光栅调谐外腔半导体激光器特性

用一端面镀制高效减反射膜的激光二极管（实际已变成超辐射发光二极管），作为外腔中的增益介质与衍射光栅一道构造了光栅调谐外腔半导体激光器，并对其特性进行了分析和实验研究。实现了外腔半导体激光器的宽带调谐单模输出，调谐范围宽达４０ｎｍ。测定了阈值电流和调谐波长的关系。

光栅调谐外腔半导体激光器腔参量对其双稳动态特性的影响

本文通过对半导体激光器 (LD)速率方程的数值求解 ,分析了外腔半导体激光器 (ECLD)腔参量 (谱线展宽因子α,LD面向外腔的端面反射率R等 )

光纤布拉格光栅长外腔反馈半导体激光器特性研究

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。本文采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低外界环境温度起伏和气流扰动的影响,对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039℃降低到0.003℃。此外,测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但仍然可以观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,分析认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。通过调整光纤光栅的反馈功率在0~1 mW范围内改变,观察到当反射功率为0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄的11.5 kHz,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声降低约20 dB。

外腔可调谐半导体激光器准直系统测试研究(特邀)

为了解决外腔可调谐半导体激光器波长调谐范围小的问题,对高斯光束在谐振腔内的传输特性进行了分析。结果表明,将增益芯片出射光束调整至发散角较小实现准直的方式不利于拓展波长调谐范围。针对一种涵盖1480~1640nm波段的Littman-Metcalf外腔可调谐半导体激光器,提出一种将光腰位置调整至与外腔长度相等的准直方案。经过仿真研究,相较于小发散角的准直方式,采用该方式准直后,可调谐半导体激光器的调谐范围得到大幅提升。

高功率1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器

针对目前激光医疗、食品药品检测等领域对橙黄色激光的应用需求,开展了高功率基频光1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)研究。提出激光谐振腔内大尺寸基模光斑外腔结构,使VECSEL腔内模式匹配较大泵浦光斑尺寸,实现了高功率激光输出;提出增益峰-腔模失谐结构,增益峰与腔模温漂系数不同,高泵浦功率下具有良好的增益峰-腔模匹配,实现高泵浦功率工作下的激光波长稳定控制。制备的VECSEL器件在1150 nm激光波长的输出功率达到9.38 W,并获得良好的圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为7.3°和7.5°。

窄线宽外腔半导体激光器研究进展

窄线宽外腔半导体激光器具有结构简单、可调谐、噪声低等优势,广泛应用于量子精密测量、光通信、激光雷达等领域。根据外腔选频器件的不同,本文主要介绍光栅型激光器、干涉滤光型激光器、波导型激光器和法拉第激光器四类外腔半导体激光器,分析各类激光器的基本结构与选频机制、介绍各自的优缺点以及国内外研究进展。其中,前三类激光器采用非量子器件进行频率选择,而法拉第激光器利用共振法拉第旋光效应选频,输出波长直接对应原子跃迁谱线,对激光二极管的电流与温度变化具有良好的鲁棒性。随后介绍外腔半导体激光器的应用情况,尤其是在精密测量领域中的典型应用。最后总结并展望窄线宽外腔半导体激光器的未来发展方向。

970 nm高功率光栅外腔可调谐半导体激光器

宽条形半导体激光器广泛应用于激光泵浦、激光加工等领域。针对宽条型半导体激光器输出光谱宽、调谐范围小的问题,采用衍射效率分别为28%和55%的反射式衍射光栅作为反馈元件构建了宽条形970 nm波长光栅外腔半导体激光器。研究了Littrow结构激光器参数对其性能(调谐范围、功率、阈值电流、线宽)的影响。实验结果表明,通过结构优化可得到窄线宽可调谐激光输出,适当地提高温度和使用较高衍射效率的光栅可增加激光器调谐范围,并且较高衍射效率的光栅可降低激光器的阈值电流。基于S偏振入射方式的光栅外腔激光器最大可实现27.87 nm的波长调谐范围,光谱线宽压窄至0.2 nm,输出功率可达1.11 W。

一种可降低Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器衍射损耗的结构设计

基于原有Littman-Metcalf型光栅外腔半导体激光器的工作原理,设计了一种可以降低衍射损耗的外腔结构。在Littman-Metcalf结构的基础上增加一个反射镜,将闪耀光栅二次衍射产生的零级衍射光反馈回半导体激光器本征腔。推导了新结构模型外腔损耗的表达式,通过等效腔的概念对两种结构激光器的外腔损耗、阈值电流、输出线宽以及输出功率进行了仿真分析。结果表明:将二次衍射产生的零级光反馈回有源区可有效降低Littman-Metcalf结构激光器的外腔损耗,提高了系统的耦合效率,从而降低阈值电流,提高了激光器的输出功率。同时,由于提高了外腔反射效率,该外腔结构进一步压窄激光器的输出线宽。对影响低损耗Littman-Metcalf外腔激光器输出线宽以及输出功率的因素(端面反射率、内外腔长、闪耀光栅衍射效率以及反射镜反射率等)也进行了仿真分析,为后期激光器制作提高了理论指导。

