一种具有宽调谐范围的外腔式半导体激光器

本发明涉及激光器，尤其涉及一种具有宽调谐范围的外腔式半导体激光器。

背景技术：

1、外腔式半导体激光器（external cavity diode laser, ecdl）通过在激光二极管外部构建谐振腔并引入波长选择元件，能够实现窄线宽、可调谐的激光输出，广泛应用于光通信、精密测量、量子光学、激光雷达等领域。典型的ecdl结构包括littrow结构和littman-metcalf结构两种构型，均采用衍射光栅作为波长选择元件。

2、在ecdl中，模式稳定性是一个关键的性能指标。为实现无跳模（mode-hop-free）的连续调谐，外腔的谐振腔长与光栅的衍射角度需要精确同步变化--光栅角度的变化决定了被选中的反馈波长，而外腔长度的变化决定了激光器纵模的位置，两者必须保持一致，否则会导致跳模，严重影响输出光谱质量和稳定性。

3、研究表明，通过优化光栅旋转枢轴点的几何位置，使光栅旋转时同时改变外腔长度和光栅角度，可以显著拓宽无跳模调谐范围。(参考文献：s.d. saliba, m. junker,l.d. turner, r.e. scholten, mode stability of external cavity diode lasers[j]. appl. opt., 2009, 48(35):6692-6700)

4、基于上述原理，现有外腔半导体激光器的波长调谐通常通过改变光栅的角度来实现。在工程实践中，光栅角度的调节主要采用机械调节或压电调节两种方式。机械调节通常采用调节螺钉驱动光栅支架转动，具有行程大、可覆盖宽波长范围的优点，但受限于螺纹精度和机械回差，其调节分辨率和重复性有限。压电调节利用压电陶瓷的逆压电效应产生微小位移，具有分辨率高的优点，但其行程通常仅有数微米至数十微米，难以独立实现宽范围调谐。因此，如何在充分发挥各自优势的基础上，将大行程机械调节与高精度压电调节有机结合，实现宽范围、高精度的波长调谐，成为ecdl工程化设计中值得探索的方向。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有外腔半导体激光器在大行程机械调节与高精度压电调节各自独立工作时难以兼顾的问题，以及littrow结构在波长调谐过程中输出光束方向随波长变化而改变的技术问题，提供一种具有宽调谐范围的外腔式半导体激光器。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有宽调谐范围的外腔式半导体激光器，包括：底座、前面板、后面板、防尘罩、套管支座、准直套管、光栅支架、激光二极管、非球面透镜、反射式全息光栅、直角反射镜、压电陶瓷及调节螺钉；

3、所述套管支座安装于所述底座上；所述准直套管固定安装于所述套管支座上；所述光栅支架通过调节螺钉及弹性元件可转动地安装于所述套管支座上；

4、所述激光二极管和非球面透镜同轴安装于所述准直套管内；所述反射式全息光栅和所述直角反射镜固定安装于所述光栅支架上；

5、所述压电陶瓷固定于所述光栅支架，并与所述调节螺钉传动配合；

6、所述前面板、后面板和防尘罩分别安装于所述底座上，构成封闭结构；

7、激光以littrow角入射至所述反射式全息光栅，其一级衍射光沿原路返回至所述激光二极管形成反馈，其零级衍射光（即反射光）经所述直角反射镜反射后作为激光输出；当通过所述调节螺钉或所述压电陶瓷驱动所述光栅支架相对于所述套管支座转动时，所述零级衍射光在所述反射式全息光栅处的反射角度变化量与在所述直角反射镜处的反射角度变化量大小相等、方向相反，相互抵消，从而使输出光束的方向在波长调谐过程中保持稳定。

