[發明專利]法布里-珀羅腔及外腔半導體激光器

有效

• 申請號: 201210040547.5
• 申請日: 2012-02-21
• 公開（公告）號: CN103259191A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 臧二軍;趙陽;李燁;曹建平;方占軍
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 毛麗琴

技術領域

本發明涉及激光領域，特別是涉及法布里-珀羅腔及外腔半導體激光器。

背景技術

外腔半導體激光器是科研和工業中的重要激光光源。然而，通常的外腔半導體激光器輸出譜線非常寬，一般達到幾百千赫甚至幾兆赫，這種寬線寬與許多場合的應用要求相距甚遠。為了獲得窄線寬的激光輸出，目前采用的一種現有技術是利用光學反饋方法，將線寬較寬的激光光束入射到一個單獨可控的法布里-珀羅腔上，利用法布里-珀羅腔透射的激光光束反饋到半導體激光管中，從而實現激光線寬的壓窄。

光學反饋方法的現有技術具體細節請參見K.I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，和A.Wicht，Low-noise，tunable?diode?laser?for?ultra-high-resolution?spectroscopy，OPTICS?LETTERS，第32卷第19期，2007年10月。圖1給出了采用上述光學反饋方法的外腔半導體激光器示意圖，其中細線表示光路，粗線表示電子線路。半導體激光管11發出的激光光束通過非球面準直透鏡12到達透射型光柵13后，一部分激光光束通過1/2波片14到達法布里-珀羅腔15的耦合棱鏡151。從耦合棱鏡151進入腔體的光束在耦合棱鏡151、第一反射鏡152、第二反射面153之間進行振蕩，并通過耦合棱鏡151產生兩束透射光束，即與耦合棱鏡151的入射光束的鏡反射光共線同向的第一透射光，以及與該入射光束共線反向的第二透射光。其中第二透射光通過1/2波片14到達透射型光柵13后，通過非球面準直透鏡12反饋進入半導體激光管11。由于第二透射光具有低噪聲、窄線寬的特點，因此可用于獲得窄線寬的激光輸出。同時反饋電子系統16根據第一透射光與耦合棱鏡的鏡反射光將激光頻率鎖定在該法布里-珀羅腔的相應諧振峰上，并將誤差信號反饋給第二反射面153上的壓電陶瓷上，從而實現法布里-珀羅腔15的諧振頻率鎖定。具體的，在反饋電子系統16中，經過1/2波片和偏振分光棱鏡，將上述第一透射光和耦合棱鏡的鏡反射光由圓偏振光轉換成兩個偏振態相互垂直的線偏振光，并分別由兩個探測器進行光功率探測，經過差分放大器得到誤差信號，將該誤差信號反饋到第二反射面153的壓電陶瓷上，從而使法布里-珀羅腔的諧振頻率鎖定在激光的頻率上。

然而，這種方案存在以下明顯缺陷：在鎖定方式上，由于上述外部諧振腔容易受到諸如外界振動、外界噪聲的干擾，因此會導致外腔諧振頻率不穩定。法布里-珀羅腔跟蹤鎖定在不穩定的外腔上，這不利于保持法布里-珀羅腔以及整個系統的穩定性。同時由于反饋腔采用一般穩定腔設計，入射光需要與諧振腔的諧振模式進行仔細的匹配，才可避免激光出現跳模的情況。這些缺陷均不利于激光線寬壓窄的實現。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種法布里-珀羅腔及外腔半導體激光器，從而通過利用光學反饋的方法獲得窄線寬的激光輸出，并且不需要使用額外的反饋電子系統，在保證系統穩定的同時進一步壓窄了激光的線寬。

根據本發明的一個方面，提供了一種法布里-珀羅腔，法布里-珀羅腔包括腔體、耦合棱鏡，其中腔體是由單塊光學元件整體構成的折疊共焦腔，腔體具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱鏡設在耦合面上，第二反射面為球面；

入射光束通過耦合棱鏡，以倏逝波形式射入腔體內，經第一反射面全反射后，正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后返回到第一反射面，經第一反射面全反射后返回到耦合面，在耦合面處發生全反射，同時生成倏逝波形式的透射光束，經耦合面全反射的光束正入射在第二反射面上，光束被第二反射面反射后經原路返回到耦合面，經耦合面全反射后再入射到第一反射面上進行全反射，實現光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之間諧振；所述透射光束沿著與入射光束共線反向的方向射出；

其中，第二反射面的曲率半徑等于光束在耦合面、第一反射面和第二反射面之間諧振一周的光路幾何長度的一半。

根據本發明的一個方面，提供了一種外腔半導體激光器，包括半導體激光管、準直透鏡、衍射光柵、法布里-珀羅腔，法布里-珀羅腔包括腔體、耦合棱鏡，腔體是由單塊光學元件整體構成的折疊共焦腔，腔體具有耦合面、第一反射面和第二反射面，耦合棱鏡設在耦合面上，第二反射面為球面，其中：