張為波,劉志剛,周揚理,龔海

(西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安)

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采用同步調(diào)諧方法的Littman型可調(diào)諧半導體激光器

張為波,劉志剛,周揚理,龔海

(西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安)

針對采用無鍍膜激光二極管的外腔可調(diào)諧半導體激光器的跳?，F(xiàn)象難以控制的問題,研制了一種采用無鍍膜的激光二極管的Littman型外腔可調(diào)諧半導體激光器。該激光器通過星型柔性鉸鏈調(diào)節(jié)反射棱鏡的角度,采用帶有柔性結(jié)構(gòu)的光柵座調(diào)整光柵位置與角度,用粗調(diào)與細調(diào)旋鈕改變激光二極管后端面的位置,利用同步調(diào)節(jié)激光二極管的注入電流與壓電陶瓷驅(qū)動電壓的方法,通過實驗估計確定了激光二極管注入電流與壓電陶瓷掃描電壓同步調(diào)諧比例系數(shù),實現(xiàn)了激光器內(nèi)外腔縱模同步跟蹤,有效避免了跳模的產(chǎn)生。實驗結(jié)果表明,所研制的Littman型外腔可調(diào)諧半導體激光器單純依靠壓電陶瓷電壓調(diào)諧和二極管注入電流調(diào)諧僅能實現(xiàn)約18 GHz與60 GHz的無跳模調(diào)諧,而采用同步調(diào)諧的方法實現(xiàn)了105 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧,頻率調(diào)諧的掃描頻率為20 Hz,滿足了激光光頻掃描干涉測距的應(yīng)用要求。

激光器;連續(xù)無跳模調(diào)諧;同步調(diào)諧;Littman結(jié)構(gòu);無增透膜激光二極管

可調(diào)諧外腔半導體激光器(ECDL)結(jié)構(gòu)緊湊、線寬窄、效率高、可靠性高、成本低,已被廣泛應(yīng)用于高精度光譜儀[1]、原子冷卻與俘獲、光通訊以及干涉測量[2]等領(lǐng)域。在Littrow型可調(diào)諧激光器中光柵直接作為選頻與光反饋元件,結(jié)構(gòu)簡單,出射光為光柵的0級衍射光,其出射方向會隨光柵轉(zhuǎn)角的變化而改變,而在Littman型可調(diào)諧激光器中光柵的1級衍射光經(jīng)反射棱鏡后反饋回激光二極管,0級衍射光作為出射光,出射方向不變,因此Littman結(jié)構(gòu)激光器更適合應(yīng)用于激光干涉測量。

連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍是可調(diào)諧激光器的一項關(guān)鍵性能指標,如何增大連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍一直是研究的熱點。文獻[3]從理論上計算出同步調(diào)諧過程中電流改變量與電壓改變量的比值,并用廉價的電子電路同步改變激光二極管電流和外腔腔長,在Littrow結(jié)構(gòu)中將無鍍膜的ECDL的連續(xù)調(diào)諧范圍擴展到了80 GHz。文獻[4]將多個壓力陶瓷(PZT)用到Littrow結(jié)構(gòu)中,通過控制多個PZT不同的伸長量不僅可以改變光柵的角度而且可以改變外腔長度,通過同步調(diào)節(jié)光柵角度、外腔長度以及激光二極管的注入電流,采用無鍍膜的半導體激光二極管實現(xiàn)了90 GHz的連續(xù)調(diào)諧,但是這種方法不僅增加了結(jié)構(gòu)的復雜程度,而且增加了同步控制的難度。文獻[5]用鎖相放大器將光功率信號與驅(qū)動信號比較的誤差通過電子回路反饋到控制系統(tǒng)中,從而在用無鍍膜激光二極管的Littman結(jié)構(gòu)中將連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍從1 GHz擴大到了65 GHz,由于采用了鎖相放大器與電子回路反饋,在增加激光器成本的同時也增加了控制系統(tǒng)的復雜程度。文獻[6]構(gòu)建了內(nèi)外腔模式的動力學模型,利用同步改變電流和光柵位置的方法實現(xiàn)了無鍍膜半導體激光器連續(xù)調(diào)諧73 GHz,但是驅(qū)動信號是非線性變化的。文獻[7]用偏振光譜反饋閉環(huán)控制的方法將無跳模調(diào)諧范圍擴展到了130 GHz,但掃描頻率僅有11 Hz。文獻[8]設(shè)計的短外腔Littrow型可調(diào)諧激光器對于轉(zhuǎn)軸位置的精度要求并不是很高,利用同步改變內(nèi)外腔模式的方式實現(xiàn)了135 GHz的連續(xù)調(diào)諧。

