连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器

摘要

本发明的实施例中公开了一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，包括：至少一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、调谐装置和至少一个衍射光栅；所述增益介质所发出的相干光束经过所述准直透镜后成为平行光，所述平行光被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光直接成为被输出的第一输出激光，另一部分衍射光沿原入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，成为第二输出激光；所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述衍射光栅绕一位于所述衍射光栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直。通过使用上述的激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并降低所述激光器的生产成本。

权利要求

1.一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：至少一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、调谐装置和至少一个衍射光栅；

所述增益介质所发出的相干光束经过所述准直透镜后成为平行光，所述平行光被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光直接成为被输出的第一输出激光，另一部分衍射光沿原入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，成为第二输出激光；

所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述衍射光栅绕一位于所述衍射光栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直；

所述调谐装置，还用于实时改变所述旋转轴的位置，或者用于实时改变所述旋转轴与所述衍射光栅的相对位置，以调整所述激光器的谐振腔纵模的模数的值的大小；

其中，所述旋转轴的位置满足条件：在所述激光器的输出激光频率的调谐过程中，由所述激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一个常量。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述衍射光栅进行所述旋转时的旋转半径为所述旋转轴到所述衍射光栅的衍射表面的垂直距离。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述调谐装置包括：驱动装置和旋转基座；所述旋转基座与所述驱动装置连接；

所述旋转基座，用于支撑或安装所述衍射光栅；

所述驱动装置，用于驱动所述旋转基座以带动所述衍射光栅绕所述旋转轴旋转；并用于实时改变所述旋转轴的位置，或者用于实时改变所述旋转轴与所述衍射光栅的相对位置。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于：

所述驱动装置为旋转马达、步进电机或微电子机械系统。

5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述调谐装置还包括：控制装置和编码器；

所述编码器，用于跟踪所述旋转基座的移动，并将跟踪结果发送给所述控制装置；

所述控制装置，用于根据所选定的输出激光波长以及所述跟踪结果，对所述旋转基座的移动进行选择性地控制，从而在输出所需频率的激光的同时对所输出的激光频率进行无跳模连续调谐。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，

所述激光器包括多个衍射光栅；

所述多个衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述多个衍射光栅均绕同一个旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直；

所述光学组件利用所述调谐装置上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：设置于所述准直透镜与所述衍射光栅之间的光路上的部分反射镜；

所述部分反射镜，用于产生第三输出激光以及滤除了光谱噪声的第四输出激光。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于：

所述部分反射镜为分光镜、空间滤波片或耦合光纤。

9.根据权利要求1或7所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：耦合装置；

所述耦合装置，用于将所述激光器的至少一束输出激光耦合到所需的单模或多模光纤中。

10.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：设置于所述调谐装置四周的一组或多组光学组件；

每组光学组件均利用所述调谐装置上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐。

说明书

连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是指一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器。

背景技术

[0002] 光源的波长调谐技术是激光技术中的重要组成部分，而可调谐光栅外腔半导体激光器(GTECL，Grating-tuned external cavity lasers)由于其具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、转换效率高、单模输出、成本低、可靠性好等突出的优点，因此已被广泛应用于光通信、光交换、光存储、光纤陀螺、计量测量、高分辨率光谱测量以及生物医学等诸多领域，有着极大的应用前景。

[0003] 在现有技术中，可调谐光栅外腔半导体激光器一般有两种类型。一种是利特洛(Littrow)型可调谐光栅外腔半导体激光器，另一种是利特曼-迈特考夫Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器。以下将分别对这两种类型的激光器进行介绍。 [0004] Littrow型的可调谐光栅外腔半导体激光器可产生线宽非常窄、光学相干性非常高的频率可调的激光束，且在实际产品的生产中，Littrow型的GTECL激光器具有非常紧凑并且形式简单的谐振腔结构，该谐振腔一般仅包括三个光学器件：作为激光增益介质的半导体激光器、作为选频元件的衍射光栅和将激光光束准直的准直透镜，从而可实现非常简化且低成本的制造过程。例如，Wieman和Hollberg所提出的一种可调谐光栅外腔半导体激光器(参见文献“‘UsingDiode Lasers for Atomic Physics’by Carl E.Wieman and Leo Hollberg，Review ofScientific Instruments，Vol.62，Pages 1-19，January，1991”)就是一种比较典型的Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。

