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。     

浅析元件参数对外腔半导体激光器输出谱宽影响

半导体抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）需大功率窄线宽泵浦源,但市售半导体激光器输出线宽远远大于碱金属原子吸收谱宽,难以实现有效泵浦,因此需采用Littrow 外腔法压窄半导体激光器输出谱宽。Littrow 外腔系统中元件参数的选择直接影响大功率半导体激光器输出谱宽。为此文中沿入射光线方向构建外腔压窄模型,利用球面镜替代柱面镜,分析了微柱透镜阵列、光学系统和光栅元件对外腔输出谱宽的影响,模拟结果为微柱透镜阵列焦距越小、光栅刻线越密、球面镜焦距越大,外腔输出谱宽越窄,实验结果符合理论模型。     

外腔半导体激光器动态模稳定性的研究

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性,采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益,并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下,在光栅转动调谐时,通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率,推导出最佳的初始外腔长度,并研究了动态模稳定（无跳模调谐）的范围;采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直（耦合）透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明,系统后向耦合效率最大可达99%,极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽,外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%,动态模稳定范围可达6.8nm。     

Littrow型光栅外腔半导体激光器的输出特性分析

在讨论光栅外腔半导体激光器理论的基础上.对影响Littrow型光栅外腔半导体激光器输出功率和线宽压窄的各种因素进行了数值模拟分析.研制了单纵模高质量激光输出的Littrow型光栅外腔半导体激光器,在工作电流为400 mA时,连续输出功率达到180 mW,线宽优于1 MHz.     

体布拉格光栅反射率对外腔半导体激光阵列输出光谱的影响

采用记录在光致热敏折射率玻璃中的反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光阵列,对其输出光谱特性进行了实验研究,分析了快轴准直透镜的位置对外腔反馈耦合效率的影响。实验结果表明,在体布拉格光栅外腔反馈作用下,半导体激光阵列输出光谱中心波长得到锁定,同时输出线宽显著变窄。重点研究了体布拉格光栅的反射率对外腔反馈半导体激光阵列输出光谱特性以及激光器效率的影响。实验结果表明,体布拉格光栅反射率的增加可提高半导体激光阵列内腔模式的抑制效果,提高输出光谱对比度,减小输出光谱线宽。使用反射率为30%的体布拉格光栅,可将半导体激光阵列的输出波长锁定在808nm附近,输出光谱线宽压缩至0.18nm。外腔半导体激光器的输出功率达24.8W,效率为82.6%。     

基于半导体外腔激光器的光反馈研究﹡

以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础,对 Littrow 型的外腔半导体激光器的结构进行了说明。根据等效反射系数的概念,推导出外腔反馈作用下阈值增益的公式和线宽压窄公式,并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄机制。同时,对影响 Littrow 型光栅外腔半导体激光器阈值增益和线宽压窄的各种因素进行了分析,发现外腔的反馈相当于增加了端面的反射率,阈值增益变小,在相同的输出功率下,增大受激辐射,抑制自发辐射,从而使线宽减小。     

半导体增益芯片与微透镜光纤耦合效率研究

光纤光栅外腔半导体激光器一般采用波导-光纤的直接耦合方式,光纤与增益芯片的耦合效率对光纤光栅外腔半导体激光器性能影响较大.为了讨论在采用不同类型光纤微透镜时对准误差对耦合效率的影响,寻找最佳微透镜类型,指导器件的设计和装配,分析了锥形和半球形光纤透镜的光线最大接收半角,利用ZEMAX软件进行模拟仿真,得到了两种光纤微透镜分别在位置误差和角度误差下的耦合效率曲线图.结果表明,锥形光纤透镜耦合效果更好,更适合应用于光纤光栅外腔半导体激光器.     

用于干涉测量的光栅外腔半导体激光器

研制了用于光干涉测量的单稳频、窄线宽光栅外腔半导体激光器(LD)。它由出光面镀有增透膜的单管半导体激光器、光束校正准直系统、闪耀光栅、注入电流驱动系统及温度控制系统组成。闪耀光栅作为外腔光反馈元件对单管半导体激光器输出的纵模进行选择，使之工作在单纵模状态。外腔的引入还使输出光的谱线宽度得以大大压窄。注入电流驱动系统为半导体激光器提供工作电流。温度控制系统由双层温控组成。第一层用于控制单管半导体激光器管芯温度；另一层用于及时带走第一层温控产生的热量，并消除环境温度影响，使外腔温度稳定。该温控系统可使所构成激光器的温度稳定在1‰℃量级。对研制的外腔半导体激光器的特性进行测试，其输出功率恒定、模式单一稳定、谱线宽度优于1．4MHz。     