本文研制了一種單模、無鍍膜的Littman型可調(diào)諧半導體激光器,采用基于內(nèi)外腔縱模同步調(diào)諧的實驗估計法,實現(xiàn)了在驅(qū)動頻率大于20 Hz情況下的大于105 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧。

1 ECDL內(nèi)外腔縱模同步調(diào)諧原理

Littman型可調(diào)諧半導體激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光二極管內(nèi)腔是帶有增益的F-P諧振腔,R1和R2是激光器前后端面的反射系數(shù),激光二極管后端面與反射鏡構(gòu)成激光器的外腔。等效外腔長度L2可以表示為L2=L(sinφ+sinθ)。

φ為入射光與光柵法線的夾角;θ為一級衍射光與光柵法線的夾角;L為轉(zhuǎn)軸點與衍射點之間的距離;L1為等效內(nèi)腔長度圖1 Littman型ECDL結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)光柵方程,光柵所選擇的波長為

(1)

式中:d是光柵常數(shù),即兩條光柵刻線之間的距離;m為衍射級次。

根據(jù)駐波條件,外腔對應(yīng)的波長為

(2)

式中:N2為外腔縱模數(shù)。外腔對應(yīng)波長與光柵選擇波長差為

(3)

當反射鏡繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,光柵衍射角和等效外腔長度L2同時發(fā)生變化,λg和λe隨之改變。當Fλ小于縱模間距的一半時,N2不發(fā)生變化,波長變化過程中不會出現(xiàn)跳模;當Fλ大于縱模間距的一半時,N2發(fā)生變化,出現(xiàn)跳模。

對于有增透膜的激光二極管,前端面的透射率很高,前端面與反射鏡之間構(gòu)成的腔體與內(nèi)腔之間的耦合作用很小,因此對出射光的波長影響也很小。帶有增透膜的激光二極管的價格及其昂貴,而對于廉價的無鍍膜的激光二極管,前端面的透射率較低,前端面與反射鏡之間構(gòu)成的腔體與內(nèi)腔之間的耦合作用對出射光的波長影響很大,容易導致跳?，F(xiàn)象的發(fā)生。

假設(shè)內(nèi)腔的縱模數(shù)N1和外腔縱模數(shù)N2為常數(shù),輸出光的波長λ和縱模數(shù)之間的關(guān)系可以用以下兩個公式進行描述

(4)

(5)

為了使輸出波長改變Δλ,內(nèi)腔長度與外腔長度的改變量ΔL1和ΔL2應(yīng)當同時滿足以下兩個方程

(6)

(7)

因此,可以得到

(8)

按照式(8)中的規(guī)律同時改變內(nèi)、外腔的長度便可以實現(xiàn)Δλ范圍的連續(xù)無跳模調(diào)諧。

在Littman結(jié)構(gòu)中,外腔長度變化量ΔL2可以用衍射角θ的變化量Δθ來表示

(9)

從式(1)可以得到

(10)

聯(lián)立式(6)、式(7)、式(9)以及式(10),可得

(11)

假設(shè)激光二極管電流變化量ΔI和輸出波長變化量Δλ之間存在如下關(guān)系

(12)

式中:γ為電流變化量對波長的影響系數(shù),同一個激光二極管的γ值通常是一個常數(shù)。通過式(7)和式(12)可以得到ΔI一個新的表達式

(13)

假設(shè)反射鏡的轉(zhuǎn)動角度Δθ與PZT驅(qū)動電壓ΔV之間的關(guān)系可以用下面的式子來描述

(14)

式中:k是PZT伸長量與加載電壓之間的比值,通常是一個常數(shù);l是PZT到轉(zhuǎn)軸點之間的距離。

根據(jù)式(11)、式(13)和式(14),可得激光二極管電流變化量與PZT驅(qū)動電壓變化量之間需要滿足下面的關(guān)系

(15)

式中:k、d、l以及γ都是常數(shù)。由于θ的變化量很小,cosθ可以認為是一個常數(shù)。因此,ΔI與ΔV之間的比值是一個常數(shù),與外腔縱模數(shù)N2無關(guān),實現(xiàn)了改變波長過程中內(nèi)外腔模式的同步跟蹤,避免了跳模的發(fā)生。