[0005] 图1为现有技术一中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图1所示，该可调谐光栅外腔半导体激光器包括：半导体激光器(Laser diode)101、准直透镜102和衍射光栅(diffraction grating)103。其中，半导体激光器101具有一个后表面
106和一个前表面107；该半导体激光器101中所产生的光束经过准直透镜102后可得到平行光，该平行光入射到衍射光栅103上后被该衍射光栅103衍射；其中，零级衍射光可直接作为输出激光104，而一级衍射光则沿原入射光路返回半导体激光器101中，在半导体激光器101中经过振荡、放大后，成为输出激光105，从而实现窄线宽的单纵模(SLM，single longitudinalmode)激光输出。

[0006] 在上述的可调谐光栅外腔半导体激光器中，衍射光栅103可绕通过G点的且垂直于纸面方向的固定旋转轴旋转，其中，所述G点为光轴100与衍射光栅103表面的交点。当将衍射光栅103绕上述的固定旋转轴旋转时，可实现对输出激光的频率或波长的调谐。但是，当根据上述谐振腔的设计进行连续调谐时，上述激光器的单纵模模式有可能会由一个纵模突然跳跃到另一个纵模，从而产生跳模(mod hopping)的现象。该跳模的现象在激光输出频率上，产生相当于激光器纵模间隔的频率跳跃，继而破坏了激光频率连续调谐的特点，对于频率调谐的精确度，调谐线性度以及其他依赖于频率调谐特性的应用都会产生不利的影响，因此应当尽量避免，从而要求实现无跳模(MHF，mod-hop-free)连续频率调谐或波长调谐。

[0007] 对于上述的跳模的现象，可通过如下所述的公式进行相应的说明。 [0008] 根据光栅方程：λ(θ)＝2dg·sinθ(1.1)

[0009] 以及谐振条件：

[0010] 可知：

[0011] 其中，N表示谐振腔中的第N个纵模的模数，且N为整数；λ(θ)表示激光振荡波长，即由光栅色散(grating dispersion)所选择的激光的波长，该激光波 长与θ有关，即λ(θ)的值将随θ的变化而变化；LMG表示从M点(即光轴100与半导体激光器101的后表面106的交点)到G点的光学距离，即外腔的光学长度(可简称为外腔长度，下同)；dg表示衍射光栅103的刻划密度(groovingdensity)；θ表示激光束入射到衍射光栅103的入射角，也是衍射角。

[0012] 由图1可知，LMG和dg一般都为常量；当衍射光栅103绕上述的固定旋转轴旋转时，衍射角θ的大小将发生改变，由公式(1.2)可知，此时该激光器输出的激光频率或激光波长也将发生改变；而由公式(1.3)可知，当衍射角θ的大小发生改变时，模数N也将随之发生改变，即模数N相对于衍射角θ的改变并不是常量，从而在衍射角θ的改变较大时，将发生跳模(即模数N的值发生+1或-1的数量改变)；也就是说，图1所示的激光器在通过旋转衍射光栅来对激光频率或激光波长进行调谐(即改变输出激光的频率)时，将发生跳模的现象。因此，上述的Littrow型GTECL仅能实现非常小的或者是有限的MHF调谐，而不能对激光频率或波长进行MHF连续调谐。

[0013] 在现有技术中，还有另一种Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器。例如，Trutna Jr.在美国专利No.6,731,661中所公开一种可调谐光栅外腔半导体激光器。图2为现有技术二中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图2所示，该可调谐光栅外腔半导体激光器也包括：半导体激光器101、准直透镜102和衍射光栅103。与图1中的可调谐光栅外腔半导体激光器不同的是，图2中衍射光栅103的旋转轴为L，该旋转轴L位于衍射光栅103的衍射表面延长线与半导体激光器101的后表面106延长线的交点上，且该旋转轴L垂直于纸面方向。当衍射光栅103绕固定的旋转轴L旋转时，也可实现对输出激光频率或波长的调谐。

[0014] 同理，根据光栅方程：λ(θ)＝2dg·sinθ(2.1)

[0015] 以及谐振条件：

[0016] 且谐振腔内部的光学部件均处于理想状态的情况下，可有：

[0017] LMG(θ)＝OM·tanθ(2.3)

[0018] 由此可知：

[0019] 其中，LMG(θ)表示从半导体激光器101的后表面106上的M点到衍射光栅103表面的中心的距离，即外腔长度；该外腔长度与θ有关，即LMG(θ)的值将随θ的变化而变化；OM表示从旋转轴L到半导体激光器101的后表面106上的M点的距离。 [0020] 由公式(2.4)可知，当OM和dg不变时，如果旋转衍射光栅103，使得衍射角θ发生改变，则模数N也将发生改变，即模数N相对于衍射角θ的改变也不是常量。当衍射角θ的改变较大时，将发生跳模(即模数N的值发生+1或-1的数量改变)。因此，与图1中的可调谐光栅外腔半导体激光器相比，图2中的可调谐光栅外腔半导体激光器虽然可以产生相对较大的MHF调谐范围，但其模数N仍然依赖于衍射角θ，因此，当衍射角θ的变化范围较大时，仍然无法保持N为常量。所以，在图2所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中，也无法实现对激光频率的MHF连续调谐。

