带模式跟踪的光学泵浦半导体激光器

摘要

腔内加倍OPS激光器具有用于粗略波长选择的包括双折射滤波器(BRF)的激光器‑谐振器，以及布置成用于II型倍频和精细波长选择的光学非线性(ONL)晶体。激光器辐射以取决于谐振器长度的一系列基本波长中的一个在所述激光器‑谐振器中循环。ONL晶体具有取决于晶体温度的透射率峰值波长。监测来自BRF的循环辐射的反射。当ONL晶体透射率峰值波长处于循环辐射波长时，该反射处于最小值。ONL晶体的温度选择性地变化以将所监测的反射保持在大约最小值。

权利要求

1.激光器装置，包括：

激光器谐振器，其包括多层半导体增益结构，所述增益结构由光学泵浦辐射供给能量，从而使得基频辐射在所述激光器谐振器中循环，所述基频是取决于所述激光器-谐振器的即时长度的一系列的可能振荡的频率中的一个；

光学非线性晶体，其位于所述激光器-谐振器中且布置成用于循环的基频辐射的II型倍频，所述光学非线性晶体在预定温度范围内具有可接受带宽；

加热元件，其布置成选择性地使得所述晶体的温度在预定温度范围内改变；

第一双折射滤波器，其位于所述激光器谐振器中，配置且布置成将能够在增益带宽内振荡的一系列可能的基频限制到其在光学非线性晶体的可接受带宽内的范围内，其中所述光学非线性晶体起到具有取决于晶体温度的透射率峰值的第二双折射滤波器的作用；

检测器，其布置成监测从所述第一双折射滤波器反射的基频辐射，当第二双折射滤波器的透射率峰值处于可能的振荡频率中的即时振荡频率时，所反射的辐射处于最小值；以及控制器，用于接收来自所述检测器的误差信号并控制所述加热元件作为对此的应答，其采取将所监测的反射保持在大约最小值处，从而将所述第二双折射滤波器的透射率峰值保持在大约所述即时振荡频率处的方式。

2.如权利要求1所述的装置，其中所监测的反射被保持在非零值，从而提供反射斜率以确定误差信号的方向。

3.如权利要求2所述的装置，其中所监测的反射处于每一百万循环基频辐射功率的大约50份的值处。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述激光器谐振器具有大约70mm的长度，并且可能的振荡波长分开大约7微微米。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述光学非线性晶体是硼酸锂晶体。

6.一种操作激光器装置的方法，所述激光器具有激光器谐振器，所述激光器谐振器包括多层半导体增益结构，所述多层半导体增益结构由光学泵浦辐射供给能量，从而使得基频辐射在激光器谐振器中循环，所述激光器谐振器包括布置成用于循环基频辐射的II型倍频的光学非线性晶体，所述激光器谐振器还包括双折射滤波器，所述方法包括：监测从所述双折射滤波器反射的基频辐射的强度并生成误差信号；以及基于所述误差信号来调节所述非线性晶体的温度以使模式跳跃最小化。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述非线性晶体的温度是以将所监测的强度保持在非零值从而提供反射斜率以确定误差信号的方向的方式来调节的。

说明书

带模式跟踪的光学泵浦半导体激光器

技术领域

[0001] 本发明总地涉及外腔光学泵浦半导体(OPS)激光器。本发明尤其涉及在单纵向模式下操作的腔内频率转换OPS激光器。

背景技术

[0002] 腔内频率转换(倍频)OPS激光器能够在操作于单纵向模式的同时以可见(绿色)波长提供几瓦特(W)的连续波(CW)辐射输出。绿色的、单模式输出波长可以通过OPS激光器腔外的光学非线性晶体(激光器-谐振器)中的进一步的频率倍增而转换成电磁谱的紫外线(UV)区域中的波长。

[0003] 通过实施例的方式，具有约1064纳米(nm)的基本激光波长的OPS激光器可以通过腔内光学非线性晶体来进行倍频以提供具有约532nm的波长的输出辐射。通过将位于OPS激光器-谐振器之外的光学非线性晶体中的输出辐射进行倍频，该输出辐射可以转换成具有大约266nm波长的UV辐射。

[0004] OPS激光器采用多层半导体结构作为增益元件(增益结构)。该增益结构包括由间隔层间隔开的量子阱(QW)层。间隔层吸收光学泵浦辐射，从而产生电子-空穴对。电子-空穴对落入QW层且被QW层束缚。QW层中的电子-空穴对的再结合提供QW层的QW材料的基本波长范围特性的辐射。这提供了光学增益。产生辐射的波长范围可称为增益带宽。