2 ECDL系統(tǒng)研制與同步調(diào)諧掃頻實驗

2.1 ECDL的研制

本文所研制的Littman型可調(diào)諧半導體激光器的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。采用的激光二極管是商用單模無增透膜的半導體激光二極管(Thorlabs L785 P090),其中心波長為785 nm,額定電流為120 mA。激光二極管安裝在準直套筒中(Thorlabs LT230P-B),并通過其中的透鏡對出射光進行準直。為了穩(wěn)定激光二極管的溫度,將激光二極管及其準直套筒安裝于黃銅加工的散熱結(jié)構(gòu)中,并通過半導體制冷器(Thorlabs TEC1.4-6)、熱敏電阻(Thorlabs TH10K)以及激光器控制器(SRS LDC501)來控制激光二極管的溫度,激光器控制器同時可以調(diào)節(jié)激光二極管的注入電流。采用全息光柵(1800刻線/mm Edmund 43775)作為激光器的分光與選頻元件?？烧{(diào)諧半導體激光器采用直角棱鏡作為反射鏡,以便于調(diào)整反射光線由原光路返回,直角棱鏡安裝在星型柔性鉸鏈懸臂上[9-10],壓電陶瓷PZT(Thorlabs AE0505D16F,最大伸長量為17.4 μm)在驅(qū)動電壓(PZT驅(qū)動器,型號Thorlabs MDT693A)作用下推動懸臂,從而帶動與懸臂連接的直角棱鏡擺動,進而改變光柵衍射角度,達到改變波長的目的。雙通道函數(shù)發(fā)生器(泰克AFG3052C)生成兩路同步掃描信號,同時改變激光二極管電流和PZT驅(qū)動電壓。直角棱鏡架采用了柔性鉸鏈與U型槽結(jié)構(gòu),通過調(diào)整反射鏡架的高度與俯仰角度保證反射光沿原光路回到激光二極管內(nèi)腔。將激光器及其散熱結(jié)構(gòu)連接在一維柔性位移平臺上,精密調(diào)節(jié)激光器與光柵之間的相對位置,微調(diào)ECDL外腔長度,使激光二極管后反射面、光柵平面、反射棱鏡反射面的交點與柔性鉸鏈轉(zhuǎn)軸點重合。此外,兩個可調(diào)整反射鏡可以調(diào)節(jié)出射光水平出射。

圖2 Littman型可調(diào)諧半導體激光器結(jié)構(gòu)圖

(a)細調(diào)部件(b)星型柔性鉸鏈 (c)反射鏡架圖3 Littman結(jié)構(gòu)中3個重要的零部件

圖4 Littman型ECDL同步調(diào)諧原理圖

(a)起振前的功率信號

(b)起振后的功率信號圖5 起振前后的功率信號變化

本文中所測到的信號是由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化得到的電信號,其幅值為相對大小,因此文中信號幅值的單位為1。本文采用自由光譜范圍為1.5 GHz的法布里-帕羅(F-P)標準具(Thorlabs SA200)和邁克爾遜干涉儀對所研制的ECDL的性能進行評估,如圖4所示。采用靈敏度高、響應(yīng)速度快的光電探測器(Thorlabs DET10ADET)探測光學干涉信號,并通過數(shù)據(jù)采集卡(NI-PXI 6133PXI)進行采集。將溫度設(shè)置在25 ℃,電流設(shè)置在120 mA,當溫度穩(wěn)定后,打開控制器的電流輸出,半導體激光二極管發(fā)射激光。當外腔反饋起作用時,輸出光的功率會發(fā)生變化,因此可以根據(jù)激光器輸出光的功率變化來判斷ECDL外腔是否發(fā)生諧振。如圖5所示,函數(shù)發(fā)生器生成的三角波信號使PZT驅(qū)動器輸出0～150 V的三角波驅(qū)動PZT,使直角棱鏡按三角波規(guī)律周期掃描,改變與光柵的夾角。ECDL外腔若沒有發(fā)生諧振,光電探測器檢測到的功率信號比較穩(wěn)定,僅有很微小的波動,如圖5a所示;若外腔發(fā)生諧振,功率信號出現(xiàn)較大波動,如圖5b所示。

2.2 同步調(diào)諧實驗結(jié)果

實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧主要原理是保持反饋元件所選擇的波長與外腔所對應(yīng)的波長一致,從而防止出現(xiàn)由于兩者不同而造成的模式競爭[11],實現(xiàn)單模的調(diào)諧。在結(jié)構(gòu)上,ECDL如果滿足反射鏡平面、光柵平面與激光二極管后端面均通過反射鏡回轉(zhuǎn)軸心這一要求,就可以獲得不受限制的連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍。然而,這對3個元件的位置精度提出了極高的要求,否則激光器將失諧,直接輸出無外腔反饋的放大自發(fā)輻射。圖6a是由自由光譜范圍為1.5 GHz的F-P標準具測得的ECDL掃頻光譜,僅調(diào)節(jié)PZT的電壓,改變反射棱鏡與光柵夾角,得到了約18 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍。圖6b顯示改變電流40～140 mA,調(diào)節(jié)波長,使內(nèi)腔連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍達到了60 GHz。