[0021] 为了解决上述的问题，在现有技术中，已通过使用Littman-Metcalf谐振腔结构，制造了一种宽带MHF可调GTECL激光器，即Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器。该类型的激光器的谐振腔的构造已在多篇文献或专利中被公开。例如，Luecke的美国专利(No.5,319,668)、Sacher的美国专利(No.5,867,512)、Lang的美国专利(No.5,771,252)、Zhang的美国专利(No.5,802,085)和美国专利(No.6,606,340)、Zhang的美国专利(No.6,608,847)、Zhang的美国专利(No.6,788,726)、Zhang的美国专利(No.6,940,879)以及Le的美国专利(No.7,388,890)等。

[0022] 图3为现有技术三中Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图3所示，该Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器除了包括半导体激光器101、准直透镜102和衍射光栅103之外，还包括一个平面反射镜108。其中，旋转轴L位于半导体激光器101的后表面106延长线、衍射光栅103的衍射表面延长线与平面反射镜108的反射表面延长线的交点上，且 该旋转轴L垂直于纸面方向；Q点为通过G点的反射光线与平面反射镜108的交点。在该可调谐光栅外腔半导体激光器，衍射光栅103固定不动，而平面反射镜108则可绕固定的旋转轴L旋转。当平面反射镜108绕旋转轴L旋转时，衍射角θ发生改变，外腔腔长(即M、G两点之间的距离与G、Q点两点之间的光路的总和)也发生改变；当旋转轴L处于合适的位置时，可使得此时的模数N保持为一个常量，因而可以在激光频率发生变化的同时维持模数N不变，从而实现对激光频率的无跳模连续调谐。

[0023] 从原理上分析可知，假如图3所示的激光器设计处于理想工作状态时，例如，该激光器的谐振腔内所使用的光学设备不发生光色散，或者腔内的光学器件能够被准确地对准到相应的位置时，则该Littman-Metcalf类型的半导体激光器能够产生覆盖整个由衍射光栅所产生的光谱范围的最大的MHF调谐范围。但是，由于工业制造技术以及装配调试手段的限制，在图3所示的可调谐光栅外腔半导体激光器的实际产品中，一般都存在设备色散和光学器件位置不对准的问题，从而也大大限制了该激光器的MHF调谐范围。 [0024] 为了克服上述的问题，Zhang和Hakuta提出了一种具有光学器件位置自动调整和被动补偿的谐振腔结构，以便实现上述的宽带MHF调谐。但是即使如此，在上述激光器的制造过程中，仍然存在着复杂的光学和机械对准、光学器件的额外的材料成本、超大的腔体尺寸和很慢的调谐速度等诸多问题。

[0025] 综上可知，现有技术中所使用的激光器中都存在着上述的诸多问题，从而大大限制了可调谐光栅外腔半导体激光器在各种领域中的应用。因此，人们非常需要一种连续无跳模、且制造成本低、可批量生产、高稳定性以及结构紧凑的可调谐光栅外腔半导体激光器，以实现对激光频率的无跳模连续调谐。

发明内容

[0026] 有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，从而可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并降低所述激光器的生产成本。 [0027] 为达到上述目的，本发明实施例中的技术方案是这样实现的： [0028] 一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，该激光器包括：至少一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、调谐装置和至少一个衍射光栅；

[0029] 所述增益介质所发出的相干光束经过所述准直透镜后成为平行光，所述平行光被所述衍射光栅衍射后，部分衍射光直接成为被输出的第一输出激光，另一部分衍射光沿原入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，成为第二输出激光；

[0030] 所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述衍射光栅绕一位于所述衍射光栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直；

[0031] 所述调谐装置，还用于实时改变所述旋转轴的位置，或者用于实时改变所述旋转轴与所述衍射光栅的相对位置，以调整所述激光器的谐振腔纵模的模数的值的大小；其中，所述旋转轴的位置满足条件：在所述激光器的输出激光频率的调谐过程中，由所述激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一个常量。

