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。

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。

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。

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。

外腔半导体激光器稳频方法综述

自由运转激光器的频率因温度、电流、机械振动等因素造成漂移,难以满足精密测量、原子物理、光通信等领域对激光频率长期稳定的需求,所以对激光器稳频显得至关重要。首先对原子能级结构、多普勒展宽、光抽运与光极化作了简要阐述。接着,介绍了以原子跃迁谱为参考频率的饱和吸收光谱稳频、调制转移光谱稳频、偏振光谱稳频和磁致二色性稳频的基本原理,并对其技术特性进行了分析。最后,对其发展趋势提出了展望,为外腔半导体激光器稳频技术的应用提供了有益参考。

高边模抑制比窄线宽的光纤光栅外腔半导体激光器

本文从耦合腔理论出发分析了光纤光栅外腔半导体激光器的模式选择 ,得到了为达到稳定的高主边模抑制比所需的短外腔、短光纤光栅的器件设计原则 .制作了两只光纤光栅外腔半导体激光器 ,Q1为短外腔 (<2 mm)、短光纤光栅 (4mm)结构 ,Q2 为长外腔 (2 0 mm)、长光纤光栅 (1 7mm)结构 .测量 Q1的主边模抑制比为 35d B,Q2 的主边模抑制比为 1 0 d

光纤光栅外腔半导体激光器的理论及实验研究

对影响光纤光栅外腔半导体激光器特性的几个重要因素(光纤光栅长度、耦合系数、内腔反射系数)进行了理论分析和数值模拟。从实验上进行了验证,实测了不同反射率情况下激光器的激射光谱,得到了带宽为0.1nm、出纤功率达417.4μW、边模抑制比高达37.9dB的激光谱线。验证的结果表明,理论分析、数值模拟、实验结果是吻合的。

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。

1.53μm光纤光栅外腔半导体激光器乙炔吸收稳频

报道了1.53μm波段光纤光栅外腔半导体激光器的乙炔吸收稳频。通过理论分析参数选择,设计了光纤光栅外腔半导体激光器和光纤光栅调谐与调制结构。利用锁定放大器闭环控制布拉格波长,将激光器输出波长锁定在乙炔气体1530.37 nm的吸收峰上,频率稳定度达10-8。

温度变化对光纤光栅外腔半导体激光器激射波长的影响

在考虑了光纤光栅的位相后 ,从光纤光栅外腔半导体激光器 (FGESL)所满足的阈值条件出发 ,从理论上研究了温度的变化对FGESL激射波长的影响。数值模拟的结果表明 :由于温度变化造成半导体介质和光纤的折射率发生变化从而导致FGESL的纵模发生移动 ,因此FGESL的激射波长随着温度的升高将存在向长波长方向发生移动的趋势。对于短外腔 ,FGESL的纵模间距较大 ,由于半导体介质折射率随温度的变化程度大于光纤折射率随温度的变化程度 ,因而存在模式跳跃现象 ;对于长外腔 ,由于FGESL的纵模间隔很小 ,因而不存在明显的模式跳跃现象。这些结果符合其他研究者的实验观测。

外腔光反馈的半导体激光器基本模型的运行模式

根据 L ang- kobayashi带光反馈的半导体激光器模型 ,从理论上推导出其稳定条件 .数学模拟表明 ,对于动态单模半导体激光器 ,少量的外光反馈也会改变激光器的输出模式 ,随着反馈量的增加 ,激光器的振荡模式亦增加 ,并始终为 (2 n+1 )

基于光纤光栅的外腔半导体激光器多波长输出的理论模型

提出了一个基于光纤光栅的外腔半导体激光器多波长输出的理论模型.理论分析表明,只要使光纤光栅外腔在多个波长提供反馈且各个波长处的反射率大小满足一定的分布就能实现多波长输出.在此基础上,推导出了要实现多波长输出,不同波长处光纤光栅的反射率大小分布和多波长输出带宽的解析式,并进行了数值分析.

光栅外腔半导体激光器GHz射频调制特性研究

研究了光栅外腔半导体激光器(ECDL)对射频频率调制的响应特性,分析了射频频率调制时光栅外腔对半导体激光器的边带信号的影响。实验中测量了GHz射频频率调制的ECDL输出的边带信号随射频信号功率、注入电流、光栅外腔长度的变化情况。证实了当射频调制频率等于光栅外腔自由光谱区的整数倍时,ECDL输出的边带信号可在一定程度上得到增强。

光纤光栅外腔半导体激光器特性的分析

研究了光纤光栅外腔半导体激光器 ( FBG-ECL)的理论模型 ;根据等效腔模型 ,讨论耦合系数对 FBG-ECL阈值特性的影响 ,指出存在最佳光纤光栅反射率 ,使得激光器不仅功率输出大、而且边模抑制比高 ;利用等效腔长的手段 ,分析了腔长对光子寿命的影响 ,并结合速率方程讨论了 FBG-ECL的高频响应特性 ;

基于级联光纤光栅的双模外腔半导体激光器的实验研究

实现了使用两个级联的光纤 Bragg光栅的外腔半导体激光器的双模运转 .两个模的峰值波长取决于光纤 Bragg光栅的峰值反射波长 ,分别为 1 53 1 .5nm与 1 549.4nm.注入电流为 53 m A时 ,两模峰值功率达到均衡为 0 .5m W,边模抑制比为 2 7d B.

光纤光栅外腔半导体激光器理论模型分析与选取

为了讨论三腔镜近似或耦合腔近似两种等效腔模型对计算光纤光栅外腔半导体激光器等效反射率等参量的近似程度,挑选出最优的理论模型,采用数值计算的方法进行模拟仿真,得到了两种模型在采用切趾光纤Bragg光栅和非切趾光纤Bragg光栅情况下的阈值增益等特性曲线。结果表明,在采用切趾光纤Bragg光栅,特别是切趾深度较大的情况下,采用三腔镜近似模型更加符合实际情况。此研究结果对分析和设计单纵模光纤光栅外腔半导体激光器具有一定的参考价值。

1.5μm波段乙炔气体稳频光纤光栅外腔半导体激光器

为了提高1.5μm波段激光器的频率稳定性,利用乙炔分子饱和吸收稳频,设计了一种稳频的光纤光栅外腔半导体激光器。其通过步进电机对光纤光栅进行拉伸调节波长,实现了激光频率调谐。结果表明,所研制的激光器拥有较高的频率稳定度。

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。

外腔半导体激光器中反馈耦合系数及介质吸收系数的测量

在室温下研究了外腔反馈对ＧａＡｌＡｓ量子阱半导体激光器阈值的影响，提出了测量实际反馈量及半导体激光器增益介质吸收系数的方法，利用所测反馈系数及阈值得到了反馈耦合因子ｋ。