Littrow结构光栅外腔半导体激光器及其频率调谐方法 【技术领域】
本发明涉及光栅反馈外腔半导体激光器，特别是指一种Littrow结构光栅反馈外腔半导体激光器，光栅反馈外腔半导体激光器的频率或波长调谐，减小调谐产生的光束平移的方法。
背景技术
现有的Littrow结构外腔半导体激光器，如图1所示。包括：半导体激光管(LD)1、非球面准直透镜(AL)3、衍射光栅(GT)12和反射镜(M)5。
其中，N表示光栅法线，θ表示半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后的入射光束在光栅上的入射角或衍射角(衍射光束与入射光束共线反向)。在Littrow结构外腔半导体激光器中，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12上。衍射光栅12的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管1中，衍射光栅12的零级衍射或光栅12的镜反射光作为输出光。
在Littrow结构外腔半导体激光器中，激光波长或频率的调谐是通过转动衍射光栅12，改变光栅12对光线的入射和衍射角实现的。然而，在转动光栅12的过程中，作为输出光的光栅镜反射光的方向也将随之改变。为了消除输出光束的方向变化，人们采用了附加的与光栅12平行的反射镜5。该反射镜5与光栅12固定成一体且反射表面与光栅12的表面平行。当光栅12旋转时，反射镜5也随之旋转，从而消除了通过转动光栅12调谐频率时输出光束的方向变化。然而，该反射镜5实际上是把输出光束的方向变化转化为光束的平移变化。也就是在通过转动光栅12调谐激光频率时，输出光束将发生位置的平移。这对于许多对光束位置的准确性及其稳定性有较高要求的应用领域是十分不利的。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提出一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器及其频率调谐方法，减小频率调谐产生的光束平移变化。
基于上述目的本发明提供的Littrow结构光栅外腔半导体激光器的频率调谐方法，在该光栅外腔半导体激光器中，半导体激光管发出的激光经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管中，光栅的零级衍射或光栅的镜反射光经反射镜反射后输出，其中，通过转动所述光栅进行激光频率选频时，所述反射镜与光栅成一体旋转，且该反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成一夹角。
可选的，该方法所述反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成的夹角β满足关系式u×cos(θ)+w×cos(θ+β)＝0；
其中，w的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到光栅衍射表面所在平面的距离；θ表示半导体激光管发出并入射在光栅上的入射光束形成的入射角或衍射角；
u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG，w的基准平面为平面SM；夹角β的符号规定为，若夹角β是逆时针旋转反射镜形成的，则为正，反之为负。
可选的，该方法所述在所述半导体激光器通过转动中心调节机构调节所述转动中心地位置；并通过转动调节机构使反射镜)和光栅以所述准调谐转动中心为轴转动。
可选的，该方法所述光栅和反射镜以过所述转动中心且垂直于光路面的直线为轴转动。
基于上述目的，本发明还提出了一种Littrow结构光栅外腔半导体激光器，包括：半导体激光管、准直透镜、光栅和反射镜；所述半导体激光管发出的激光经非球面镜准直后，入射在光栅上，光栅的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管中，光栅的零级衍射或光栅的镜反射光经反射镜反射后输出，其中，所述反射镜与光栅固定成一体，且该反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成一夹角。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，反射镜的反射表面与光栅的衍射表面成的夹角β满足关系式u×cos(θ)+w×cos(θ+β)＝0；
其中，w的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到反射镜的反射表面所在的平面的距离；u的绝对值为光栅和反射镜的共同转动中心到光栅衍射表面所在平面的距离；θ表示半导体激光管发出并入射在光栅上的入射光束形成的入射角或衍射角；