[0032] 所述衍射光栅进行所述旋转时的旋转半径为所述旋转轴到所述衍射光栅的衍射表面的垂直距离。

[0033] 所述调谐装置包括：驱动装置和旋转基座；所述旋转基座与所述驱动装置连接； [0034] 所述旋转基座，用于支撑或安装所述衍射光栅；

[0035] 所述驱动装置，用于驱动所述旋转基座以带动所述衍射光栅绕所述旋转轴旋转；并用于实时改变所述旋转轴的位置，或者用于实时改变所述旋转轴与所述衍射光栅的相对位置。

[0036] 所述驱动装置为旋转马达、步进电机或微电子机械系统。

[0037] 所述调谐装置还包括：控制装置和编码器；

[0038] 所述编码器，用于跟踪所述旋转基座的移动，并将跟踪结果发送给所述控制装置；

[0039] 所述控制装置，用于根据所选定的输出激光波长以及所述跟踪结果，对所 述旋转基座的移动进行选择性地控制，从而在输出所需频率的激光的同时对所输出的激光频率进行无跳模连续调谐。

[0040] 所述激光器包括多个衍射光栅；

[0041] 所述多个衍射光栅设置于所述调谐装置上；所述调谐装置驱动所述多个衍射光栅均绕同一个旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直；

[0042] 所述光学组件利用所述调谐装置上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐。

[0043] 所述激光器还包括：设置于所述准直透镜与所述衍射光栅之间的光路上的部分反射镜；

[0044] 所述部分反射镜，用于产生第三输出激光以及滤除了光谱噪声的第四输出激光。 [0045] 所述部分反射镜为分光镜、空间滤波片或耦合光纤。

[0046] 所述激光器还包括：耦合装置；

[0047] 所述耦合装置，用于将所述激光器的至少一束输出激光耦合到所需的单模或多模光纤中。

[0048] 所述激光器还包括：设置于所述调谐装置四周的一组或多组光学组件； [0049] 每组光学组件均利用所述调谐装置上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐。

[0050] 综上可知，本发明的实施例中提供了一种连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器。由于该连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器中包括一个调谐装置和至少一个衍射光栅，衍射光栅设置于调谐装置上；而调谐装置则用于驱动所述衍射光栅绕一预先设置的位于该衍射光栅的背面的旋转轴旋转，且该旋转轴与该衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴垂直，因此可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并降低所述激光器的生产成本。 附图说明

[0051] 图1为现有技术一中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 [0052] 图2为现有技术二中Littrow型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 [0053] 图3为现有技术三中Littman-Metcalf型可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。

[0054] 图4为本发明实施例一中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 [0055] 图5为本发明实施例一中的可调谐光栅外腔半导体激光器的原理图。 [0056] 图6为本发明实施例二中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 [0057] 图7为本发明实施例三中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 [0058] 图8为本发明实施例四中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。 具体实施方式

[0059] 为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

[0060] 图4为本发明实施例一中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图4所示，本发明中的可调谐光栅外腔半导体激光器包括：增益介质(gainmedium)401、准直透镜402和衍射光栅403。其中，所述增益介质401和准直透镜402可组成一个光学组件；所述增益介质401，用于产生稳定的光增益，并发出相干光束；例如，该增益介质401可以包括一个全反射或部分反射的后表面406、一个涂覆有防反射(AR，anti-reflection)涂层的前输出表面407以及一个半导体激光器芯片(该芯片可以是常用的Fabry-Pero型半导体激光器芯片，也可以是其它的具有类似功能的器件)；图中的M点为光轴400与增益介质401的后表面406的交点；G点为光轴400与衍射光栅403的交点；因此，该激光器的外部谐振腔(简称外腔，下同)被增益介质401的后表面406与衍射光栅403所限定。增益介质401从前输出表面407发出相干光束，该相干光束经过所述准直透镜402后成为平行光，该平行光入射到衍射光栅403上后发生衍射；被衍射光栅403所衍射的光，一部分衍 射光(例如，零级衍射光)可以直接成为被输出的第一输出激光(例如，输出激光404)，而另一部分衍射光(例如，一级衍射光，或更高阶的衍射级)则沿着原入射光路返回至增益介质401的后表面406，该后表面406再将所返回的光反射回衍射光栅403，依此类推，直到该衍射光在所述增益介质401中被振荡、放大到超过激光器振荡阈值时，该衍射光可作为第二输出激光(例如，输出激光405)。由此可知，该激光器的谐振腔中的外腔长度即为M点与G点之间的光路的总和。

