本发明公开了一种新型外腔半导体激光器，属于光电子技术领域。本发明的激光器包括激光管热沉调节架A、光栅反射镜组件B、激光器底座C；激光管热沉调节架A上安装一激光管(1)，光栅反射镜组件B包括一反射式光栅(9)和一反射镜(11)；光栅反射镜组件B置于精密导轨(11)中；其中，反射式光栅(9)用于接收激光管(1)输出的光并将其反射至反射镜(14)的反射面，精密导轨(11)的转动轴线为反射式光栅(9)反射面延长线与激光管(1)出射端口面延长线的交线。与现有技术相比，本发明解决了机械稳定，同时大大提高了连续可调谐范围。(14)，激光器底座C上设有一圆弧形的精密导轨
1.一种新型外腔半导体激光器，其特征在于包括激光管热沉调节架A、光栅反射镜组件B、激光器底座C；激光管热沉调节架A上安装一激光管(1)，光栅反射镜组件B包括一反射式光栅(9)和一反射镜(14)，所述反射式光栅(9)的反射面与反射镜(14)的反射面平行，激光器底座C上设有一圆弧形的精密导轨(11)；光栅反射镜组件B置于精密导轨(11)中；其中，反射式光栅(9)用于接收激光管(1)输出的光并将其反射至反射镜(14)的反射面，精密导轨(11)的转动轴线为反射式光栅(9)反射面延长线与激光管(1)出射端口面延长线的交线；其中，所述精密导轨(11)为以激光器外的一点为圆心的圆弧槽，光栅反射镜组件B与激光管(1)之间的角度满足关系式tanθ＝L/H，θ为激光管(1)出射端口面延长面与反射式光栅(9)反射面延长面的夹角，L为激光管(1)到反射式光栅(9)的距离，H为圆弧形精密导轨(11)圆心到激光管(1)中心的距离。
2.如权利要求1所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光管热沉调节架A固定在所述激光器底座C上。
3.如权利要求2所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光管热沉调节架A通过一激光管俯仰加固件(6)固定在所述激光器底座C上。
4.如权利要求1或2所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光管热沉调节架A还包括激光管座(2)、激光管压块(3)、激光管俯仰调节旋钮(7)、准直透镜(8)；其中，激光管热沉调节架上设有一激光管孔槽(5)，所述激光管(1)安装于所述激光管孔槽(5)中且通过所述激光管压块(3)与所述激光管座(2)固定，所述准直透镜(8)位于激光管孔槽(5)中且位于所述激光管(1)的前端。
5.如权利要求4所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光管热沉调节架A还包括一温度传感器(4)，用于监测所述激光管(1)的温度。
6.如权利要求1或2所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光器底座C上还包括精密螺丝(10)，弹簧(15)；其中，所述光栅反射镜组件B一端与所述精密螺丝(10)连接，另一端与所述弹簧(15)连接，所述弹簧(15)的另一端与所述精密导轨的一端连接。
7.如权利要求6所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述精密螺丝(10)经一压电陶瓷(12)、一垫片(13)与所述光栅反射镜组件B连接。
8.如权利要求7所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述压电陶瓷(12)的控制电压为周期性的三角波电压或锯齿波电压。
9.如权利要求6所述的外腔半导体激光器，其特征在于所述激光器底座C上，与所述反射镜(14)的反射出光方向对应位置设有一通孔，用于输出所述反射镜(14)反射输出的激光。
一种新型外腔半导体激光器
技术领域
[0001] 本发明属于光电子技术领域，涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种新型外腔半导体激光器。技术背景
[0002] 外腔半导体激光器广泛应用于高精度原子钟、精密导航、通信同步技术、工业长度测量、天文测量技术、地球勘探技术、环境精密检测、生物精密检测、化学精密检测等。