光纤光栅外腔半导体激光器的线宽特性研究

通过构建外腔半导体激光器的等效腔模型,并在修正的肖洛-汤斯线宽公式中引入外腔压窄因子,系统模拟了光纤光栅外腔半导体激光器的电流阈值特性和线宽特性.以等效腔模型为基础,综合考虑外腔压窄因子,利用修正后的肖恩-汤斯公式,使用Matlab对外腔激光器的阈值和线宽特性进行了系统的模拟.模拟结果表明:通过增加外腔反射率,可有效增加光子寿命并降低阈值载流子浓度,进而获得较低的阈值电流,对于0.81的外腔等效反射率,阈值电流低至3.83 mA;通过增加外腔反射率、耦合效率和外腔长度,可显著压窄线宽至千赫兹量级;此外,合理限制增益芯片尺寸也会压窄线宽.激光器工作电流为60 mA时,当外腔光栅反射率由0.1提高至0.9可使阈值电流由9.04 mA降低至4.01 mA,线宽由95.27 kHz降低至1.34 kHz;当外腔长度由2 cm增加至6 cm时,激光器线宽由3.20 kHz降低至0.36 kHz.     

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。     

Characteristics of a grating-external-cavity semiconductor lasercontaining intracavity prism beam expanders

A grating tuned external cavity semiconductor laser incorporating a gradient-index rod lens and a pair of intracavity silicon prism beam expanders was constructed using a configuration aimed at simultaneously achieving the following objectives: the ability to operate at any external cavity longitudinal mode without tuning gaps caused by residual resonances of the laser diode cavity, stable feedback coupling between the diode and external cavities, narrow optical linewidth, and a high degree of external cavity longitudinal sidemode suppression     

窄线宽半导体激光器件

分布反馈半导体激光器的线宽一般较大，难以满足光纤传感等领域的要求。根据C.H. Henry于1982年提出的半导体激光器的线宽理论，通过适当设计DFB半导体激光器的腔长、耦合系数、微分增益、光限制因子，能有效地减小激光器的线宽。同时，空间烧孔现象也可限制DFB半导体激光器的线宽，为此需要合理设计光栅结构。在此基础上，DFB激光器的线宽能达到几十千赫兹的量级。此外，采用DBR结构或者外腔结构，也可以获得相当窄的线宽。     

千赫兹量级窄线宽半导体激光器研究进展

窄线宽半导体激光器由于其高单色性、低频率噪声、高可调谐性等优点,广泛应用于高速相干光通信、分布式传感、激光雷达等领域.随着高品质因子(Q)光学谐振腔、硅光异构集成芯片等技术的发展,窄线宽半导体激光器近十年经历了革命式发展,线宽压缩至千赫兹(kHz)量级,甚至到亚千赫兹量级.文章阐述了千赫兹量级窄线宽半导体激光器的最新进展,针对不同压缩线宽机制的窄线宽激光器进行了分类介绍,深入讨论了优化耦合系数、减少外腔损耗等对窄线宽激光器性能的影响,并针对未来应用需求展望了千赫兹量级窄线宽激光器在进一步压缩线宽、提升输出光功率方面的发展方向.     

激光二极管阵列的窄线宽、可调谐输出

外腔反馈的激光二极管阵列(LDA)可获得窄线宽、可调谐的光谱输出。外腔由快轴准直镜、准直光学系统和闪耀光栅组成。由于阵列中各发光单元的排列弯曲导致不同波长的光原路返回,引起谱线展宽,在输出光路中加入光谱滤波器,使激光二极管阵列的线宽进一步窄化。这样,激光二极管阵列的输出光谱由自由运转时的2 nm压缩到0.12 nm,在恒定温度23℃时,实现了激光在806～818 nm的调谐,调谐范围达12 nm。     

半导体激光器列阵外腔锁相中准直透镜的位置选择

利用傅立叶分解 ,平面波传播的角谱理论和光线追迹的方法讨论了在DLA外腔锁相中准直透镜的位置对系统的影响。通过计算分析找到了一个恰当的位置 ,在使系统实现尽可能大的能量耦合效率的同时降低了系统对各个元件失调的敏感程度。     

Simulation of structural design with high coupling efficiency in external cavity semiconductor laser

For external cavity semiconductor lasers(ECSLs),high coupling efficiency is critical to reducing the linewidth.In this paper,the coupling efficiency between the laser diode and the waveguide grating has been improved,with proposals for its improvement presented,including adding spot-size conversion(SSC)and using a silicon-on-insulator(SOI)waveguide.The results indicate an increase of coupling efficiency from 41.5%to 93.1%,which exhibits an improvement of approximately 51.6%over conventional schemes.The relationship between coupling efficiency and SOI waveguide structures is mainly concerned in this article.These findings provide a new way for the future research of the narrow linewidth of ECSL.