[0061] 为了实现对激光频率的无跳模连续调谐，在本发明的技术方案中，图4所示的激光器中还包括一个调谐装置409，该调谐装置409可与上述的衍射光栅403组成一个调谐组件；所述衍射光栅设置于所述调谐装置上；且该调谐装置409，用于驱动上述衍射光栅403，使得该衍射光栅403可绕预先设置的位于所述衍射光栅的背面的旋转轴旋转；所述旋转轴与所述衍射光栅的衍射表面平行且与激光器的光轴400垂直(即所述旋转轴为通过O点且与纸面方向垂直的旋转轴)，即所述旋转轴不在所述衍射光栅403的衍射表面的延长线上，而位于所述衍射光栅403的背面。此外，该调谐装置409还可用于实时改变O点的位置(即改变所述旋转轴的位置)，或用于实时改变O点与衍射光栅403的相对位置(即改变所述旋转轴与衍射光栅403的相对位置)。所述衍射光栅403进行上述旋转时的旋转半径为：所述O点(即所述旋转轴)到衍射光栅403的衍射表面的垂直距离，该距离可用OP表示；其中，P点为O点到衍射光栅403的衍射表面的垂线与该衍射光栅403的衍射表面的交点。 [0062] 在本发明的实施例中，当上述衍射光栅403绕上述旋转轴旋转时，由于该旋转轴并不在所述衍射光栅403的衍射表面的延长线上，而位于所述衍射光栅403的背面；而且还可预先或实时对该旋转轴的位置和/或该旋转轴与衍射光栅403的相对位置进行设置，因此上述的可调谐光栅外腔半导体激光器可以根据激光频率调谐的要求，进行灵活的设计，满足由所述激光器的谐振腔所选择的纵模的模数N为一常量的MHF调谐，所以不需要任何其它外 加的控制方式或手段即可实现对激光频率的无跳模连续调谐，且能够产生覆盖整个由衍射光栅所产生的光谱范围的最大的MHF调谐范围，从而简化激光器的谐振器结构，降低所述激光器的生产成本。以下将对上述实现无跳模连续调谐的具体原理进行介绍。 [0063] 图5为本发明实施例一中的可调谐光栅外腔半导体激光器的原理图。如图5所示，当上述衍射光栅403绕上述过O点的旋转轴旋转一个角度μ时，衍射光栅403的位置发生了移动，因此，衍射角由θ变为θ′，G点移动到了G′点，即该激光器的衍射角和外腔长度都发生了变化，从而可以利用上述的变化来实现对激光频率的调谐。 [0064] 当衍射光栅403处于初始状态，还未开始旋转时，衍射角为θ，设衍射光栅403的刻划密度为dg，则根据谐振条件可知，此时通过该衍射光栅403所选择的激光的中心波长为：

[0065] λ(θ)＝2dg·sinθ(4.1)

[0066] 如图5所示，当衍射角为θ时，该激光器的外腔长度为M点到G点之间的光路总和L光(θ)，则根据光栅方程可知：

[0067]

[0068] 其中，N(θ)表示当衍射角为θ时，在上述可调谐光栅外腔半导体激光器的谐振腔中的第N个纵模的模数，且N(θ)为整数。

[0069] 当调谐装置409驱动上述衍射光栅403绕上述过O点的旋转轴旋转一定角度后，例如，衍射光栅403旋转到衍射角为θ′的位置时，衍射光栅403的衍射表面上的G点移动到了G′点的位置，此时，该激光器的外腔长度为M点到G′点之间的光路总和L光(θ′)，即该激光器的外腔长度发生了变化：

[0070] L光(θ′)＝L光(θ)-GG′(θ′，θ)(4.3)

[0071] 其中，GG′(θ′，θ)即为该激光器的外腔长度的变化量。

[0072] 根据图5中的光路可知：

[0073]

[0074] 其中，r0＝OP＝OP′，t0＝GP，OP、OP′和GP分别表示点O到点P、P′和点G之间的距离，GP表示G点到P点之间的距离。根据图5所示可知，r0和t0是与O点的位置有确定关系的参数；当O点的位置确定后，或者当O点与衍射光栅403的相对位置确定后，r0和t0的值也就随之被确定；反过来说，也可以根据r0和t0的取值来确定点O的位置或者确定O点与衍射光栅403的相对位置。

[0075] 当衍射角为θ′时，设N(θ′)表示在上述可调谐光栅外腔半导体激光器的谐振腔中的第N个纵模的模数，且N(θ′)为整数，λ(θ′)为通过该衍射光栅403所选择的激光的中心波长，此时有：

[0076] λ(θ′)＝2dg·sinθ′，

[0077] 根据上述的公式(4.1)～(4.5)可知：

[0078]

[0079] 其中，α1＝r0/L光(θ)和α2＝t0/L光(θ)。所述的α1和α2表示可通过改变旋转轴的位置r0和t0，或改变旋转轴与衍射光栅的相对位置来调整激光器的谐振腔纵模的模数N的值的大小。