(a)PZT電壓調(diào)諧

(b)激光二極管電流調(diào)諧圖6 激光二極管電流調(diào)諧與PZT電壓調(diào)諧

根據(jù)1.2節(jié)的分析,在ECDL頻率掃描的過程中,避免發(fā)生跳摸的方法之一是使內(nèi)外腔匹配的諧振模式不發(fā)生變化。因此,為了避免調(diào)諧過程中發(fā)生跳?，F(xiàn)象,增大無跳模調(diào)諧范圍,可通過電壓與電流同步調(diào)諧的方法使內(nèi)外腔模式實現(xiàn)同步跟蹤。根據(jù)式(15),激光二極管電流和PZT電壓同步調(diào)諧的比例系數(shù)由ECDL各項參數(shù)k、d、l、γ和θ確定。然而,不同的半導體激光二極管的γ值都不相同,而要獲得激光二極管的γ值則需要大量的實驗;機械加工精度與裝配精度將嚴重影響l的值;此外,由于PZT存在滯回特性[9],k值也難以具體確定下來。

為了解決上述問題,提出了一種基于實驗的估計方法:將激光器控制器調(diào)節(jié)為恒流模式輸出,離散改變電流的大小;在不同的電流位置通過信號發(fā)生器使PZT驅(qū)動器輸出0～75 V的三角波電壓;記錄不同電流時干涉信號的波形。所記錄的波形信號比較復雜,將其局部進行放大如圖7所示。從圖7可以看出,由于激光器對于電流變化非常敏感,因此在不同電流值的同一跳模位置的波形有所不同,電流增大同一跳模位置相對向右移動。ECDL掃過一個外腔自由光譜范圍,PZT驅(qū)動電壓改變量約為1.2 V,掃過一個內(nèi)腔自由光譜范圍,電流改變量為1.4 mA,于是可以得到電流改變量與電壓改變量的比值,即同步調(diào)諧系數(shù)約為1.17 mA/V。

圖7 干涉信號在不同電流值的局部放大圖

根據(jù)ECDL內(nèi)外腔模式同步調(diào)諧系數(shù),同步調(diào)節(jié)激光器二極管電流和PZT驅(qū)動電壓實現(xiàn)激光光頻掃描,PZT電壓掃描頻率達到20 Hz。用F-P標準具測量同步調(diào)諧的ECDL掃頻光譜可知,同步調(diào)諧ECDL無跳模調(diào)諧的范圍達到了105 GHz,如圖8所示。比較圖8與圖6可知,運用同步調(diào)諧方法實現(xiàn)ECDL光頻連續(xù)掃描,不僅能夠有效增大連續(xù)無跳模調(diào)諧范圍,并且所得到F-P信號與干涉信號也要優(yōu)于之前的方法。由于在調(diào)諧過程中電流也在發(fā)生變化,因此F-P信號和干涉信號幅值受到電流調(diào)制,在實際應(yīng)用中只需要經(jīng)過簡單的解調(diào)即可。

圖8 驅(qū)動頻率為20 Hz時105 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧

3 結(jié) 論

本文分析了Littman型外腔可調(diào)諧半導體激光器通過二極管注入電流與PZT電壓同步調(diào)節(jié)進行連續(xù)無跳模調(diào)諧的基本原理,研制了一臺采用無鍍膜激光二極管的Littman型外腔可調(diào)諧半導體激光器,采用實驗估計的方法確定了激光二極管注入電流與PZT掃描電壓同步調(diào)諧比例系數(shù)。實驗結(jié)果表明:所研制的激光器通過單獨調(diào)節(jié)PZT電壓來改變反射鏡角度的方式進行調(diào)諧,可以實現(xiàn)約18 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧,單獨采用電流調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)60 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧,而采用同步調(diào)節(jié)PZT電壓與二極管注入電流,可以實現(xiàn)105 GHz的連續(xù)無跳模調(diào)諧,頻率調(diào)諧的掃描頻率為20 Hz。這一性能指標滿足了激光光頻掃描干涉測距的要求[12-13],降低了對零部件加工與裝配精度要求,克服了采用無鍍膜激光二極管的外腔可調(diào)諧半導體激光器的跳?，F(xiàn)象難以控制的難題。

[1] WIEMAN C E, HOLLBERG L. Using diode lasers for atomic physics [J]. Review of Scientific Instruments, 1991, 62(1): 1-20.

