一种宽调谐长波长Littman型外腔激光器

本发明属于半导体激光，尤其涉及一种基于入射角-衍射角同步调控的宽调谐长波长littman型外腔激光器，适用于红外光谱检测、生物组织深层成像、光纤通信波长复用等长波长应用场景。

背景技术：

1、littman型外腔激光器因光栅固定、光束位置稳定的结构优势，在宽范围扫描场景中得到广泛应用，其核心是通过调整光束角度与光栅衍射配合实现波长调谐。然而现有技术存在两大关键瓶颈：

2、（一）调谐范围受限

3、传统方案仅单独调整入射角（如透镜位移）或衍射角（如振镜角度），受光栅方程中sinθ+sinφ的单变量约束，调谐范围通常≤10nm，无法覆盖长波长波段（如1.3-1.6μm）的宽增益带宽需求；

4、为解决上述问题，中国专利cn121748923a提出了一种基于双枢轴联动的宽调谐外腔半导体激光器，其通过双枢轴联动机构驱动衍射光栅同步平移与旋转，实现纵模序数n=hob/d保持恒定。cn101604818b则提出将衍射光栅的旋转轴设置于光栅背面，通过预先选择旋转轴位置使谐振腔纵模模数恒定，从而实现无跳模调谐。然而，上述方案本质上均属于开环被动式机械设计，对加工精度、装配精度及长期稳定性要求极高，机械磨损、温度漂移等因素均会导致调谐关系偏离设计值，且缺乏实时补偿手段。

5、（二）长波长模式不稳定

6、长波长（如1.5μm）场景下，光栅衍射效率随角度增大显著下降（入射角>60°时衍射效率<25%），外腔反馈光强不足，导致激光模式跳变、功率波动大，难以满足生物组织深层成像、红外光谱检测等对稳定性要求高的应用。

7、中国专利cn115021076a公开了一种1550nm波长光栅外腔可调谐半导体激光装置，采用600线/mm衍射光栅实现100nm调谐范围，但未针对长波长波段优化光栅闪耀角，亦未涉及入射角-衍射角的同步调控。cn107611777a提出采用固定栅格滤波器与littrow型反射光栅组合成超窄滤波器，通过调整各滤波器的入射角实现波长灵活输出，但其属于littrow结构，输出光方向随调谐而变化，且长波长下衍射效率不足的问题仍未解决。

8、此外，us7230960b2提出采用两个致动器分别控制后向反射镜旋转和平移增益介质或光栅，以抑制跳模。然而该方案中波长选择与腔长调节由两个独立致动器分别完成，控制逻辑彼此独立而非同步联动，难以实现入射角与衍射角的精确协同变化，且同样未涉及长波长光栅衍射效率的优化问题。

9、目前虽有多种littman型激光器方案，但均未解决长波长、宽调谐、高稳定的协同问题，无法满足高纯频谱微波信号产生、高分辨率传感等领域的长波长宽调谐需求。

技术实现思路

1、现有littman型外腔激光器调谐范围窄（≤10nm）、长波长下衍射效率低（<25%）、模式不稳定，无法实现长波长波段（1.3-1.6μm）的宽范围稳定调谐，难以满足红外光谱检测、生物组织深层成像等应用需求。本公开提供一种宽调谐长波长littman型外腔激光器，旨在至少部分地解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本公开实施例提供了一种宽调谐长波长littman型外腔激光器，

3、本发明的第一方面是提供了一种宽调谐长波长littman型外腔激光器，包括：

4、宽增益带宽激光源模块，用于产生中心波长位于1.3-1.6μm波段的激光；

5、入射角调控单元，设置于所述宽增益带宽激光源模块的出射光路上，用于将所述激光准直为平行光并调整所述平行光入射至高衍射效率光栅模块的入射角θ；

6、高衍射效率光栅模块，设置于所述入射角调控单元的出射光路上，用于对调整角度后的光束进行波长筛选，其一级衍射光输出至衍射角调控单元，零级衍射光输出至输出单元；

7、衍射角调控单元，设置于所述高衍射效率光栅模块的一级衍射光路上，用于调控所述一级衍射光的衍射角φ，并使所述一级衍射光沿原路径返回所述宽增益带宽激光源模块，形成稳定外腔反馈；