[0005] 增益结构的QW层由增益带宽的峰值增益波长处的一半波长间隔开。在OPS结构(OPS芯片)中，增益结构超越镜像结构。典型地，OPS激光器谐振器被配置为提供谐振器的一端镜的OPS芯片的镜。如果谐振器被配置成避免支持横向振荡模式(横向模式)，则连同间隔开的QW层所提供的增益的半波周期性一起，将增益结构放置在谐振器的一端提供的是，OPS激光器将在任何给定的瞬间在单纵向模式(单频)下产生CW辐射。“在任意给定的瞬间”的陈述的重要性的论述阐述如下。

[0006] OPS增益结构的增益带宽相对极宽。通过示例的方式，对于大约1000nm的峰值增益波长，FWHM增益带宽在40nm的数量级上。在腔内倍频OPS激光器中，通常在腔中包括单元件双折射滤波器。这将可以振荡的基本波长的范围限制在光学非线性晶体的相位匹配接受带宽内的范围。双折射滤光器被布置成布鲁斯特角入射，其建立在谐振器中产生的循环辐射的偏振取向。

[0007] 遗憾的是，这种双折射滤波器的通带宽度仍然足够宽，使得在具有大约70毫米(mm)的长度的谐振器中可以存在几种可能的振荡模式(频率)。其结果是，当这些模式中仅有一个在任何给定时刻振荡时，谐振器的任何扰动可以导致振荡从一种可能模式改变到相邻的可能模式。这种现象通常被本领域技术人员称为“模式跳跃”。在模式跳变的瞬间，在输出功率中存在突然的(基本上瞬时的)变化，随后是短暂的不稳定时段。这个不稳定周期将是几百分之一秒的量级。这有效地构成了OPS激光器的CW输出的中断。如果主动控制的外部增强谐振器用于OPS激光器输出的进一步频率转换，则来自该谐振器的输出功率将突然下降，以及恢复周期，在恢复周期内增强谐振器为激光器的新输出频率建立谐振。这将比激光输出功率的不稳定周期长。

[0008] 图1是已经通过将输出功率从标称最佳输出功率的90％增加到110％而被扰动的腔内倍频OPS激光器的监测输出功率的示波器轨迹的再现。功率增加在点A处开始。激光器以增加的功率操作约3.5秒，然后在点B处发生模式跳跃，在点B处输出被中断。由于在中断期间增益结构中存储的能量，输出功率在较高水平恢复。中断后的不稳定周期约为1.5秒。

[0009] 在诸如检查半导体晶片的应用中，CW工艺的这种中断可能是不能容忍的，即使由于模式跳跃的波长变化是可容忍的。存在对可以在没有模式跳跃的情况下操作的OPS激光器-谐振器的需要。

[0010] 发明概述

[0011] 根据本发明的激光器装置的一个方面包括激光器谐振器，该激光器谐振器包括多层半导体增益结构，该增益结构具有增益带宽。半导体增益结构包含在激光器谐振器中。增益结构由光学泵浦辐射供给能量，从而使得基频辐射在激光器谐振器中循环。基频是取决于激光器-谐振器的即时长度的一系列可能的振荡频率之一。光学非线性晶体位于激光器-谐振器中且布置成用于循环基频辐射的II型倍频。光学非线性晶体在预定温度范围内具有可接受带宽。加热元件布置成使得晶体的温度在预定温度范围内选择性地变化。第一双折射滤波器位于激光器谐振器中，配置且布置成将能够在增益带宽内振荡的一系列可能的基频限制到其在光学非线性晶体的可接收带宽内的范围。检测器被布置成监测从双折射滤波器反射的基频辐射，当第二双折射滤波器的透射率峰值处于可能的诊断频率中的即时的振荡频率时，所反射的辐射为最小值。光学非线性晶体充当具有取决于晶体温度的透射率峰值的第二双折射滤波器。加热元件与检测器协作，用于将监测的反射保持在最小值，从而将第二双折射滤波器的透射率峰值保持在即时振荡频率。

附图说明

[0012] 并入说明书并构成本发明的一部分的附图图示了本发明的实施方案，并且与上文给出的一般性描述和下面给出的实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。

