一种波长可调谐780nm半导体激光器的制作方法

1.本技术属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种波长可调谐780nm半导体激光器。


背景技术：

2.波长为780nm的激光被广泛应用于原子物理学、光谱学、大气传感和激光雷达探测等领域。780nm激光对应碱金属铷原子的d2吸收线，在量子信息存储、激光冷却、量子频标以及量子纠缠态光源制造等领域有着不可替代的作用，随着量子通信技术的蓬勃发展，科学界对780nm激光器的性能提出了更高的要求。
3.目前常用的产生780nm的半导体激光器要么结构复杂，且对温度、角度等条件要求苛刻，不适用于大规模应用；要么结构简单，但激光器出射的光谱宽，且波长随外界温度的变化会产生严重漂移。因此，亟需一种对环境适应度大，结构简单的波长稳定性和可调谐的780nm半导体激光器。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本技术实施例提供了一种波长可调谐780nm半导体激光器，能够提供一种结构简单、光束质量良好、波长锁定且可调谐的780nm激光。
5.本技术是通过如下技术方案实现的：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种波长可调谐780nm半导体激光器，包括：光束传输系统、体布拉格光栅、温度传感器和加热单元；
7.光束传输系统用于压缩入射光束的快轴发射角，并将入射光束的快慢轴旋转90
°
；
8.体布拉格光栅用于压窄由光束传输系统出射的光束的光谱，以及锁定光束波长；
9.温度传感器用于获取体布拉格光栅的实时温度；
10.加热单元用于调整体布拉格光栅的温度。
11.在第一方面的一种可能的实现方式中，光束传输系统包括：快轴压缩镜和转折棱镜；
12.快轴压缩镜表面为非球面，用于将光束的快轴发射角压缩至预设角度，以及对光束进行准直；
13.转折棱镜用于将由快轴压缩镜出射产生的光斑旋转90
°
，获取圆形的远场光斑。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，半导体激光器还包括半导体激光器阵列和准直透镜组；
15.半导体激光器阵列用于生成多条波长为780nm的连续光束，准直透镜组用于将由体布拉格光栅出射的波长锁定为780nm的光束聚焦整形后输出。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，光束传输系统、体布拉格光栅和准直透镜组均镀有780nm高透膜。
17.在第一方面的一种可能的实现方式中，半导体激光器阵列包括多个bar条，体布拉
格光栅的数量为多个，且多个bar条和多个体布拉格光栅数量一一对应。
18.在第一方面的一种可能的实现方式中，加热单元为电阻式加热器。
19.在第一方面的一种可能的实现方式中，电阻式加热器安装在体布拉格光栅上，电阻式加热器调整体布拉格光栅的温度的过程包括：
20.电阻式加热器接收温度传感器的实时温度，根据实时温度和预设温度阈值调节电阻式加热器中加热电阻的电流，进而调整电阻式加热器的温度。
21.在第一方面的一种可能的实现方式中，电阻式加热器采用温度反馈算法，根据实时温度调节加热电阻的电流。
22.在第一方面的一种可能的实现方式中，体布拉格光栅、温度传感器和加热单元均为多个，体布拉格光栅、温度传感器和加热单元的数量相同；
23.电阻式加热器采用温度反馈算法，根据对应的体布拉格光栅的实时温度调节加热电阻的电流，以使得各个体布拉格光栅的实时温度一致。
24.第二方面，本技术实施例提供了一种光学系统，包括：第一方面提供的一种波长可调谐780nm半导体激光器。
25.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
26.本技术公开了一种780nm半导体激光器的，具体为：由半导体激光器阵列发出光束，经光束传输系统优化获得圆形的远场光斑，再通过体布拉格光栅压窄光谱，锁定波长，最后利用温度传感器和加热单元实现对体布拉格光栅温度的精准控制，实现波长的可调谐。
27.本技术提供了一种结构简单、波长锁定且可调谐的780nm半导体激光器。
28.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本技术一实施例提供的一种优化光束质量的波长锁定可调谐780nm半导体激光器的原理示意图；
31.图2是本技术一实施例提供的光束传输系统示意图；
32.图3是本技术一实施例提供的转折棱镜光斑变换示意图；
33.图4是本技术一实施例提供的体布拉格光栅温度控制的原理示意图。
具体实施方式
34.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
35.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
36.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
37.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0038]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0039]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0040]
在现有技术中，常用的产生780nm激光的方式主要包括两种，一种是将易得到的1560nm波段的激光作为基频光进行倍频，但是这种方法需要进行非线性频率变换，导致激光器结构复杂，且非线性频率变换需要考虑相位匹配，对温度、角度等条件要求苛刻，不适用于大规模应用；第二种是采用gaas半导体激光器直接产生780nm激光的方式，这种激光器的结构简单，价格低廉，但是出射的光束质量差，光谱宽，且波长随外界温度的变化会产生严重漂移，难以适应原子物理学和量子通信领域对光谱宽度、波长稳定性和光束质量的精密要求。