[0003] 外腔半导体激光器是一种窄线宽、连续半导体激光器。由于半导体激光管的腔长只有100微米，其激光的线宽一般在50MHz以上，连续可调谐范围也在几百兆赫兹左右，不能满足用户的要求。Littrow结构外腔半导体激光器是一种具有线宽压窄、连续可调谐范围大的激光器，但是由于目前外腔半导体激光器产品的结构不能满足Littrow结构的理想几何条件，如图1所示，以二维图来叙述，传统的激光器是以光栅面为中心进行旋转的，图中光栅围绕O点旋转，在初始位置时，入射角度值为θ0，同时光栅反射面的延长线与y轴相交于一点M0，交点M0与激光出射面的距离为H(θ0)，当光栅面转动时光线到光栅的入射角度发生变化，入射角度为θ，光栅的延长线与y轴相交于另一点M1，此时转动轴与激光出射面的距离为H(θ)，而Littrow原理是要求轴不动，即H(θ0)不变，所有的轴变化的情况都不属于Littrow结构，按照Littrow原理，无跳模范围的转动轴在不断发生变化，而激光出射点与光栅之间的距离L(θ)与L(θ0)始终一致，无法满足公式(1)，使得无跳模范围变得很窄。虽然利用电子补偿技术使连续可调谐范围增大到20GHz左右，但是还存在整体的稳定性差与连续可调谐范围不够大的弱点。
[0004]
[0005] 其中，L为激光发光点与光栅反射点的距离，H为激光发光点与光栅理想转轴O间的距离。
[0006] 本发明提供了一种基本满足Littrow结构理想几何条件的设计，在同等实验条件下，可以在保证窄线宽的同时，使连续可调谐范围大大增加，又能提高激光器腔体的抗震能力，这样就提高了外腔半导体激光器的整体稳定性。
发明内容
[0007] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种新型外腔半导体激光器，本发明利用特殊的机械结构设计，使实际光栅转轴与理想转轴O点重合，在既满足机械稳定性条件下，又满足理想几何关系式(1)，因此激光的连续可调范围可达到无穷大，实际的设计为电压控制连续调谐范围大于100GHz，激光的线宽压窄至100kHz以下。
[0008] 如图2所示为Littrow结构，Littrow结构中，转动轴O是以光栅面和激光出射面的交线，也是光栅的理想转轴，L为激光发光点与光栅反射点的距离，H为激光发光点与光栅理想转轴O间的距离，理论表明，如果两者满足公式(1)，则外腔半导体激光的频率的连续调谐范围为无穷大，或无跳模范围为无穷大。
[0009] 本发明的几何结构如图3所示，其满足Littrow理想几何结构条件的设计，图3中激光管从O’点发射光线入射至反射式光栅M0面A点，形成“0”级光反射至平面反射镜M1的B点上与光线O’A平行射出。其中“1”级光沿AO’返回激光管，使M1和激光管形成Littrow外腔，由于反射式光栅M0安装在滑块CDEF上，滑块的转轴与反射式光栅理想转轴O重合满足理想几何条件公式(1)。本发明的结构包括三个部分，如图4所示：
[0010] 激光管热沉调节架A、光栅反射镜组件B、激光器底座C。光栅反射镜组件B置于激光器底座C的精密导轨中，激光管热沉调节架A固定在激光器底座C上(A通过加固件6的螺丝固定在C中)。这种机械结构设计的激光器可以在保证窄线宽的条件下，使连续可调谐范围大大增加，同时又能提高激光器腔体的抗震能力，具有高稳定性与宽连续调谐的优点，这样就提高了外腔半导体激光器的整体稳定性，该激光头的连续可调谐频率范围大于100GHz。
[0011] 其中：
[0012] 激光管热沉调节架A由激光管1、激光管座2、激光管压块3、温度传感器4(温度传感器主要用来探测激光管的温度，其和激光管连接，用导热装置使温度稳定，直接埋藏在里面图中未示出)、激光管孔槽5、激光管俯仰加固件6、激光管俯仰调节旋钮7、准直透镜8组成；其中激光管用AR-coating型号的管子。
[0013] 光栅反射镜组件B由反射式光栅9、反射镜14组成；它与激光管的几何关系满足：
[0014]
[0015] 其中L为激光管到反射式光栅的距离，H为圆弧轨道圆心到激光管中心的距离(参照图2)。由于光栅组件的转动轴为反射式光栅面与激光出射面的交线，从而使反射式光栅一级衍射角等于反射式光栅面与激光出光面的夹角，实现一级光反射回激光管产生谐振，0极光出射。
[0016] 激光器底座C由带有弧形导轨11的外罩组成。
