外延腔半导体激光器

全息光栅衍射效率vs偏振
Littman外延腔半导体激光器的调试
Littman结构原理图
Littman结构实物图
Littman外延腔半导体激光器的调试
LD M1
IC FC
WG
Grating
BS
osc
Wavemeter PC
1 2 3 4 5
左上：多模激光输出 右上：单模激光输出（波长） 右下：单模激光输出（频率）
N
G
N
H
多 单 元
干
涉
E
F
相邻两槽对应点光线光程差
BD AC a(sin sin )
位相差
ka(sin sin )
FH EG d (sin sin )
位相差
kd (sin sin )
据惠更斯-菲涅尔原理 夫琅禾费衍射的光强度分布
sin2 sin2 N
II
0 2
则有
+θ=2θ0 和 θ－=2α
因而有
2d sinθ0 cos α=mλ
这就是单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大方向所应满 足的关系式。
若光沿槽面法线方向入射，则α=β=0，因而=θ=θ0。 在这种情况下，有
该式称为主闪耀条件，波长λM称为该光栅的闪耀波长，这时的闪耀方向即为光 栅的闪耀角θ0的方向。
的
选
择
通过在芯片的一个断面镀增透膜，抑制半导体芯片内的法布里-珀罗腔产生
的本征光学反馈，从而使它不会干扰外部反馈。
为了进一步减少芯片端面的反射，可以结合使用带角度的波导和增透膜，从而 有效地消除来自内部芯片法布里-珀罗腔的大部分反馈
单缝衍射
I
透
射
式
光
栅
光 强
多缝干涉
I
分
布
图
-2/d -/d 0 /d 2/d
M. G. Littman and H. J. Metcalf, "Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander App. Opt. 17, 2224 (1978).
半
导
体
芯片端面反射（R1）
激
应该比外部反馈
光 器
（Rext）小20 dB
若m=1，有：
2d sin0 b
此时，单槽衍射中央主极大方向正好落在λb的一级谱线上，又因为反射光栅 的单槽面宽度近似等于刻槽周期，所以λb的其它级光谱(包括零级)均成为缺 级。现在的优质光栅可以把近 80%的能量集中到所需要的λb的一级光谱上， 使其强度变强、 闪耀，λb称为一级闪耀波长。
闪耀光栅衍射效率vs偏振
激光器的输出频率还要受谐振腔的限制. 在 F-P腔内, 振动模式必须满足关系 相邻纵模间距为
每个纵模的半高宽(线宽)为:
相对强度
B
归一化的激光电流与光谱关系
20mA 0.12mW
300
40mA 0.59mW
60mA 1mW
250
80mA 1mW
98mA 1mW
200
150
100
50
0 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080
传递腔 （已经设计加工）
电子反馈电路 180MHz光探测器， PID控制电路， PZT驱动， 制作完成，测试中
频率精度小于1MHz
Rb原子的饱和吸收光 谱稳频中，需要半导 体激光器，我们研制 了一台半导体激光器
一 半导体激光器的原理与线宽
一端高反 一端14~70%
光学带宽为5到10纳 米。
Y:快轴 X:慢轴 TE偏振：平行于慢轴
标志着我们实验室第一台半导体激光器研制成功！
郑公爵等，基于Littman结构的可调谐半导体激光器， Submitted to 《中国激光》（2013）
总结 1、激光器输出功率与光栅的衍射效率有关，同时与激光输出偏振有关
下一步工作 1、改进半导体激光器的恒温装置，以增加激光器输出频率的稳定性 2、采用F-P扫描方式，测量外延腔激光器的线宽与长时频漂大小
sin2
,
2
2
对于按角入射的平行光束A来说，其单槽衍 射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向B。 因干涉主极大方向由光栅方程
决定，若希望B方向是第m级干涉主极大方向，则变换上面的光栅方程形式， B方向的衍射角应满足
2d sΒιβλιοθήκη Baidun cos - m
2
2
考察图 所示的角度关系，有
α=θ0-和 β=θ-θ0 又因B方向是单槽衍射中央主极大方向，所以 必有α=β，即
展望
光学传递腔结构图 （1）调试 Loop Filter 和 PZT 驱动器，EOM驱动电路 （2）光学传递腔的设计和加工 （3）把光学传递腔锁定到780nm绝对频率源上
完
谢谢！
外延腔半导体激光器原理介绍与调试
----郑公爵、尹燕宁、戴大鹏、夏勇
0、研究背景 1、半导体激光器的原理与线宽 2、光栅反馈型外延腔半导体 3、闪耀、全息光栅的原理与选型 4、Littman半导体激光器的调试 5、总结和展望
采用光学传递腔技术实现激光稳频
研究背景: 课题方案介绍
主要包括：
参考频率源 （订购中）
L (nm)
98mA 1mW电 流 下 谱 线 图
100 80
20℃ 22℃ 25℃ 28℃
60
40
20
0 980
1000
1020
1040
A (nm)
1060
1080
图一 25℃时不同电流的光谱图
图二 98mA电流时不同温度的光谱图
二 光栅反馈型外延腔半导体激光器
Littman结构
Litterow结构
光栅
sin
sin
sin
包络线为单缝衍射
的光强分布图
中
央
亮
次极大
纹
主极大
( 亮纹)
极小值
k=-6 k=-4
k=-2 k=0
k=2
k=4
k=6
k=-5
k=-3
k=-1
k=1
k=3
k=5
反 射 式 闪 耀 光 栅 的 原 理 与 选 型
反射式闪耀光栅的角度关系
n
单
n
元 衍 射
C
D
B A
一个刻槽中，两端边缘光线间光程差