[0041]
基于上述问题，本技术提供了一种结构简单、波长锁定且可调谐的780nm半导体激光器。如图1所示的本技术一实施例提供的一种优化光束质量的波长锁定可调谐780nm半导体激光器的原理示意图。在该场景中，包括：
[0042]
半导体激光器阵列100、光束传输系统200、体布拉格光栅300、温度传感器和加热单元400和准直透镜组500。
[0043]
在一些实施例中，半导体激光器阵列100发出780nm的光束，经光束传输系统200优化后，获得圆形的远场光斑，再通过体布拉格光栅300进行压窄光谱，锁定波长，再利用温度传感器和加热单元400实现对体布拉格光栅温度的精准控制，实现波长的可调谐，最后通过准直透镜组500聚焦整形后输出。
[0044]
参照图1，对该780nm半导体激光器进行展开的说明。
[0045]
半导体激光器阵列100，能够提供波长为780nm的连续激光。但半导体激光器由于其快轴和慢轴发光的极不对称性，以及多点发光特性，所出射光束的为一组椭圆形光斑，发射角大。
[0046]
可选的，半导体激光器可以由多个叠阵构成。
[0047]
可选的，半导体激光器可以由多个发光的bar条组成，但每个bar条发出的光束由
于中心波长的不一致会使光谱明显展宽。
[0048]
综上，半导体激光器阵列100发出的光束光谱展宽、发射角大，且受温度的影响波长会产生变化，光束质量差。因此，半导体激光器阵列不适用于对780nm有严苛需求的场景，只能作为本技术中780nm半导体激光器的输入光源。
[0049]
光束传输系统200，用于压缩半导体激光器阵列100出射光束的快轴发射角，并将光束的快慢轴旋转90度，从而将不匀称的远程发射光整形成近乎圆形的光斑。如图2光束传输系统示意图所示，参照图2：
[0050]
在一些实施例中，光束传输系统200包括快轴压缩镜201和转折棱镜202。
[0051]
快轴压缩镜用于将半导体激光器阵列出射光束的快轴发射角压缩至预设角度，以及对光束进行准直。
[0052]
示例性的，若将预设角度设置为1
°
。则快轴压缩镜将光束的快轴发散角从原本的35
°
压缩到1
°
，光束经过快轴压缩镜后，改善了其发散特性。
[0053]
可选的，快轴压缩镜表面为非球面。
[0054]
转折棱镜202用于将通过快轴压缩镜出射产生的光斑快慢轴旋转90
°
，获取近乎圆形的远场光斑。即x，y方向相互交换，参照图3转折棱镜光斑变换示意图所示。
[0055]
综上，光束传输系统通过快轴压缩镜和转折棱镜实现了快轴准直和慢轴的光场切割、重排，将非常不匀称的远场发射光整形成近乎圆形的光斑，优化光束质量。
[0056]
可选的，光束传输系统的表面镀有780nm高透膜。
[0057]
体布拉格光栅300，用于限制不满足布拉格衍射条件的激光振荡，压窄由光束传输系统出射的光束的光谱，并锁定光束波长。
[0058]
在一些实施例中，体布拉格光栅的数量和半导体激光器的发光bar条数量一一对应，以便向激光谐振腔提供波长选择性反馈，且只有满足布拉格衍射条件的波长的光束可以发生得到反馈并得到放大，从而仅增加预设光谱范围的有效增益，光谱范围外的光束发生透射无法形成振荡，从而得到预设条件的光谱和稳定的波长。
[0059]
可选的，可以通过体布拉格光栅的预设光谱范围限制在780
±
0.1nm。
[0060]
可选的，体布拉格光的温度系数测量为0.3pm/℃。
[0061]
可选的，体布拉格光栅的表面镀有780nm高透膜。
[0062]
综上，体布拉格光栅仅使符合预设光谱范围的光束得到出射，且出射的光束波长锁定为780
±
0.1nm。
[0063]
温度传感器和加热单元400，按照在体布拉格光栅上，用于获取体布拉格光栅的实时温度，并实时调整体布拉格光栅的温度。
[0064]
在一些实施例中，图4为本技术一实施例提供的体布拉格光栅温度控制的原理示意图，参照图4：
[0065]
根据热力学第二定律，在没有外界干预的情况下，热量会随着空间的扩展而逐渐降低，因此温度梯度的存在使每个体布拉格光栅的实时温度不一致。而体布拉格光栅又受温度的影响明显，当体布拉格光栅本身的温度发生变化时，其出射的光束波长也会发生改变，从而引起光谱扩展。
[0066]
步骤401中，温度传感器获取每个体布拉格光栅的实时温度。
[0067]
示例性的，温度传感器和加热单元的数量和体布拉格光栅的数量相同。其中，温度
传感器用于获取每个体布拉格光栅的实时温度。
[0068]
步骤402中，加热单元调整每个体布拉格光栅的温度。
[0069]
示例性的，加热单元接收从步骤401中获取的实时温度，根据实时温度和预设温度阈值调节加热单元的温度，达到调整体布拉格光栅温度的目的。
[0070]
可选的，加热单元为电阻式加热器。可以调节电阻式加热器中通过加热电阻的电流，进而调整电阻式加热器的温度。
[0071]
可选的，可以采用温度反馈算法，根据实时温度，调节通过加热电阻的电流。
[0072]
步骤403中，每个体布拉格光栅温度一致，则限制的波长一致，出射波长锁定。
[0073]
通过步骤402，实现了对体布拉格光栅温度的精确控制，是每一个体布拉格光栅的温度一致，达到了锁定波长为780
±
1nm的目的。
[0074]
可选的，还可以调整加热单元的预设温度阈值，改变通过体布拉格光栅光斑的限制波长，实现波长的可调谐。
[0075]
综上，温度传感器和加热单元，通过温度传感器获取体布拉格光栅的实时温度，并通过加热单元调整体布拉格光束的温度，实现锁定出射波长和波长可调谐的目的。
[0076]
准直透镜组500，用于将体布拉格光栅出射的波长锁定为780nm的光束聚焦整形后输出。
[0077]
示例性的，所输出的光束的数量为半导体激光阵列中bar条的数量相同。
[0078]
可选的，准直透镜组的表面镀有780nm高透膜。
[0079]
本技术还提供了一种光学系统，该光学系统中包含上述一种波长可调谐780nm半导体激光器中的全部或部分结构。
[0080]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。