846nm半导体激光器线宽压窄的研究

文章编号:1673-0291(2007)06-0042-04

846nm 半导体激光器线宽压窄的研究

苏 展1,何世均1,沈乃

2

,于 闯3

(1.河南省自动化工程技术研究中心,郑州450008;2.中国科学院物理研究所,北京100080;

3.北京大学信息科学技术学院,北京100081)

摘 要:研制了用于倍频蓝光的单模、可调谐的窄线宽光栅外腔反馈半导体激光器,它是由激光器底座、激光管组件、准直透镜组件和光栅组成.经过精密控制电流和温度,利用光栅反馈可获得激光

单纵模输出,外腔的结构还使输出光的谱线宽度得以压窄.对研制的半导体激光器的特性测试表明,其输出功率稳定,阈值变小,模式单一稳定,波长可调谐,谱线宽度小于1MHz.关键词:激光技术;外腔半导体激光器;外腔光栅反馈;单纵模;窄线宽中图分类号:TN24814 文献标志码:A

Research on Narrow Line Width External Cavity 846nm

Semiconductor Laser

S U Zhan 1

,HE Shi -j un 2

,SH EN Nai -cheng 2

,Y U Chuang

3

(1.Henan Automat ion Eng ineering and T echnology Research Center,Zhengzhou 450008,China;

2.Institute of Physics Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China;

3.Schoo l of Electronics Engineering and Computer Science,Peking U niversit y,Beijing 100081,China)

Abstract:A single narrow line w idth tunable external cavity feedback sem iconductor used in frequency doubling blue light is proposed.It is constructed w ith laser base,laser tube,collimation system ,and optical grating.Via the current and temperature precise control,It is selected the mode of semiconduc -tor laser used in the feedback of grating.The structure of external cav ity makes the spectral line w idth of output lig ht to be narrowed.T hus a single long itudinal mode,narrow spectral line w idth and stable frequency external cavity semiconductor laser is realized,and its spectral line w idth is compressed to be less than 1MHz.

Key words:laser technology;external cavity sem iconductor laser;ex ternal cav ity optical grating feed -back;sing le longitudinal mode;narrow line w idth 钙原子在657nm 上的吸收谱,是2003年国际长度咨询委员会(CCL)的13种国际推荐谱线之一.由于所要观测的钙束原子速度过大,导致检测效率的降低,但可利用钙原子在423nm 上的能级跃迁,

采取能级变换的方法来提高检测效率[1-4]

.文中论述的846nm 的半导体激光可以借助铌酸钾晶体的非线性效应获得倍频423nm 的蓝光.

半导体激光器以其体积小、寿命长、使用简单方

便等优点广泛应用于各个领域.尤其是外腔半导体

激光器,其线宽可压窄1~2个量级,还可以将辐射变成单纵模输出,通过旋转光栅可以获得大范围连续可调谐的激光输出[5-7]

.

利用外腔光栅反馈技术结合电流和温度的有效控制可以使外腔选模的846nm 半导体激光器的线宽压窄至小于110MHz 左右,此线宽完全可以满足对激光光源要求较高的科研工作.

收稿日期:2006-07-14

作者简介:苏展(1977)),男,河南许昌人,硕士.email:04121511@

第31卷第6期

2007年12月

北 京 交 通 大 学 学 报

JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y

V ol.31N o.6Dec.2007

1 原理

半导体激光管(LD)在一般情况下可以得到单横模输出,但不易得到单纵模输出,因为自由运转时LD 的波长会随温度、电流及外界振动等因素的影响在较大范围内漂移.因此必须使用精密控制的电流源.本系统所用的精密电流源是自制的,通过控制可使LD 的电流达10-6量级的稳定度,再通过温度控制电路将LD 的温度控制在0101e 的精度范围内.经过上述精密控制电流和温度后,激光模式的线宽可达几十兆赫.

为了达到单纵模输出、线宽压窄和大范围可调谐的要求,我们采用关键元件:光栅,通过光栅形成了法布里-珀罗(F -P)型的外腔,由此可以压窄线宽;通过光栅反馈还可使激光单纵模输出;通过调节光栅角度可以大范围调谐激光的输出波长.一束激光以某个角度入射到光栅上,由于光栅的衍射效应可以在不同的方向上得到0、?1、?2等多级衍射光,各衍射光的出射角由下面方程决定.

d(sin A +sin B m )=m K ,

式中:d 为光栅常数,d =

1

g

,g 为光栅的刻线密度,mm -1;A 为入射角,(b );B m 为第m 级衍射光的出射角,(b );m 为衍射级数;K 为入射激光的波长,nm.

我们使用的是反射型光栅,所以入射光和反射光在光栅平面的同一侧.合理的选择参数便可以使衍射光只出现0和+1级,其中+1级衍射光沿入射光方向返回激光腔内而形成反馈,如图1所示

.

图1 外腔半导体激光器光栅反馈示意图Fig.1 Ex ternal cavity semiconductor diffr action

g rating feedback schemat ic drawing

反馈光与光栅相对于入射光的角度有关,只有特定波长的光才能满足反馈条件A =B 1,只有这个

波长的光才能反馈回激光管,并会在激光腔内得到加强,最后通过模竞争使得其他模式的激光停振,从而得到单纵模输出.因此可以通过调节光栅相对于入射激光的角度来控制单纵模的波长,在较大范围内实现连续可调谐输出,并在小范围内实现连续可

调谐输出(调谐过程中不出现跳模现象).

2 系统结构及结果

激光器系统的主体由激光器底座、激光管、准直透镜组件和光栅两部分组成,如图2中照片所示.激光器底座由易于加工且弹性很好的磷青铜材料制成,并半导体制冷模块(TEC)进行温度控制,保证了腔长受温度的影响降至最小,间接对激光管进行温度控制.激光管与底座紧密接触保证半导体激光管的温度得到精密控制

.

图2 外腔半导体激光器F ig.2 External cavit y semiconductor

我们采用SDL5402型的LD,其标称功率为50mW.激光经过一个设计的准直透镜组件(Thorlab 的C230T M -B)后成为近似平行光束.

此时的激光射在全息光栅(New port5192)上,光栅的刻线密度是1800线/mm.旋转两个精密调节螺丝(螺距为0125mm 左右,手动调节分辨率高达1L m),改变光栅的角度可以使+1级衍射光沿入射光方向恰好返回激光腔内而形成反馈.在光栅组件中附加一个压电陶瓷(PZT)驱动器,通过改变加在PZT 上的直流电压可以伸长或缩短它的长度.使用它来完成光栅角度的精确控制,从而选择所需要的846nm 波长.

我们使用功率计测试了光栅的反馈率约为30%(+1级的反馈光没有返回激光管时),经过测量,激光管加光栅前和加光栅后的功率如图3、图4所示.

由图3和图4中可见,在激光自由运转(未加光栅)时,由所测得的激光功率的电流阈值为15mA,而经过光栅反馈后半导体激光的电流阈值降低到13mA,这说明利用光栅反馈可以有效地降低阈值.由于本系统所使用的激光管的阈值较低,可降低阈值约2mA,对于阈值为20~30mA 的激光管,只要有效地调节光栅的反馈,阈值可下降约4~5mA.

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第6期 苏 展等:846nm 半导体激光器线宽压窄的研究