基于外腔反馈的可调谐半导体激光光源的扫频特性研究

半导体激光光源在激光雷达、空间探测以及光纤智能感知等领域有着重要作用,其中可调谐半导体激光光源还可用于新一代可重构光分插复用系统中光器件等的波长相关和偏振依赖损耗测试。基于Litt-man结构的外腔反馈型可调谐半导体激光光源是一种实现宽调谐、高光谱纯净度和无跳模谐振输出的有效手段。笔者团队利用联合研制的中心波长为1526.276 nm、3 dB带宽为111.0054 nm的增益芯片作为内腔种子源,通过闪耀光栅将不同波长锁定在振荡器中,实现了最快扫描速度为200 nm/s、最小触发间隔为5 pm、本征线宽小于10.02 kHz及无跳模范围为130 nm的单纵模扫频输出。结果表明,凭借InGaAsP/InP增益芯片优异的宽光谱光学特性和Littman反馈原理,本研究结果有助于推动波长快速扫描测试系统的研究进程,提升相关器件测试的精度和效率。

宽范围无跳模外腔可调谐半导体激光器

具有宽调谐范围、无跳模以及高光谱纯净度的半导体激光器在超精细光谱、相干检测和光纤智能感知等领域有着重要的应用。但是受到半导体激光器固有运转特性的制约,通过传统的单片集成式半导体激光器难以获得高光谱纯净度的宽范围可调谐激光输出。因此文中采用闪耀光栅作为外腔反馈元件,单角面度半导体增益芯片作为增益介质,通过Littman-Metcalf外腔振荡结构实现了1 480~1 580 nm的宽调谐范围、无模式跳变的线宽小于98.27 kHz的激光输出,在注入电流为410 mA的条件下获得了16.95 dBm的峰值功率、全范围功率优于14.96 dBm和边模抑制比优于65.54 dB的输出。相应的实验结果表明:采用机械刻划闪耀光栅的Littman-Metcalf结构用于半导体激光器,可很大程度的改善半导体激光器的综合性能。该研究有利于推动其在提升光频域反射仪测量精度方向的应用。

外腔可调谐半导体激光器的输出特性(特邀)

报道了采用Littman-Metcalf结构形式,利用宽增益谱半导体激光器作为内腔种子源,闪耀光栅和调谐反射镜构成外腔反馈单元,实现了波长可调谐范围覆盖1479.96~1599.96 nm的无跳模、高精度(±1.38 pm)、高边模抑制比(84.34 d B)以及高稳定性(功率:±0.00883 dB/1h,波长:±0.25 pm/1h)输出的实验结果。该外腔可调谐半导体激光器的有效腔长约为50 mm,输出最大功率为15.19 dBm,输出最小光谱线宽为18.89 kHz。该研究有利于推动新型超高分辨率光谱分析系统的研究,为其提供自主可控的激光信号产生源。

509 nm高功率宽调谐外腔面发射激光器

报道了一种高功率宽调谐外腔面发射绿光激光器,利用设计的1018 nm半导体增益芯片、折叠镜以及后端镜构成结构紧凑的V型腔,使用长度为10 mm的Ⅰ类相位匹配三硼酸锂(LiB_(3)O_(5),LBO)非线性频率变换晶体进行腔内倍频,实现了509 nm波长的高功率绿光输出.通过在腔内插入双折射滤波片(birefringent filter,BRF),可获得连续调谐的激光波长.当BRF厚度为1 mm时,基频激光和倍频绿光的波长调谐范围分别为47.1 nm和20.1 nm.可调谐绿光的最大输出功率为8.23 W,对应的倍频转换效率为68.2%,相应的从吸收泵浦光到倍频绿光的光-光转换效率为16.6%.