[0080] 由上述公式(4.6)可知，为了实现对所有的激光频率都实现MHF连续调谐，则在整个激光频率的调谐过程中，都需要使得由谐振腔所选择的纵模的模数N(θ)′为一个常量，即满足无跳模连续调谐条件：

[0081] N(θ′)/N(θ)＝1，或|N(θ′)-N(θ)|≤1(4.7)

[0082] 在实际应用环境中的激光器中，由于增益介质11的增益带宽是有限的，因此只需满足上述的无跳模连续调谐条件，即可保证在上述有限增益带宽内的给定频率范围内进行无跳模连续调谐。由上述公式(4.6)可知，只需适当调整公式(4.6)中的r0和t0，则可很容易地满足上述的无跳模连续调谐条 件，从而可容易地实现对所有的激光频率都实现MHF连续调谐。

[0083] 由于衍射光栅403和/或旋转轴的位置(即O点的位置)的改变将导致上述的r0和t0的值的改变，因此，在本发明的技术方案中，也可通过对O点的位置(即所述旋转轴的位置)用外加反馈控制的方式进行实时调整，或者通过对衍射光栅403与O点的绝对位置或相对位置的实时调整，来改变上述的两个坐标r0和t0的值，使得上述的无跳模连续调谐条件可在更大频率调谐范围上得到满足。

[0084] 由图5可知，当O点的位置确定后，或者当O点与衍射光栅403的相对位置确定后，r0和t0的值也随之被确定。因此，在本发明的技术方案中，可根据实际应用情况，预先或实时选定O点的位置，或者预先或实时选定O点与衍射光栅403的相对位置，使得所述衍射光栅403在绕通过O点的垂直于纸面方向的旋转轴旋转时，该衍射光栅403所在的激光器的谐振腔长度具有合适的长度以输出所需频率的激光，并实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。

[0085] 在本发明的技术方案中，上述对O点的位置或O点与衍射光栅403的相对位置的选定以及衍射光栅403的旋转均可由调谐装置409来实现。所述调谐装置409可以是本技术领域中常用的各种固定的或动态的位置调节装置。例如，在本发明的具体实施例中，所述调谐装置409中可以包括一个驱动装置和旋转基座(base)(图4和图5中均未示出)。所述衍射光栅403设置于所述旋转基座上，且所述旋转基座与驱动装置连接，该旋转基座可用于支撑或安装所述衍射光栅403，并可根据驱动装置的驱动来改变衍射光栅403的位置；所述驱动装置，可用于驱动所述旋转基座以带动所述衍射光栅403绕所述旋转轴旋转，也可以用于改变O点的位置或O点与衍射光栅403的相对位置，从而使得该衍射光栅403可绕通过O点且与纸面方向垂直的旋转轴旋转到所需的位置。其中，所述驱动装置可以是旋转马达、步进电机、微电子机械系统(MEMS)，或其它可以实现上述驱动的设备；所述驱动装 置与旋转基座的连接方式可以使用直接固定方式(例如，旋转马达或步进电机的旋转轴承直接与旋转基座固定连接，或通过万向节过渡并与旋转基座固定连接；旋转轴承的连接保证旋转基座可通过O点且与纸面垂直的旋转轴旋转或移动转轴)，或其它本领域中常用的连接方式，在此不再赘述。

[0086] 另外，在所述调谐装置409中，还可包括控制装置和编码器(例如，线性编码器或电机旋转编码器；图4和图5中均未示出)。其中，所述编码器，用于跟踪旋转基座的移动，并将跟踪结果发送给所述控制装置。所述旋转基座的移动可以是平动、转动或平动加转动。其中，通过旋转基座的平动可以改变所述旋转轴的位置或改变所述旋转轴与所述衍射光栅的相对位置；而所述旋转基座的转动则可使得所述旋转基座上的衍射光栅绕所述旋转轴转动。所述控制装置则用于根据所选定的输出激光的波长以及所述跟踪结果，对旋转基座的移动进行选择性地控制，从而在输出所需频率的激光的同时对所输出的激光频率进行无跳模连续调谐。由此可知，通过如上所述的调谐装置409，可在输出所需频率的激光的同时，实现对所输出的激光频率的无跳模连续调谐。

[0087] 在图5所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中，可以作为输出激光的有：1)由衍射光栅403的衍射表面反射后直接输出的激光所形成的输出激光404；2)由衍射光栅403的衍射表面反射回增益介质401，并在增益介质401中经过振荡放大后，从增益介质401的后表面406输出的输出激光405。

