[发明专利]光栅外腔激光器及其准同步调谐方法

说明书

技术领域

本发明涉及对光栅外腔激光器的激光波长或频率的调谐，其中在选择光栅或反射镜的调谐转动中心时实现了准同步的调谐。

背景技术

在光栅外腔激光器中往往需要对所产生的激光波长或频率进行调谐，这种调谐是通过转动光栅从而改变光线在光栅上的入射角和衍射角、或者通过转动反射镜从而改变光线在光栅上的衍射角来实现的。

在图1、图2和图3中分别示出了三种类型的光栅外腔半导体激光器。其中图1所示的是常规的掠入射(即入射角大于衍射角)结构的外腔半导体激光器，这种结构也被称为Littman结构；图2中所示的是由同一申请人在中国专利申请200810097085.4中提出的一种新型的掠衍射(即衍射角大于入射角)结构的外腔半导体激光器；而图3中所示的是常规的Littrow结构的外腔半导体激光器，在该结构中没有反射镜，因而仅通过转动光栅来进行调谐。

下面以光栅反馈外腔半导体激光器(ECDL)为例来说明光栅外腔激光器的基本结构与原理。如图1至3所示，LD表示半导体激光管，AL表示非球面准直透镜，G表示光栅，M表示反馈反射镜，N表示光栅法线，θi表示光线在光栅上的入射角，θd表示光线在光栅上的衍射角，Δθ为入射角与衍射角之差，即Δθ＝θi-θd，Δx为腔内光学元件(例如非球面准直透镜和LD的增益介质)所产生的光程增量。

在图1所示的掠入射结构和图2所示的掠衍射结构中，半导体激光管LD发出的激光经非球面镜AL准直后，入射到衍射光栅G上。光栅G的一级衍射光正入射在反馈反射镜M上，该光束在反射镜M上被反射后，沿着与入射光共线且反向的路径，按原路被光栅再次衍射后，经非球面镜AL返回到半导体激光管中。

在图3所示的Littrow结构中，半导体激光管LD发出的激光经非球面镜AL准直后，入射到衍射光栅G上。光栅G的一级衍射光沿着与入射光共线且反向的路径，按原路直接经非球面镜AL返回到半导体激光管中。可以看到，在Littrow结构中光束在光栅上的入射角和衍射角相等，即θi＝θd＝θ，因而Δθ＝0。

为了说明外腔半导体激光器的调谐原理，在附图中引入了直角坐标系xOy，其中O点表示半导体激光管LD所发出的激光光束与光栅G在初始位置的衍射表面的交点，x轴经过O点且方向与LD发出的光线共线反向，y轴经过O点并与x轴垂直且方向向上。

等效LD后端反射面、光栅G的衍射表面和反射镜M的反射表面这三个平面均与xOy坐标平面垂直。用SG表示光栅衍射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线，O点位于该交线上；SL表示等效LD后端反射面所在的平面与xOy坐标平面的交线，它距O点的距离为l1；SM表示反馈反射镜M的反射表面所在的平面与xOy坐标平面的交线，它距O点的距离为l2。

在图1和图2所示的掠入射和掠衍射结构中，l1和l2分别表示O点到等效LD后端反射面和反馈反射镜M的光学距离，即光栅外腔的两个子腔长度，整个半导体激光器的光学腔长用它们之和l＝l1+l2来表示。在图3所示的Littrow结构中，半导体激光器的实际光学腔长即为O点到等效LD后端反射面的距离l1。

当转动光栅G或反射镜M进行调谐时，转动轴与xOy坐标平面垂直，该转动轴与xOy坐标平面的交点(即转动中心)在图1至3中用坐标P(x，y)来表示。为了有助于分析，引入了距离参量u、v和w，其中u表示转动中心P到交线SM的距离；v表示转动中心P到交线SG的距离；w表示转动中心P到交线SL的距离。这里各参量u、v和w取值的符号规定如下：当光线与转动中心在相应平面交线的同侧时用正值表示，而当光线与转动中心分别在相应平面交线的两侧时用负值表示。当光栅G或反馈反射镜M围绕P点转动时，距离v或u保持不变。

在光栅外腔半导体激光器中，决定激光波长或频率的两个主要因素是：

1.由光线在光栅上的入射角和衍射角的取值和变化所决定的选频作用；

2.由SL、SM、SG所形成的等效F-P腔的腔长的取值和变化所决定的选频作用。

在以转动中心P为轴转动光栅或反射镜的过程中，光栅的选频作用和F-P腔的选频作用均发生改变。一般而言，上述改变不是同步的，这将引起激光模式的跳模变化，中断了激光频率的连续调谐，因而能够得到的激光频率不跳模时的连续调谐范围非常小，例如为1至2GHz。

为了实现激光波长或频率的同步调谐，即实现大范围不跳模的频率连续调谐，需要有目的地选择光栅G或反馈反射镜M的转动中心P。

假设在转动调谐之后光栅或反射镜相对于其初始位置转动的角度为α，则激光光束在F-P腔内往返一周后的相位变化ψ可表示为：