端與所說連杆固定另一端與連杆一起緊夾所說偏心輪的彈簧片，通過輪軸與所說偏心輪相連的步進馬達，還包括一通用微機，通過模/數，數/模接口分別與所說的步進馬達，控溫測溫熱敏電阻，致冷器雷射器電源相接。
全文摘要
本發明屬於連續可調諧雷射器結構設計領域，本發明提出一種使光柵轉軸與外腔半導體光軸偏置h距離的結構即達到只轉動光柵就可實現光柵反饋波長與諧振頻率移動同步。同時採用大數值非球面透鏡以及使光柵刻痕與半導體平面平行放置等措施，使本裝置具有結構簡單，調諧精度高，調諧範圍大，線寬窄，等諸多優點，並可方便地與通用微機接口，實現對頻率調諧、波長定標，功率輸出及溫度的自動監控等多種功能，具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01S3/00GK1113044SQ9410635
公開日1995年12月6日 申請日期1994年6月17日 優先權日1994年6月17日
發明者張漢一, 潘仲琦, 楊今強, 周炳琨 申請人:清華大學