[0013] 图1是在作为增加激光器的输出功率的结果而发生模式跳跃的时间段内现有技术的腔内倍频OPS激光器的输出功率的示波器轨迹的再现。

[0014] 图2示意性地示出了根据本发明的腔内倍频OPS激光器，该激光器具有包括OPS增益结构并且具有在其中循环的基本波长激光辐射的激光谐振器，该谐振器包括光学非线性晶体，光学非线性晶体布置成用于循环辐射的II型二次谐波转换；与光学非线性晶体协作的双折射滤波器，用于从增益结构的增益带宽中选择激光器工作模式，用于测量基本波长辐射的检测器；以及加热元件，其响应于测量的反射基本波长用于温度调谐光学非线性晶体，使得激光器的所选择的操作模式被不断地选择。

[0015] 图3是示意性地示出在图2的激光器的实施例中针对双折射滤波器和光学非线性晶体的组合的作为波长变化的函数的计算的透射率和反射率的曲线图。

[0016] 图4是在图2的激光器的实施例中，输出功率、光学非线性晶体的温度和来自双折射滤波器的监测反射的示波器轨迹的再现，在图2中，其中加热元件不响应于监测到的反射率，晶体温度保持恒定，并且由于增加激光器的输出功率而发生模跳。

[0017] 图5是在图2的激光器的实施例中，输出功率、光学非线性晶体的温度和来自双折射滤波器的监测反射率的示波器轨迹的再现，在图2中，加热元件响应于监测的反射率，晶体温度根据测量的反射率而变化，并且未发生模式跳跃。

[0018] 发明详述

[0019] 现在参考附图，其中相同的部件由相同的附图标记表示。图2示意性地示出了根据本发明的腔内倍频OPS激光器的优选实施方案10。激光器10包括安装在衬底或散热器14上的OPS芯片12。OPS芯片包括上覆有多层增益结构18的镜面结构16。镜面结构18和端面镜20形成激光器-谐振器22。

[0020] 来自二极管激光器棒或其堆叠(未示出)的泵浦辐射被引导到增益结构18上，使得基本波长(基频)激光辐射如箭头F所示在激光器-谐振器22中循环。双折射滤波器(BRF)提供用于选择基波波长的粗滤波，并且建立循环基波波长辐射的偏振取向，如图2所示中箭头P所指示。如图所示，BRF的快轴取向与偏振取向成45°。

[0021] 双轴光学非线性(ONL)晶体26位于谐振器22中并且被布置用于循环基本辐射的II型二次谐波(2H)频率转换。合适的晶体材料包括但不限于硼酸锂LBO和磷酸氧钛钾(KTP)。晶体26由加热元件28加热，例如热电加热元件。对于II型2H转换，晶体26的快轴也与偏振取向成45°，也如图所示。在该II型布置中，晶体26还用作双折射滤波器，但是具有比BRF 24窄得多的带宽。BRF 24和晶体26协作地作为两元件Lyot型滤波器。

[0022] 双折射滤光片的透射率峰值波长取决于晶体温度。存在这样的晶体温度的范围：其中滤波器的相位匹配是有效的。在该范围内，晶体26具有2H转换的接受带宽。

[0023] 当该两元件Lyot滤波器的通带在振荡基本波长(空腔模式)具有透射率峰值时，将基本上没有从BRF 24反射的辐射，因为BRF相对于循环辐射以布鲁斯特角倾斜。如果由于谐振器长度的扰动，腔模式的波长漂移到更长或更短的波长，则将有越来越多的反射辐射。在激光器10中，从BRF24反射的辐射由检测器30监测并被传输到控制器32。控制器32控制加热元件28调节晶体26的温度，直到来自BRF 24的监测反射率(误差信号)处于接近最小值的预定非零值。这足够接近以被认为是有效地“大约最小值”，同时提供反射斜率以确定误差信号的方向。这保持了两元件Lyot滤波器在振荡模式的波长处的透射率峰值。这可以被描述为“模式跟踪”，并且在下文中进一步详细讨论。优选地，检测器输出的差分用于提供斜率的更灵敏的测量。以这种方式，测量点可以低至百万分之50(ppm)，即约0.005％的循环功率。

[0024] 这里应当注意，激光器10以简单的形式示出，仅具有足以来说明本发明的机制的部件。在实践中，这种腔内倍频激光器可以包括用于减小长谐振器的“足迹”的折叠反射镜和用于在光学非线性晶体中产生束腰的一个或多个凹面镜。在转让给本发明的受让人的美国专利No.6,097,742中详细描述了几个腔内频率转换激光器，其全部公开内容通过引用并入本文。从'742专利的公开和本文提出的本发明的描述，本领域技术人员可以设计其它谐振器布置，包括BRF反射监测和用于模式跟踪的II型布置的光学非线性晶体的协作温度调谐，这不脱离本发明的精神和范围。另外的控制器32可以具有其他功能，例如输出功率监测和控制。