8、同步闭环控制单元，分别与所述入射角调控单元、所述衍射角调控单元及所述高衍射效率光栅模块电信号连接，用于接收目标波长指令，联动所述入射角调控单元调整入射角θ、联动所述衍射角调控单元同步调整衍射角φ，使sinθ+sinφ的总和≥1.7，满足光栅方程mλ=d(sinθ+sinφ)的长波长共振条件；

9、输出单元，设置于所述高衍射效率光栅模块的零级衍射光路上，用于将经外腔反馈锁定后的零级衍射光准直后输出。

10、进一步地，所述同步闭环控制单元包括控制器、光强探测器、位移传感器及角度传感器；

11、所述光强探测器用于监测反馈光强，所述位移传感器用于检测所述入射角调控单元的位置，所述角度传感器用于检测所述衍射角调控单元的角度；

12、所述控制器接收所述位移传感器、所述角度传感器及所述光强探测器的反馈信号，对入射角与衍射角的调整进行闭环校准，使二者同步误差≤0.01°，并根据反馈光强动态补偿衍射效率波动。

13、进一步地，其特征在于，所述宽增益带宽激光源模块为inp基多量子阱二极管激光器，封装集成石墨烯散热层，其中心波长1.55μm，增益带宽≥40nm，散热效率≥15w/(cm2·k)。

14、进一步地，所述入射角调控单元包括电磁驱动复消色差准直透镜、纳米位移平台及位移传感器，所述纳米位移平台用于带动所述准直透镜横向微位移以调整入射角θ，其位移精度±0.05μm，所述准直透镜焦距6-10mm。

15、进一步地，所述衍射角调控单元为双轴压电-电磁复合振镜，角分辨率3×10-4rad，响应速度≤0.8ms，角行程±15°。

16、进一步地，所述高衍射效率光栅模块为闪耀角优化的1200线/mm全息光栅，闪耀角55°，在1.5μm波段一级衍射效率≥60%。

17、进一步地，所述输出单元包括输出光束准直器及光电探测器；

18、所述输出光束准直器用于将零级衍射光二次准直后稳定输出，所述光电探测器用于实时监测激光器输出功率。

19、进一步地，所述外腔激光器的调谐范围为1510-1530nm，输出功率≥200mw，1小时功率波动≤0.015，光斑位置波动<0.2μm。

20、本发明的第二方面是提供了一种宽调谐长波长littman型外腔激光器的同步调控方法，包括以下步骤：

21、由宽增益带宽激光源模块产生中心波长位于1.3-1.6μm波段的激光；

22、通过入射角调控单元将所述激光准直为平行光，并调整所述平行光入射至高衍射效率光栅模块的入射角θ；

23、通过同步闭环控制单元接收目标波长指令，联动所述入射角调控单元调整入射角θ，联动衍射角调控单元同步调整衍射角φ，使sinθ+sinφ的总和≥1.7，满足光栅方程mλ=d(sinθ+sinφ)的长波长共振条件；

24、通过高衍射效率光栅模块对调整角度后的光束进行波长筛选，将其一级衍射光经所述衍射角调控单元反射后沿原路径返回所述宽增益带宽激光源模块，形成稳定外腔反馈；

25、通过所述同步闭环控制单元实时校准入射角与衍射角的同步性，并动态补偿衍射效率波动，保障激光模式稳定；

26、将经外腔反馈锁定后的零级衍射光经输出单元准直后输出。

27、进一步地，所述同步闭环控制单元通过其控制器接收位移传感器、角度传感器及光强探测器的实时反馈信号，对入射角与衍射角的调整进行闭环校准，使二者同步误差≤0.01°，并根据反馈光强动态补偿衍射效率波动。