[0088] 但是，在上述输出激光404和输出激光405中，均存在相对较高的光谱“噪声”，该光谱“噪声”为来源于增益介质401中的光源自发辐射(SSE，source spontaneous emission)和放大自发辐射(ASE，amplified spontaneousemission)。上述光谱“噪声”的存在，对于所输出的激光的相干性和强度造成了不利的影响。因此，在本发明的技术方案中，还可在图5所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中加入一个部分反射镜，用于“清除”上述输出激光中的光谱“噪声”(即输出激光中的ASE和SSE成分)。

[0089] 图6为本发明实施例二中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如 图6所示，本发明中的可调谐光栅外腔半导体激光器除了包括增益介质401、准直透镜402、衍射光栅403和调谐装置409之外，还包括一个设置于准直透镜402与衍射光栅403之间的光路上的部分反射镜601，该部分反射镜601可根据实际需求被设置或旋转到所需的任意角度，用于滤除输出激光中的光谱噪声。较佳的，该部分反射镜601可以是分光镜或其它形式的空间滤波片。由于所述光谱“噪声”的波长不同于所输出的激光波长，在空间分布上，上述光谱“噪声”可通过衍射光栅403的衍射而被驱离或被偏离所述输出激光的光路。因此，可通过插入上述的部分反射镜(例如，分光镜、空间滤波片或耦合光纤)来彻底“清除”所述输出激光中的上述光谱“噪声”。

[0090] 在本发明的实施例中，上述部分反射镜601可将通过该部分反射镜601的激光分成两束激光后分别输出，其中的一束激光为输出激光602，由于上述部分反射镜601的“清除”作用，从而使得该输出激光602中不再包含上述的光谱“噪声”(即该输出激光602中不包含ASE和SSE成分)；另一束激光为输出激光603，该输出激光603为传统的可调谐激光束，其中仍然包含上述的光谱“噪声”(即该输出激光603中仍包含ASE和SSE成分)，且与上述输出激光602的方向相反。

[0091] 通过如图6所示的可调谐光栅外腔半导体激光器，我们在获得传统的可调谐激光束(例如，输出激光404、405、603等)的同时，还可以获得去除了光谱“噪声”(即不包含ASE和SSE成分)的、具有高相干性、高光谱纯度的激光束(例如，输出激光602)，从而提高了上述可调谐光栅外腔半导体激光器的性能，有效地拓展了上述可调谐光栅外腔半导体激光器的应用范围。

[0092] 此外，在本发明的实施例中，为了使上述可调谐光栅外腔半导体激光器所产生的无跳模连续调谐激光与相应的单模或多模光纤620实现耦合，上述可调谐光栅外腔半导体激光器中还可以包括一个如图6所示的耦合装置610，该耦合装置610可用于将上述激光器的输出激光耦合到所需的单模或多模光纤620中。以下，我们将以输出激光405为例，对本发明的技术方案 进行介绍。

[0093] 该耦合装置610包括：光束采集装置611、光隔离器612和校准透镜613。其中，光束采集装置611用于采集从上述增益介质401的后表面406输出的输出激光405，并将采集到的输出激光输送到光隔离器612；所述光隔离器612用于防止外部反馈光的干扰，并实现上述输出激光的单向输出；所述校准透镜613，用于对所述光隔离器612中输出的激光进行准直，使得该输出的激光成为平行的激光束；或者用于对所述光隔离器612中输出的激光进行聚焦，使得该输出的激光被耦合到相应的光纤620中。

[0094] 此外，在上述可调谐光栅外腔半导体激光器的输出激光404、603或602的方向上，也可分别使用上述的耦合装置610，从而将上述的输出激光耦合到所需的光纤中。 [0095] 在本发明的技术方案中，还可对上述可调谐光栅外腔半导体激光器中的调谐组件进行进一步的改进，以提高上述可调谐光栅外腔半导体激光器的重复扫描速率(sweeping rate)以及调谐速度。

[0096] 图7为本发明实施例三中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图7所示，本发明中的可调谐光栅外腔半导体激光器包括：增益介质401、准直透镜402、调谐装置409、部分反射镜601、耦合装置610和至少一个衍射光栅403。在本发明的具体实施例中，上述可调谐光栅外腔半导体激光器可以包括一个或多个衍射光栅403，但为了更好地对本发明的技术方案进行介绍，以下将以该可调谐光栅外腔半导体激光器中包括三个衍射光栅
403为例进行说明。

