窄线宽可调谐半导体激光器

　第32卷　第2期

南开大学学报(自然科学)

V ol.32　№21999年6月A cta Scientiar um N atur alium U niv er sitatis N ank aiensis

Jun.1999窄线宽可调谐半导体激光器

*a 吕福云　刘玉洁　袁树忠　魏振兴　李　加　张光寅

(南开大学物理科学学院,天津,300071)(教育部光学信息技术科学开放研究实验室,天津,300071)

摘 要

研究了一种利用光栅弱耦合外腔改善可见光半导体激光器性能的方法,并对650nm 半导体激光器进行了实验,外腔镜由一个闪耀光栅构成,通过转动光栅角度,获得了窄线宽单模激光输出,谱线宽度0.1pm,线宽压窄比达9800,边模抑制比>20,并且在约20nm 的荧光谱宽基础上得到约5nm 波长的连续调谐范围.

关键词:弱耦合;可调谐半导体激光器;窄线宽

0　引 言

目前普遍采用内腔和外腔两类调谐技术.而外腔调谐是较为广泛采用的一种方法,它在现有普通半导体激光器的基础上,通过外腔选模压窄线宽,得到较好的输出特性,且具有灵活可行和调谐效果好的特点.以前国内外外腔调谐的研究大多集中在光纤通信窗口,即研究1350～1560nm 附近的波长调谐技术,且获得了较理想的结果[1,2]

.本文把外腔调谐技术推广到研究可见光波段的半导体激光器,实验中采用了650nm 的半导体激光器,它在原子吸收监测系统及喇曼谱仪等技术中具有很强的应用背景

.

图1　半导体激光器外腔调谐示意图

Fig 1Scheme of the external -cavity semiconductor laser 常见外腔调谐技术包括两种方式,即强耦合和

弱耦合方式.前者指通过对半导体激光器出光端面

镀增透(AR)膜等手段,使得外腔镜的反射率大于出

光端面的反射率,从而使外腔反馈占主要地位;后者

则不对激光器出光端面镀增透膜,使内腔反馈仍占

较为主要的地位.两种情况都能有效地压窄激光线

宽,而强耦合情形的调谐范围更大,弱耦合情形则更

为灵活方便.1　实验装置和调谐原理

外腔调谐的装置结构如图1所示.半导体激光器

的输出光经透镜组准直后获得水平的平行光,入射到光栅外腔上,经光栅分光,将一级衍射反馈回激光

器有源区,与有源区内光场相互作用,造成各纵模间的增益差,增益较大,满足激光激发条件的纵模起振激发,而增益较小的模式就被损耗掉.通过改变光栅外腔反馈光的波长,就可获得不同波长的激光输出,从而实现波长调谐.此外,由于半导体激光器的谱线宽度满足[3]a 收稿日期:1998-10-05

*攀登计划B 项目

$M c =12P S c =12P (l /ac )

其中,l 是激光器腔长.从上式可见,腔长是影响激光线宽的关键因素之一.加外腔相当于较大幅度地增加外腔长度,所以能有效地压窄线宽.而且,外腔反馈加强了受激辐射,抑制自发辐射,这也是压窄激光线宽的一个原因.光栅的零级衍射作为外腔激光输出.可用功率计测量输出激光强度,用光谱仪测量其光谱特性和波长,激光线宽由扫描干涉仪进行测量.

实验中,光源选用650nm 的半导体激光器,谱线宽度约为0.98nm,输出功率约为5mW ,荧光谱宽约为20nm.未镀增透膜,因而构成弱耦合外腔系统.外腔镜选用一个闪耀光栅,提供外腔光反馈,通过转动光栅角度还能实现波长选择.