u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG，w的基准平面为平面SM；夹角β的符号规定为，若夹角β是逆时针旋转偏转反射镜形成的，则为正，反之为负。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅和反射镜以过所述转动中心且垂直于光路面的直线为轴转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，在所述半导体激光器中设置有转动中心调节机构，用于调节所述转动中心的位置；
转动调节机构，使所述反射镜和光栅以所述准调谐转动中心为轴转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述转动中心调节机构为转动中心微调螺钉，所述转动调节机构为激光频率调谐微调螺钉；并还包括有调节架动板和固定在底板上的调节架定板；反射镜和光栅被固定在调节架动板上，激光频率调谐微调螺钉和转动中心微调螺钉设置在所述调节架定板上；
所述转动中心设置于转动中心微调螺钉的中心轴线上，通过调节转动中心微调螺钉带动调节架动板移动，调整转动中心的位置；通过调节激光频率调谐微调螺钉带动调节架动板使其上的反射镜和光栅转动。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述转动调节机构还包括：调节架压电陶瓷，设置在所述调节架动板和激光频率调谐微调螺钉之间，用于调节架动板的转动做精细调节。
可选的，该光栅外腔半导体激光器中，所述光栅为衍射光栅、或透射光栅、或全息光栅。
从上面所述可以看出，本发明提供的Littrow结构光栅外腔半导体激光器及其频率调谐方法，克服了Littrow结构光栅外腔半导体激光器中，反射镜必须与光栅平行的思想束缚，创造性的在反射镜反射平面与光栅衍射平面之间留有一定夹角，大幅度减小了当旋转光栅和反射镜进行频率调谐时光束的平移变化。使得在通过转动光栅调谐激光频率时，输出光束将几乎不发生位置的平移，解决了长期以来困扰本领域技术人员的光束平移问题。为许多对光束位置及其稳定性有较高要求的应用提供了可调谐且光束位置更稳定的激光器。
【附图说明】
图1为Littrow结构外腔半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明减小光束位移Littrow结构外腔半导体激光器实施例的结构示意图；
图3为本发明带有调节机构的Littrow结构外腔半导体激光器实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
本发明一个实施例的Littrow结构外腔半导体激光器结构如图2所示。包括：半导体激光管1、准直透镜3、衍射光栅12和偏转反射镜5。衍射光栅12和偏转反射镜5构成一体，可以一起围绕光栅准同步频率调谐转动中心Pq转动，实现激光频率的调谐。
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12上。衍射光栅12的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管1中，衍射光栅12的零级衍射或光栅12的镜反射光作为输出光经偏转反射镜5反射后输出。
其中，N表示光栅法线，θ表示半导体激光管1发出的激光经非球面准直透镜3准直后的入射光束在光栅上的入射角或衍射角(衍射光束与入射光束共线反向)。SL表示半导体激光管1等效后表面，它垂直于半导体激光管1发出的所述光束的中心线，距所述光束中心线和光栅表面的交点Q的距离等于Q点到半导体激光管1后表面的光学距离(由于受半导体激光管1的增益介质和准直透镜3折射率等因素影响，该光学距离与半导体激光管1到所述Q点的实际距离相比略长。也就是说平面SL相对于实际的半导体激光管1后表面更远离Q点)；SG表示光栅衍射表面所在平面；SM表示偏转反射镜5的反射表面所在的平面。
为了方便描述，在光路面建立坐标系xOy，x轴为半导体激光管1发出的所述光束中心线，方向为所述光束传输方向；y轴为平面SL与光路面的交线，方向为x轴顺时针90度方向；坐标原点O为所述光束的中心线与平面SL的交点。x的绝对值为光栅12和反射镜5的共同转动中心P到平面SL的距离；w的绝对值为光栅12和反射镜5的共同转动中心P到平面SM的距离；u的绝对值为光栅12和反射镜5的共同转动中心P到平面SG的距离；y的绝对值为光栅12和反射镜5的共同转动中心P到光栅12的入射或衍射光线的距离。β为平面SG与平面SM的夹角。光栅12和偏转反射镜5以过所述转动中心P且垂直于光路面的直线为轴转动。
在本发明实施例中，偏转反射镜5的反射表面SM与光栅12衍射表面SG是不平行的。
并且，通过长期研究和大量实验发现，其夹角为β、入射角或衍射角为θ、所述转动中心P到平面SM的距离w、所述转动中心P到平面SG的距离u满足下列关系：
u×cos(θ)+w×cos(θ+β)＝0(1)
由图2所示，上式中表示相互位置的参数u和w的符号规定为，若所述入射或衍射光线与转动中心在其基准平面的同侧，则为正，反之为负。其中，u的基准平面为平面SG，w的基准平面为平面SM。夹角β的符号规定为，若夹角β是逆时针旋转偏转反射镜形成的，则为正，反之，顺时针旋转偏转反射镜5形成的为负，可以看出图2中的夹角β为正。