8、进一步地，所述套管支座与所述底座之间设置有温控元件。

9、进一步地，所述温控元件与所述套管支座或所述底座的接触面均涂覆有导热硅脂。

10、进一步地，所述温控元件为热电制冷器。

11、进一步地，所述套管支座内安装有热敏电阻，用于监测温度。

12、进一步地，所述激光二极管通过压紧卡环固定于所述准直套管内，所述非球面透镜通过橡胶圈固定于所述准直套管内。

13、进一步地，所述光栅支架上开有若干通孔，所述套管支座上开有对应的若干通孔与圆柱销，所述光栅支架底端和侧面分别设有螺纹孔，每个所述弹性元件一端穿过套管支座上开设的通孔并通过圆柱销固定，另一端穿过光栅支架上开设的通孔并固定于对应螺纹孔的螺钉上。

14、进一步地，所述后面板上开有通孔，用于安装外部电气接口；所述前面板上开有通光孔，用于安装增透镜。

15、进一步地，所述调节螺钉用于驱动所述光栅支架相对于所述套管支座转动，实现波长大范围粗调；所述压电陶瓷用于在所述调节螺钉粗调的基础上驱动所述光栅支架产生微小位移，实现波长精密微调；所述调节螺钉与所述压电陶瓷协同工作，共同实现宽范围、高精度的波长调谐。

16、进一步地，所述前面板固定于所述底座的前端，所述后面板固定于所述底座的后端，所述防尘罩设于所述底座上，所述前面板、所述后面板及所述防尘罩共同构成封闭结构，用于减小外界环境变化对所述外腔式半导体激光器输出波长稳定性的影响。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1.调节螺钉提供大行程机械调节，实现宽波长范围的覆盖；压电陶瓷在粗调基础上提供高精度微调，实现波长连续调谐；两者协同工作，兼顾了宽调谐范围与高调节精度的统一。

19、2.采用调节螺钉与压电陶瓷相结合的调节方式，既可实现手动粗调，又可实现电压驱动的精密微调，操作灵活，调节精度高。

20、3.通过反射式全息光栅与直角反射镜的联动反射设计，使输出光束在波长调谐过程中始终保持方向稳定，解决了传统littrow结构输出方向随波长变化的问题。

21、4.整体结构紧凑，元件集成度高，有利于小型化设计和批量生产。

1.一种具有宽调谐范围的外腔式半导体激光器，其特征在于，包括：底座、前面板、后面板、防尘罩、套管支座、准直套管、光栅支架、激光二极管、非球面透镜、反射式全息光栅、直角反射镜、压电陶瓷及调节螺钉；

2.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述套管支座与所述底座之间设置有温控元件。

3.根据权利要求2所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述温控元件与所述套管支座或所述底座的接触面均涂覆有导热硅脂。

4.根据权利要求2所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述温控元件为热电制冷器。

5.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述套管支座内安装有热敏电阻，用于监测温度。

6.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述激光二极管通过压紧卡环固定于所述准直套管内，所述非球面透镜通过橡胶圈固定于所述准直套管内。

7.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述光栅支架上开有若干通孔，所述套管支座上开有对应的若干通孔与圆柱销，所述光栅支架底端和侧面分别设有螺纹孔，每个所述弹性元件一端穿过套管支座上开设的通孔并通过圆柱销固定，另一端穿过光栅支架上开设的通孔并固定于对应螺纹孔的螺钉上。

8.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述后面板上开有通孔，用于安装外部电气接口；所述前面板上开有通光孔，用于安装增透镜。

9.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述调节螺钉用于驱动所述光栅支架相对于所述套管支座转动，实现波长大范围粗调；所述压电陶瓷用于在所述调节螺钉粗调的基础上驱动所述光栅支架产生微小位移，实现波长精密微调。

10.根据权利要求1所述的外腔式半导体激光器，其特征在于，所述前面板固定于所述底座的前端，所述后面板固定于所述底座的后端，所述防尘罩设于所述底座上，所述前面板、所述后面板及所述防尘罩共同构成封闭结构，用于减小外界环境变化对所述外腔式半导体激光器输出波长稳定性的影响。