[2] 陶龍, 劉志剛, 呂濤, 等. 頻率掃描干涉儀漂移誤差正反向掃描補償法 [J]. 光學學報, 2014, 34(2): 115-119. TAO Long, LIU Zhigang, Lü Tao, et al. Drift error compensation method of frequency sweeping interferometer by consecutive forward and reverse optical frequency scanning [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(2): 115-119.

[3] PETRIDIS C, LINDSAY I D, STOTHARD D J M, etal. Mode-hop-free tuning over 80 GHz of an extended cavity diode laser without antireflection coating [J]. Review of Scientific Instruments, 2001, 72(10): 3811-3815.

[4] HULT J, BURNS L S, KAMINSKI C F. Wide-bandwidth mode-hop-free tuning of extended-cavity GaN diode lasers [J]. Applied Optics, 2005, 44(18): 3675-3684.

[5] REPASKY K S, NEHRIR A R, HAWTHORNE J T, et al. Extending the continuous tuning range of an external-cavity diode laser [J]. Applied Optics, 2006, 45(35): 9013-9019.

[6] FUHRER T, WALTHER T. Extension of the mode-hop-free tuning range of an external cavity diode laser based on a model of the mode-hop dynamics [J]. Optics Letters, 2008, 33(4): 372-374.

[7] FUHRER T, STANG D, WALTHER T. Actively controlled tuning of an external cavity diode laser by polarization spectroscopy [J]. Optics Express, 2009, 17(7): 4991-4996.

[8] DUTTA S, ELLIOTT D S E, CHEN P. Mode-hop-free tuning over 135 GHz of external cavity diode lasers without antireflection coating [J]. Applied Physics: B, 2011, 106: 629-633.

[9] LE Lam, WANG Weizhi. Magnetic damping of tuning arm in an external cavity laser: United States, US2010/0183038 A1 [P]. 2010-07-22.

[10]魏芳, 陳迪俊, 辛國鋒, 等. 緊湊堅固Littman-Metcalf型可調(diào)諧外腔半導體激光器 [J]. 中國激光, 2013, 40(11): 62-68. WEI Fang, CHEN Dijun, XIN Guofeng, et al. A compact and rugged tunable external cavity diode laser with Littman-Metcalf configuration [J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(11): 62-68.

[11]GONG Hai, LIU Zhigang, ZHOU Yangli, et al. Mode-hopping suppression of external cavity diode laser by mode matching [J]. Applied Optics, 2014, 53(4): 694-701.

[12]鄧忠文, 劉志剛, 陶龍, 等. 新型可調(diào)諧外腔半導體激光器光頻掃描干涉測距方法 [J]. 西安交通大學學報, 2013, 47(5): 104-109. DENG Zhongwen, LIU Zhigang, TAO Long, et al. Novel frequency scanned interferometry absolute distance measurement by tunable external-cavity diode laser [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(5): 104-109.

[13]呂濤, 劉志剛, 鄧忠文, 等, 一種光纖組量程擴增的激光頻率掃描干涉絕對測距系統(tǒng) [J]. 西安交通大學學報, 2013, 47(9): 77-82. Lü Tao, LIU Zhigang, DENG Zhongwen, et al. A range amplified absolute distance measurement system with laser frequency sweeping interferometry by optical fiber pairs [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(9): 77-82.

(編輯 杜秀杰)

Tunable Diode Lasers in Littman Configuration with Synchronous Tuning

ZHANG Weibo,LIU Zhigang,ZHOU Yangli,GONG Hai

(State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

It is difficult to control the mode-hop of a diode laser without antireflection as light source in an external cavity diode laser. A star-flexure hinge and a grating mount with a flexure hinge are used to adjust the angle and position of reflector and grating. The position of laser rear facet is changed by coarse and fine adjustments. Mode match of inner cavity and external cavity is realized and mode-hop is avoided by simultaneous tuning injection current of diode lasers and PZT voltage with the proportionality coefficient from experiment estimation. The result indicates that only mode-hop-free tuning of 18 GHz and 60 GHz is achieved by PZT voltage tuning and injection current of diode lasers tuning, while the mode-hop-free tuning range is extended to 105 GHz at a scan rate of 20 Hz by simultaneous tuning of the injection current of diode lasers and PZT voltage, thus the performance satisfies the requirement of frequency sweeping interferometer measurement.

lasers; mode-hop-free tuning; simultaneous tuning; Littman configuration; diode lasers without antireflection

2015-03-05。

張為波(1990—),男,碩士生;劉志剛(通信作者),男,教授。

國家自然科學基金資助項目(51375376)。

時間:2015-08-18

10.7652/xjtuxb201510005

TB96

A

0253-987X(2015)10-0029-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150818.0927.008.html