[发明专利]集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法

说明书

本发明公开了一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法。该方法实施包括至少一个集成外腔半导体激光器，一个电流调谐装置和温度调谐装置，所述电流控制器和温度控制器同步驱动，电流改变所述激光器的外腔模式，温度改变所述激光器的外腔模式及光反馈元件的反射谱中心波长，使两者模式匹配，从而实现无跳模调频。通过使用上述的激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并提高所述激光器的无跳模调谐范围。

技术领域

本发明涉及外腔半导体激光器调频方法，尤其是指一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法。

背景技术

在干涉测量、光谱学、光通信、精密光谱、原子冷却及捕获等多个应用领域，都希望获得无波长跳模的宽带可调激光源。激光器主要通过调节谐振腔达到波长调谐的目的，而谐振腔连续调谐时激光器的激射模有时会产生跳模的现象，该跳模的现象在激光输出频率上，产生相当于激光器纵模间隔的频率跳跃，继而破坏了激光器频率连续调谐的特点，对于频率调谐的精确度，调谐线性度以及其他依赖于频率调谐特性的应用都会产生不利的影响；以波长扫描干涉测量法为例，跳模对于距离测量的空间分辨率，位置精确度以及其他特性都会产生不利的影响。

外腔半导体激光器以其易于调谐、谱宽窄、易于维护等特点成为光谱研究中的重要工具，为了实现以外腔可调半导体激光器的无调模调谐，必须使反馈元件的反射谱中心波长和外腔纵模同步移动，使得激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一个常量。

经典的Littow型外腔半导体激光器和Littman-Metcalf型外腔半导体激光器都是通过选择合适的转动轴，即转动Littrow结构中的光栅或Littman-Metcalf结构中的反射镜，使转动反馈元件引起的反馈中心波长的变化和等效腔长引起的波长变化同步，这样可以使输出的激光稳定在同一个纵模上(也可以理解为腔内往返一次的相位不变)，获得大的无跳模调谐范围，机械式无调模调谐的方法经过几十年的发展已经比较成熟，并且已经投入商用，几家公司也针对空间应用环境等较为严苛的情况提供了一些稳定性相对较高的产品：Toptica DL pro系列的Littrow型外腔半导体激光器，利用特殊设计的flexure joints结构来实现光栅的精细转动，并且通过严格控制光栅的转动点的方法可以实现30～50GHz的无跳模调谐，该种设计结构由于其基模共振频率大于4kHz，所以对外界声学振动的容忍度很高，并且通过选择低膨胀系数的材料大大降低了外界环境温度对激光器的影响；Newfoucs公司针对空间应用研制出了TLB-6900Vortex II系列的Littman-Metcalf型外腔半导体激光器，无跳模调谐范围高达100GHz，利用Star-Flex转动机制及磁力阻尼设计，使机械共振频率处的振幅大大下降，在开环状态下得到高稳定的激光输出。这种机械式无跳模调频方法都是基于特殊设计的调谐机制，对加工及装调的精度要求都很高，且价格都十分昂贵。总的来说，激光器的大范围无跳模调谐与高机械稳定性仍然是两个很难同时满足的目标，在制造过程中，存在着复杂的光学和机械对准、光学器件的额外的材料成本、超大的腔体尺寸、集成度低和很慢的调谐速度等诸多问题,所以VBG、FP、FBG等外腔半导体激光器以其结构紧凑、小型化、集成度高引起了人们的注意,主要通过温度调谐实现大范围连续调谐，但由于反馈元件反射谱与腔纵模热调谐存在失配导致无跳模调谐范围受限，因此针对集成度较高的外腔半导体激光器，本发明提出了一种无跳模调频的控制方法。

综上可知，现有技术中所提出的无跳模调频方法存在着诸多问题，从而限制了可调外腔半导体激光器在诸多领域中的应用，因此急需一种制造成本低、可批量生产、高稳定性、结构紧凑、集成度高的无跳模调频方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法，即同步驱动激光器的温度和电流，使得光反馈元件的反射谱中心波长和激光器的外腔模式同步移动，从而实现连续大范围的无跳模调谐，并且提高了激光器的集成度。同传统的外腔半导体激光器无调模调频方法，该方法具有更多优点，它结构紧凑，集成度高，成本低，而且更可靠，因为它没有任何可移动部件。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：