[0025] 图3是示意性地示出在图2的激光器的示例中双折射滤光器和光学非线性晶体的Lyot滤光器组合的作为波长变化的函数的计算的透射率(曲线L)和对应的反射率(虚线曲线LR)的曲线图。应当注意，曲线L基本上由光学非线性晶体26确定，光学非线性晶体26具有比BRF 24窄得多的带宽。假定晶体是具有约7mm长度的LBO晶体。

[0026] 曲线L经“温度调谐”(德尔塔(delta)波长＝0)到对于腔模MN具有峰值透射率和最小反射率。在较长和较短的波长(更低或更高的频率)处的相邻的腔模MN+1和MN-1分别比模式MN小大约0.03％的透射率和比模式MN大大约0.03％的反射率。空腔模式被波长隔开约7皮米(pm)，对应于约70mm的空腔(谐振器)长度。7pm的波长差对应于仅约7微米(μm)的谐振器长度的变化。

[0027] 模式MN与相邻模式之间的约0.03％的透射率差被假定为足以使模式MN将是单一的振荡模式。假设通过将光非线性晶体26(参见图2)保持在恒定温度来固定透射率曲线。现在，如果出于任何原因发生谐振器长度的扰动，则腔模式将移动到更短或更长的波长，这取决于谐振器长度变化是负还是正。如果长度变化是正的，则模式MN的透射率将减小(反射率的相应增加)，并且模式MN-1的透射率将增加。随着达到其中这两个模式的透射率(和反射损耗)相等的谐振器长度，则振荡将从模式M“N 跳”到模式MN-1的概率增加。

[0028] 这在图4中示出，针对图2的激光器10的实际的实施例，其中测量的BRF反射率和加热元件28之间的晶体温度控制回路被停用，并且晶体温度保持恒定。激光器的基本波长为1064nm。这里，上部曲线基本上是图1的输出功率曲线，其在点A处经历功率的逐步增加。中间曲线是光学非线性晶体26(这里是LBO晶体)的监测温度。下面的曲线是来自BRF 24的监测反射率。

[0029] 可以看出，在点A处20％功率增加之后，监测的反射率开始上升，指示腔模式的长波长漂移。在发生模式跳跃的点B处，监测到的反射率突然下降到在施加功率增加之前的值附近。这表示根据图3可以看出，当发生模式跳跃时，MN-1模式处于滤波器的峰值透射率(最小反射率)波长。

[0030] 图5示出了图4的相同的监测参数。当所监测的BRF反射率和加热元件26之间的本发明控制回路被激活，使得晶体26的温度被调节以将BRF反射率保持在大约最小值时。20％的功率增加在点A处。在点B处没有发生模式跳跃。在再现的精度内出现监测的BRF反射率中发生的无论什么波动都由LBO温度的轻微变化补偿。

[0031] 根据表面上的考虑，可以认为实际晶体温度对加热元件的温度变化的响应可能相对较慢。然而，在图3、图4和图5的实施例中，仅需要一开氏度的数千分之十(10mK)的晶体的温度变化，以将晶体26的峰值透射率改变一个空腔模式间隔。实际上，该变化可以在几毫秒内发生，其足够短以使本发明有效地起作用，当然是就由于环境因素的长期谐振器扰动方面而言。温度变化完全在相位匹配的温度容限内。

[0032] 代替将晶体温度与所监测的BFR反射率相关联，可以使用由保持晶体温度恒定的压电换能器驱动的反射镜来调节谐振器长度，这可以能够响应于由至少低频振动导致的扰动。然而，这是一个相对昂贵的选择。振动和冲击扰动可能只是容忍或采取措施以避免这种扰动。可替代地，OPS激光器可被设计成抵抗振动引起的谐振器长度的变化。这样的布置在转让给本发明的受让人的美国专利申请号14/210433中进行了描述，其全部公开内容通过引用并入本文。

[0033] 在产生图4和图5的结果时，使用简单的光电二极管检测器来监测来自BRF 24的反射。可以使用更精确的检测器装置，例如公知的 布置。这提供了具有最小零交叉的误差信号，并且具有指示信号是高于还是低于最小值的正号或负号。这需要附加的光学部件和附加的检测器，具有相应的成本和复杂性。然而，不清楚的是这将实现本发明的任何更可靠的操作。

[0034] 总之，以上根据优选和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于本文所描述和描述的实施例。相反，本发明仅由所附的权利要求限制。