公式(1)表示，β角的选择与u和w的比值以及光栅的入射或衍射角θ有关。
通过大量实验得出，当满足上述公式时，转动光栅12和偏转反射镜5进行输出光频率调节时，所产生的输出光平移变化明显小于光栅12和偏转反射镜5平行的情况。
为实现上述调节，本发明的一个实施例中，在所述半导体激光器中设置转动中心调节机构，用于调节所述转动中心P的位置；并设置转动调节机构使偏转反射镜5和光栅12以所述准调谐转动中心P为轴转动。
下面一个例子进行详细说明，如图3所示，Littrow结构外腔半导体激光器包括：半导体激光管1、半导体激光管热沉2、非球面准直透镜3、准直镜架4、偏转反射镜5、调节架动板6、调节架定板7、激光频率调谐微调螺钉8、转动中心微调螺钉9、调节架压电陶瓷10、底板11和衍射光栅12。
半导体激光管1通过热沉2采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。准直透镜3通过镜架4被调整和固定。反射镜5和衍射光栅12被固定在调节架动板6上，其方向可通过调节架定板7上的调节螺钉8和9进行调整，还可通过动板6上的压电陶瓷10进行细调。外腔和光栅12的选频作用可通过转动调节架动板6绕转动中心P转动实现。例如通过微调螺钉8改变反射镜5的角度进行粗调，或经过在压电陶瓷10施加控制电压进行细调。装有调节螺钉8和9的调节架定板7被固定在底板11上。
其中，转动中心微调螺钉9为所述转动中心调节机构；激光频率调谐微调螺钉8和调节架压电陶瓷10为所述转动调节机构。本实施例中转动中心P可设置于转动中心微调螺钉9的中心轴线上，通过调节转动中心微调螺钉9带动调节架动板6移动，调整转动中心P的位置。通过调节激光频率调谐微调螺钉8带动调节架动板6使其上的反射镜5和衍射光栅12转动，并可进一步通过调节架压电陶瓷10进行微调。
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，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12.5mm×12.5mm、厚度为6mm的闪耀衍射光栅12上，光栅12的零阶衍射光或直接镜反射光作为激光器的输出光束。光栅12的一级衍射光，沿着与原入射光束共线反向的路径返回到半导体激光管1中。
本实施例中，Littrow结构外腔半导体激光器的参数选择为：θ＝38.3°，u＝-18.8mm， w＝23.1mm，根据公式(1)可以得出β＝11.8°。对于过去的常规方法，即β＝0°，若保持光栅12与偏转反射镜5之间的光线长度a不变，则有w＝24.2mm。以这些参数为基础，下面比较产生的光束平移量。
考虑±30nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12和偏转反射镜5的角度变化量为±2°。如果选用过去的常规方法，可得到光束平移量为0.6mm。若采用本发明的设计，光束平移量为-6.9μm。与过去常规方法相比，光束的平移减少了80多倍。这已经覆盖了大部分可调谐外腔半导体激光器的波长可调谐范围。
若考虑±10nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12和偏转反射镜5的角度变化量为±0.65°。如果选用过去的常规方法，可得到光束平移量为0.2mm。若采用本发明的设计，光束平移量为-0.78μm。与过去常规方法相比，光束的平移减少了240多倍。
而若考虑±5nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12和偏转反射镜5的角度变化量为±0.33°。如果选用过去的常规方法，可得到光束平移量为0.1mm。若采用本发明的设计，光束平移量为-0.2μm。与过去常规方法相比，光束的平移减少了490多倍。
而若考虑±2nm的波长调谐范围，相应的调节架动板6，即光栅12和偏转反射镜5的角度变化量为±0.13°。如果选用过去的常规方法，可得到光束平移量为40μm。若采用本发明的设计，光束平移量为-32nm。与过去常规方法相比，光束的平移减少了1200多倍。
可以看出，调谐范围越小，位移量被减小的程度越大。这是位移变化的余旋函数特性所决定的。实际上，这时的激光束的位移已经感觉不出。许多情况下，该位移已经主要由其它条件决定，或被其它因素的影响所覆盖，例如机械结构的稳定性、温度变化、外界振动和音频噪声等。
上述方案中的半导体激光管1也可选用其它波长，其它输出功率；光栅12也可采用其它类型的光栅，比如：透射光栅或全息光栅等，也可由其它刻线密度和大小厚度构成；准直透镜也可以采用其它焦距和数值孔径，u和w值也可采用其它数值，光栅12和偏转反射镜5的共同转动中心P也可选在其它位置。
本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。