2　实验结果

实验中用Spectr al-Physics 公司的470-03型共焦扫描干涉仪测量外腔激光的输出线宽.该扫描干涉仪的自由光谱区(FSR)宽度为2GHz,仪器带宽10MHz.图2是外腔长度为16.4cm 时的测量结果.这时扫描干涉仪所加的锯齿波电压为10V,可对输出激光扫描两个级次,对应于图2(a)中的两个峰.两峰之间的距离$T 对应扫描干涉仪的自由光谱区,即2GHz.如图2(b)所示,将其中一个峰进行展宽,可以看出,此时的激光光谱很纯,处于明显的单模运转状态.从该图可较为准确地测量出半强宽$T ′,与$T 进行比较,可计算出激光线宽

.

(a)一个扫描周期内两个纵模 (b)改变扫描电压后为一个纵模

tw o longitudinal modes in o ne period one mode w hile chang ing the scanning v oltag e

图2　线宽测量结果

Fig 2　Measurement result of the linewidth

$M =$T ′$T

FSR 这样计算出的输出激光线宽为$M =71MHz,对应的光谱宽度为

$K =K M

$M 约为0.1pm,而未加外腔时的光谱宽度$K 0≈0.98nm ,所以已经有效地压窄了激光线宽,线宽压窄比为

D =$K 0$K

≈9800光谱仪的测量结果表明输出激光具有良好的光谱特性.实验采用了Anritsu 公司的M S9001B/B1型光谱分析仪.图3(b)给出在中心波长附近的光谱测量结果,图3(a)为未加外腔时该半导体激光器的输出光谱.没加外腔时,光谱特性很差,表现为多模振荡,而每个模式的功率都不大,存在严重的模式竞争,导致波长不稳定,谱线宽度很大.与之相比,加上外腔后,处于单模运转状态,波长稳定,边模抑制比也很理想,・80・　

南开大学学报(自然科学版)第32卷

光谱特性大为改善,且单个模式的功率增大,说明大部分能量已集中分配到一个纵模上.

转动光栅角度,可得到不同波长的激光输出.用光谱仪测得波长连续可调谐范围约为5.28nm ,中心波长在659nm 附近.在该范围内均可得到光谱特性良好的激光输出

.

(a)L D 发射光谱特性 (b)外腔激光器的光谱特性

spectrum o f LD spectr um of ex ter nal-cavit y laser

图3　中心波长附近的光谱特性

Fig 3　Spectrum of external -cavity laser near the center wavelength

参考文献

　1　K o hr oh K o bay ashi ,I kuo M ito .Sing le frequency and tunable la ser diode .J Lightw av e T echnol ,1988,6(11):1623　2　李天培.光纤通信用波长调谐和单频激光管.光通信研究,1990,53(1):1

　3　陈徐宗,姚继良,李义民等.用于高分辨率光谱研究的窄线宽半导体激光器及其特性研究.光学学报,1996,16(10):

1383

NARROW-LINE W AVELENGT H T U NABLE

SEM ICONDU CT OR L ASER

L Fuyun,Liu Yujie,Yuan Shuzhong,Wei Zhenx ing ,Li Jia,Zhang Guang yin

(D ep ar tment of Phy sics ,N ankai U niv er sity ,T ianj in ,300071)

(Op tical I nf ormation S cience L aboratory ,SE C ,T ianj in ,300071)

ABSTRACT

A method using a w eak -feedback g rating ex ter nal cavity for improv e the output characteristics of visible lig ht semico nductor laser is studied and pr oved to be practical.T his ex periment is conducted on 650nm semico ndutor laser.A blazed grating is used as the external cavity mirr or to narr ow the linew idth and select frequency .T hro ug h turning the g rating ,laser o utput w ith single longitudinal mode and linew idth as nar row as 0.1pm is obtained.The linew idth r eductio n ratio is 9800.The tuning r ange is 5nm out of 20nm fluo rescent spectrum appr oxim ately ,and the side mo de suppression ratio is ideal .Key words :wea k -feedback coupling ;tunable semico nductor la ser s ;nar ro w linew idth ・81・　第2期吕福云等:窄线宽可调谐半导体激光器