28、本激光器的工作原理：

29、宽增益带宽激光源模块中的inp基多量子阱二极管激光器产生中心波长1.55μm的激光，经石墨烯散热层抑制热漂移后，输入至入射角调控单元；

30、入射角调控单元中的电磁驱动复消色差准直透镜将发散激光准直为平行光，纳米位移平台在同步闭环控制单元的控制下带动透镜横向微位移，精准调整光束入射至高衍射效率光栅模块的入射角θ，位移传感器实时监测透镜位移以保证调整精度（参考电磁驱动透镜高精度位移控制技术，位移分辨率可达±0.05μm）；

31、高衍射效率光栅模块采用闪耀角55°的1200线/mm全息光栅，对入射平行光进行精准波长筛选，一级衍射光射向衍射角调控单元，零级衍射光作为激光器输出候选光；该光栅通过闪耀角优化，使1.5μm波段一级衍射效率提升至≥60%，解决长波长大角度下衍射效率不足的问题；

32、衍射角调控单元中的双轴压电-电磁复合振镜在同步闭环控制单元的控制下，与入射角实现同步角度调整，精准调控衍射角φ，使一级衍射光沿原路径返回宽增益带宽激光源模块的有源区，与腔内光信号形成共振，实现稳定的外腔反馈锁定；角度传感器实时校准振镜角度，保证衍射角调整精度；

33、同步闭环控制单元的fpga控制器接收位移传感器、角度传感器的实时信号，对入射角与衍射角的调整进行闭环校准，确保二者同步误差<0.01°；光强探测器实时监测外腔反馈光强，当光栅衍射效率波动导致反馈光强变化时，控制器动态微调入射角与衍射角，补偿光强损耗；

34、经外腔反馈锁定后的零级衍射光，通过输出单元的输出光束准直器进行二次准直后稳定输出，光电探测器实时监测输出功率，保障功率稳定性。关键设计：

35、入射角-衍射角同步调控：通过fpga控制器联动纳米位移平台与压电-电磁复合振镜，实现入射角θ与衍射角φ的同步精准调节，使sinθ+sinφ的总和从传统方案的1.2扩展至1.8，突破光栅方程对波长调谐的角度约束，将调谐范围从传统≤45nm扩展至50nm，大幅提升调谐范围；

36、长波长适配高衍射效率光栅：针对1.5μm长波长波段优化全息光栅闪耀角至55°，选用1200线/mm高栅密度设计，使1.5μm波段的一级衍射效率≥60%（区别于短波长波段全息光栅低衍射效率特性，如455nm波段全息光栅一级衍射效率仅8.3%），解决长波长、大角度下光栅衍射效率低的问题，保证外腔反馈光强；

37、高效散热与全链路闭环稳定：激光源模块封装集成石墨烯散热层，散热效率≥15w/(cm2·k)，有效抑制高功率运行时的热漂移；引入位移、角度、光强三重传感反馈，构建全链路同步闭环控制，实现入射角-衍射角同步校准、反馈光强动态补偿，保障激光模式稳定无跳变。

38、本发明的优点和有益效果：

39、1.本发明调谐范围显著扩展，通过入射角-衍射角同步调控，调谐范围覆盖1510-1530nm（30nm带宽），是传统方案的3倍，实现长波长波段宽范围覆盖；

40、2.本发明长波长性能稳定，采用闪耀角优化光栅，1.5μm波段衍射效率≥60%，输出功率≥200mw，1小时功率波动≤0.015，无模式跳变；

41、3.本发明中心频率可调且稳定，通过调整入射角与衍射角的同步组合，可灵活调节中心频率，受环境影响小，光斑位置波动<0.2μm；

42、4.本发明适配性强，结构兼容红外光谱检测、生物组织深层成像、光纤通信等多种长波长应用场景，无需大幅改造即可适配不同需求。