[發明專利]基于佛克脫反常色散原子濾光器外腔半導體激光器及方法

在審

• 申請號: 202310504128.0
• 申請日: 2023-05-06
• 公開（公告）號: CN116613629A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 陳景標;黨安紅;劉子捷;史田田
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14;H01S5/0687;H01S5/02355
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種基于佛克脫反常色散原子濾光器外腔半導體激光器，包括：一個鍍增透膜的激光二極管，激光二極管上設置有溫度控制模塊；一個準直模塊，用于對激光二極管進行準直擴束；一個佛克脫反常色散原子濾光器，對激光二極管出射的激光進行濾光，所述濾光器的透射譜決定輸出的激光光譜；一個反射腔鏡，將經過原子濾光器濾光后的激光反射回諧振腔內，形成振蕩，產生穩定的激光；一個壓電陶瓷，與反射腔鏡裝配在一起，用于微調腔長，實現激光調諧。本發明利用佛克脫反常色散原子濾光器代替主流的法拉第色散原子濾光器作為外腔半導體激光器的選頻器件，實現了首個佛克脫型外腔半導體激光器，擁有比主流法拉第激光器更小的體積，獲得更好的機械穩定性和頻率穩定性。

技術領域

本發明涉及半導體激光技術領域，尤其涉及一種基于佛克脫反常色散原子濾光器外腔半導體激光器及方法。

背景技術

法拉第反常色散原子濾光器作為一種優質超窄帶濾光器，自90年代以來國內外對其進行了深入的理論分析和實驗研究。由于其具有高透過率、窄帶寬和高噪聲抑制比等優點，目前被廣泛地應用于激光雷達、空間及衛星光通信等領域中。

以法拉第原子濾光器作為選頻器件的外腔半導體激光器，具有對激光二極管的工作電流和溫度變化免疫的優良特性。對于已經正常工作的法拉第激光器，大幅度改變激光二極管的工作電流和工作溫度，只要其工作電流保持在閾值以上，輸出激光的頻率不會發生大幅跳動。對于調試完畢的法拉第激光器，長時間工作后仍可以工作在目標波長附近。這種方法以低成本大幅提升了激光器的性能，另辟蹊徑，為使用性能較差的國產半導體激光二極管無法搭建高性能激光器的現狀提供了一種獨特的解決方案。

然而，法拉第反常色散原子濾光器利用法拉第磁致旋光效應進行選頻，要求磁場方向必須沿著激光傳輸方向(光軸方向)。傳統法拉第原子濾光器在圓筒形原子氣室左右兩端放置永磁鐵來產生沿光軸方向的磁場。這種方案一方面增大了法拉第激光器沿光軸方向的體積，限制了激光器的最小腔長，另一方面產生的磁場強度較小。另一種方案，繞著圓筒形氣室放置永磁鐵，此時原子濾光器中的磁鐵和氣室的總體積往往大于0.5L，產生的磁場強度小于1000高斯、磁場均勻性小于90％，阻礙了法拉第激光器輸出激光頻率穩定性的進一步提升。因此，原子濾光器是阻礙激光器體積縮小的主要原因，大體積的激光器還存在可搬運性和機械穩定性相對較差等問題。

發明內容

本發明提供了一種基于佛克脫反常色散原子濾光器外腔半導體激光器及方法，本發明利用佛克脫反常色散原子濾光器，帶有準直擴束、溫度控制模塊的鍍增透膜激光二極管，以及裝有壓電陶瓷的反射腔鏡實現激光器，同時應用該激光器穩定輸出的單頻激光進行大范圍的激光選頻。相比于法拉第反常色散原子濾光器，佛克脫反常色散原子濾光器使用的磁鐵能以更小的體積產生更大的磁場，從而獲得更窄的透射帶寬和更穩定的透射譜，相應的，佛克脫激光擁有更強的頻率穩定性和抗外界干擾能力；此外，佛克脫激光器擁有比主流法拉第激光器更小的體積，將擁有更好的機械穩定性和頻率穩定性，詳見下文描述：

第一方面、一種基于佛克脫反常色散原子濾光器外腔半導體激光器，其中佛克脫激光器包括：

鍍增透膜的激光二極管，作為佛克脫激光器的種子源，出射波長范圍大，出射激光的發散角大；

準直模塊，包含一個準直透鏡和相應的固定結構，用于對激光二極管進行準直；

佛克脫反常色散原子濾光器，對激光二極管出射的激光進行濾光，佛克脫激光器的輸出激光由佛克脫反常色散原子濾光器的透射譜決定；

反射率99.9％的反射腔鏡，將經過原子濾光器濾光后的激光反射回諧振腔內，形成振蕩，產生穩定的激光；

激光器的一體化機械結構，主要包括激光器底座、四塊側板和一塊蓋板，用于固定激光器中的元件，將各個元件組裝為一個整體。