[0097] 如图7所示，上述三个衍射光栅403设置于调谐装置409上，从而与该调谐装置409组成一个调谐组件。所述调谐装置409包括：用于安装和支撑所述衍射光栅403的旋转基座(base)和驱动装置；所述旋转基座与所述驱动装置连接；所述连接的方式可以是本领域中常用的连接方式，例如，所述旋转基座与所述步进电机可通过旋转轴承(rotation bearing)连接。其中，所述三个衍射光栅403设置于调谐装置409的旋转基座上；该旋转基座可绕 通过O点且垂直于纸面方向的旋转轴旋转；所述步进电机，可用于通过所述的旋转轴承驱动所述的旋转基座，使得该旋转基座可按照设置的旋转速度进行旋转，以改变设置在旋转基座上的各个衍射光栅403的位置，使得上述多个(图7所示为三个)衍射光栅
403中的某一个衍射光栅403的位置可以满足无跳模连续调谐条件，从而实现对激光器所需输出的激光频率的无跳模连续调谐。

[0098] 在上述的可调谐光栅外腔半导体激光器中，所述调谐装置可驱动上述多个光栅均绕同一个旋转轴(即上述通过O点且垂直于纸面方向的旋转轴)旋转，每个衍射光栅的旋转半径可以相同，也可以不同，可根据实际需要进行调整，即所述三个衍射光栅在所述调谐装置409上的位置(包括各个衍射光栅之间的夹角、各个衍射光栅与O点的相对位置以及各个衍射光栅到O点的距离)，均可以根据公式(4.6)以及实际的应用环境来确定；另外，上述的驱动装置可以是步进电机或其它可以实现上述驱动的设备。

[0099] 如图7所示可知，由于上述可调谐光栅外腔半导体激光器中具有多个衍射光栅，因此在所述调谐装置409绕通过O点且垂直于纸面方向的旋转轴旋转一周的过程中，每个由增益介质和准直透镜组成的光学组件均可利用所述调谐装置上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐，因此该可调谐光栅外腔半导体激光器可分别通过上述的多个衍射光栅对所输出的激光进行多次无跳模连续调谐，从而减小了每次无跳模连续调谐之间的周期，提高了上述可调谐光栅外腔半导体激光器的扫描速率以及调谐速度。

[0100] 另外，在图7所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中，可包括一个衍射光栅，也可包括多个衍射光栅。上述衍射光栅的数目可根据具体实际需求而预先设置。 [0101] 此外，在图7所示的可调谐光栅外腔半导体激光器中，还可根据实际需要选择是否设置上述的部分反射镜601和/或耦合装置610，即上述的部分反射镜601和耦合装置610并不是上述可调谐光栅外腔半导体激光器中的必要 组成部分。

[0102] 图8为本发明实施例四中的可调谐光栅外腔半导体激光器的示意图。如图8所示，为了更好的提高上述衍射光栅的利用率，还可以在可调谐光栅外腔半导体激光器中的调谐装置409的四周，设置一组或多组光学组件。其中，每组光学组件都包括一个增益介质401和一个准直透镜402，也可包括部分反射镜601和耦合装置610。因此，当调谐装置409绕通过O点且垂直于纸面方向的旋转轴转动时，每组光学组件都可单独利用调谐装置409上所设置的任意一个衍射光栅实现对所需输出的激光频率的无跳模连续调谐，从而可进一步提高对上述衍射光栅的利用率，减小每次无跳模连续调谐之间的周期，提高上述可调谐光栅外腔半导体激光器的扫描速率以及调谐速度，实现多光路激光输出。 [0103] 此外，图8中所设置的多组光学组件中，不同组的光学组件可以选择不同的增益介质、不同的准直透镜、不同的衍射光栅或不同的部分反射镜，来产生不同波长的输出激光，以实现独特的多波长、多光路激光输出。

[0104] 综上可知，在本发明的技术方案中，提供了多种形式的连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器。通过使用本发明实施例中所提供的上述结构紧凑的、可实现多功能输出连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并可降低生产成本，提高激光器的扫描速率以及调谐速度，从而使得上述连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器具有较大的MHF调谐能力，因此可以广泛应用于高分辨率激光光谱测量(high-resolution laser metrology)以及诸如原子钟、激光冷却/激光阱、战地(on-field)生化分析器等光谱传感器(spectroscopic sensor)中。

[0105] 此外，由于本发明的技术方案中所提供的连续无跳模可调谐光栅外腔半导体激光器是Littrow型的可调谐光栅外腔半导体激光器，因此激光器的谐振腔结构非常紧凑并且形式简单，且可实现多功能输出，从而可实现非常简化且低成本的制造过程，并具有成本低、可批量生产、高稳定性以及结构紧凑等优点。

[0106] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。