[0017] 此外，图中10是精密螺丝，12是压电陶瓷，13为垫片，15是弹簧。
[0018] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0019] 本发明解决了保持良好的机械稳定前提下，提高连续可调谐范围。利用本发明的结构，激光器的连续可调谐范围可以达到100GHz以上，并且将激光脉宽压至100KHz以下。
附图说明
[0020] 图1为传统的外腔激光器原理图；
[0021] 图2所示为Littrow理想几何结构的原理图；
[0022] 图3所示为大连续调谐范围Littrow结构外腔半导体激光器的结构图；
[0023] 图4所示为本发明的半导体激光器的各部件剖面图；
[0024] 1--激光管、2--激光管座、3--激光管压块、4--温度传感器、5--激光管孔槽、6--激光管俯仰加固件、7--激光管俯仰调节旋钮、8--准直透镜、9--反射式光栅、10--精密螺丝、11--导轨、12--压电陶瓷、13--垫片、14--反射镜、15--弹簧
[0025] 图5所示为本发明的激光器整体外观。
具体实施方式
[0026] 下面结合图示给出具体实施方法，进一步说明本发明的新型结构半导体激光器的设计思路和调试方法，更加清楚、完整地描述半导体激光器的创新点。
[0027] 我们所发明的机械结构，精密弧形导轨11，这样的机械结构是完全按照Littrow的结构来设计的，可使得连续可调范围大大增加，具体操作过程如下所述。
[0028] 首先安装激光头部分，如图4所示，将准直透镜8装入激光管热沉调节架A的激光管孔槽5中，在激光管座2上安装激光管1，将温度传感器插入位置4。
[0029] 其次安装激光管热沉调节架A，并用激光管俯仰加固件6将其固定在激光器底座C上，加固件用来固定激光管热沉调节架到激光器底座上，此时螺丝不能太紧，通过调节激光管座的上下左右位置和激光管热沉调节架A来调节激光器1的准直，当光水平出射且有标准高斯光束时，旋紧激光管压块3的螺丝来固定激光管1的位置，通过调节准直透镜8来调节激光器的焦距，让光束出射为平行光。
[0030] 再次，当反射式光栅9和反射镜14(这两个面相互平行，反射式光栅和反射镜都是用胶粘在金属上的)都粘好后，把光栅反射镜组件B置入精密导轨11中，光栅反射镜组件B的一端和精密螺丝10连接，光栅反射镜组件B的另一侧和压缩中的弹簧15连接(弹簧15另一端和导轨上的一个竖起来的固定结构连接，主要是用来给弹簧一个力的作用)，弹簧提供一个往精密螺丝方向的推力，移动光栅反射镜组件B，使得激光的1级衍射光反馈入激光管1，用功率计测量出射激光功率，微调激光管俯仰调节旋钮7来调节激光管热沉调节架的倾斜角，使得激光出射的“1”级光反馈进入激光管1，当调节好反馈后，用激光俯仰固件6固紧激光管热沉调节架，用波长计测量我们所需要的波长，此时通过精密螺丝10微调光栅反射镜组件改变其在弧形导轨11中的位置，腔长和激光的入射角度都会发生微小变化，此时能达到微调波长的目的，当得到我们所需要的波长时固定精密螺丝10，通过对压电陶瓷12加电压输入三角波(或锯齿波)的方式，让压电陶瓷12和弹簧15推力的共同作用下，使得光栅反射镜组件B在精密弧形导轨11中来回运动，实现周期性改变外腔长度达到扫描波长的目的；此时的扫描只是产生纳米级的运动，并不会大范围的改变入射角度，一级反馈光仍可返回激光管，反馈并不需要重新调整，这里扫描的作用是为了获得在外光路中的饱和吸收光谱，得到在某一频率邻近的所有跃迁谱线。
[0031] 本发明组装后的整体结构图如图5所示，由于我们的反射式光栅9的一级衍射角度等于反射式光栅9反射面与激光管1出光面(即图1、2中y轴)之间的夹角，转动轴满足了Littrow理想几何结构，通过反馈在外腔中形成谐振腔，光在谐振腔中来回振荡形成激光，0级光与1级光频率相同，此时无跳模范围将大大增宽，保证激光器的大的可连续调谐范围，与同等激光器的改变相同位移的情况下，我们的激光器仍然不会跳模，同时光栅反射镜组件和底板之间用下拉弹簧连接固定，使得光栅反射镜组件不会上下震动，这样的设计就增加了它的机械稳定性。
[0032] 本发明所设计的精密导轨，是经过计算后的在激光器外的一点为圆心，以H为半径的圆弧槽，虽然本专利只提供了一种实施例，但是一切符合我们设计思路的产品都是我们保护的对象。