基于外腔面发射激光器腔内三倍频的可调谐紫外激光器

紫外激光器具有频率高、波长短、单光子能量大以及空间分辨率高等特点,在精细加工、生命科学、光谱学等许多方面应用前景广阔.本文报道了一种基于外腔面发射激光器腔内三倍频的可调谐紫外激光器.该激光器采用了W型谐振腔,并插入双折射滤波片作为偏振和波长调谐元件,通过Ⅰ类相位匹配的LBO晶体对980 nm基频光进行倍频产生490 nm蓝光,再通过Ⅰ类相位匹配的BBO晶体对9.80 nm基频光和490 nm倍频光进行和频获得327 nm紫外输出.当LBO和BBO晶体的长度都为5 mm时,在环境温度为15℃,泵浦功率为47 W的条件下,实验输出的327 nm紫外激光功率达到538 mW.选择厚度为2 mm的双折射滤波片作为调谐元件,可获得的紫外激光器输出波长的连续调谐范围为8.6 nm.该紫外激光器同时显示了良好的光束质量和较好的功率稳定性.

光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究

可调谐光纤光栅外腔半导体激光器(FBG-ECL)激射波长由光纤光栅布喇格波长决定,调谐光纤光栅布喇格波长可以改变激光器的激射波长。重点介绍采用轴向应力、径向应力和温度对光纤光栅布喇格波长的调谐。布喇格中心波长的偏移与轴向应力、径向应力和温度等变化量均呈极好的线性比例关系,且在较大的测量范围内一直保持线性关系。详细说明了光纤光栅外腔半导体激光器采用这三种方法调谐时的特点、适用范围,并对它们的性能进行了比较,给出在不同条件下适合的调谐方法。

基于束腰劈裂偏振合束高亮度窄线宽半导体激光器

将一个808 nm宽发射区半导体激光器应用于纵模选择束腰劈裂偏振合束外腔中,实现了高光束质量、高亮度和窄线宽的激光输出。所获激光输出功率为5.08 W,快慢轴光束质量M2=1.85×18.2,慢轴光束质量较自由运转激光器提高48%,输出激光亮度B=22.74 MW·cm^(-2)·sr^(-1),是原激光器自由运转的1.3倍。所获激光光谱线宽为0.47 nm,压缩至原激光器自由运转的光谱宽度的0.14。

紧凑型光栅外腔可调谐半导体激光器

研制了一台结构紧凑的窄线宽、可调谐半导体激光器。采用光栅外腔Littrow结构,将光栅和平面反射镜置于同一个旋转平台上,并使光栅衍射平面和平面镜反射平面的交线与平台旋转轴重合,通过旋转平台实现光栅外腔选取单纵模、压窄线宽和波长调谐,并保证输出光的方位不发生改变,同时用棱镜将输出光斑压缩成为类方形。该激光器的尺寸为110 mm×80 mm×35 mm,中心输出波长为653 nm,谱宽0.07 nm,调谐范围4.6 nm,可连续稳定运转4小时以上。

基于降温技术的宽范围外腔光栅可调谐半导体激光器

使用半导体制冷块,通过优化设计两级制冷系统,并结合隔离、密封等措施,将LD的温度冷却到-20℃,使室温下输出波长为789 nm的激光器工作在780 nm附近,改变了约9 nm。结合外腔光栅反馈技术,可以使激光器的输出波长稳定在Rb原子的D2线上。自制了一个简单的电路,能够以适当的比例同时调谐光栅压电陶瓷的电压和激光器的驱动电流,使激光器可以连续调谐10 GHz以上而不跳模。

基于光栅光阀可调谐半导体激光器外腔结构的设计研究

目的:提出利用光栅光阀(GLV)来精密调节光栅外腔半导体激光器输出波束的新方法。方法:这种基于光栅光阀的可调谐外腔半导体激光器的结构使光栅光阀与闪耀光栅形成了共焦结构,便于使被选择的波束可以原路返回,经过在谐振腔中振荡,最后输出。结果:这种基于光栅光阀结构的可调谐外腔半导体激光器可以任意控制输出或者被过滤掉的相应波束的数量。结论:利用光栅光阀的特性,这种可调谐外腔半导体激光器能有效地实现激光输出波束的精密调谐,同时也降低了调谐的机械难度。

体光栅外腔半导体激光器列阵的光谱及调谐

对采用体布拉格光栅作为波长选择器件的外腔半导体激光列阵进行了实验研究。实验表明,在体光栅外腔作用下,高功率半导体激光器输出的线宽得到压窄、波长得到固定。与此同时,从布拉格衍射相关理论出发,分析了体光栅法线方向改变对激光器系统输出中心波长的影响。实验表明改变体光栅法线方向的角度,可以在一定范围内调整列阵的输出波长。

单片机控制步进电机实现光纤光栅外腔半导体激光器调谐

介绍了步进电机在光纤光栅外腔半导体激光器调谐中的应用,利用步进电机角位移与控制脉冲之间的精确同步,控制脉冲宽度与频率,经连杆、齿轮等精密机械传动后,带动千分尺转动,控制光纤光栅拉伸,从而实现利用单片机控制步进电机对外腔半导体激光器波长进行调谐。