基于光柵相移效應(yīng)的Littrow激光器的無跳模調(diào)諧*

周長(zhǎng)帥，王海龍，龔 謙，榮春朝，嚴(yán)進(jìn)一，楊維凱

（1.山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，曲阜師范大學(xué) 物理系，山東 曲阜 273165；2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050）

0 引 言

外腔半導(dǎo)體激光器因其波長(zhǎng)可調(diào)諧、閾值電流低和窄線寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高精度測(cè)量、全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和激光冷卻等領(lǐng)域具有重要作用[1-5]。光柵外腔半導(dǎo)體激光器的外腔結(jié)構(gòu)主要分為L(zhǎng)ittrow和Littman兩種，且二者都是通過調(diào)節(jié)光柵的左右偏角來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧[6-8]。

光柵的相移效應(yīng)引入的附加相位會(huì)改變光柵外腔半導(dǎo)體激光器的激射頻率，導(dǎo)致激光器的激射頻率發(fā)生跳變，影響著激光頻率的穩(wěn)定性。但是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光束在垂直于光柵刻線的方向上移動(dòng)過一個(gè)光柵周期時(shí)，激光器的激射頻率并沒有發(fā)生跳變，而是實(shí)現(xiàn)了連續(xù)無跳模調(diào)諧。這為外腔激光器的無跳模調(diào)諧提供了一個(gè)新的方法[9-14]。

本文利用光柵相移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光柵外腔半導(dǎo)體激光器的大范圍無跳模調(diào)諧，在室溫工作條件下，實(shí)現(xiàn)了11.8 GHz的無跳模連續(xù)調(diào)諧，最大輸出功率達(dá)到17.60 mW，獲得了0.092 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中Littrow結(jié)構(gòu)的外腔裝置采用Thorlabs公司的籠式共軸系統(tǒng)構(gòu)建。激光器芯片采用的是單角面增益芯片（Thorlabs，SAF1550P2），激光器標(biāo)定中心波長(zhǎng)為1 550 nm，采用后腔面光纖輸出激光。激光器芯片置于一個(gè)小型化Littrow結(jié)構(gòu)的外腔裝置中，采用TEC控溫模塊對(duì)整個(gè)小型化裝置進(jìn)行電流泵浦。

激光器芯片裝在定制的熱沉上，后腔面輸出的激光經(jīng)過光纖輸出。前腔面輸出的激光進(jìn)入Littrow外腔中，經(jīng)光柵衍射后，其中的一級(jí)衍射光原路返回，為激光器提供光學(xué)反饋。Littrow外腔結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)部分：激光器芯片、非球面準(zhǔn)直透鏡（Thorlabs，C240TME-C）和反射式刻線衍射光柵（Spectrogon公司，G0900）。如圖1所示，光柵裝在定制的光柵貼盤上，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)光柵貼盤平移，進(jìn)而帶動(dòng)光柵平移。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)中，使用功率計(jì)（Thorlabs，PM100D）測(cè)試輸出光功率。出射激光經(jīng)光纖耦合后導(dǎo)入到分辨率為0.001 nm的光柵光譜儀中進(jìn)行光譜分析。所有的測(cè)試都是熱沉溫度控制在20 ℃的條件下進(jìn)行的。

2 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)光束照射到衍射光柵上時(shí)，入射角與衍射角的關(guān)系一般用光柵方程來描述[15-17]。此外，光柵還影響著光束的絕對(duì)相位。尤其是光束在垂直于光柵刻線的方向上平移時(shí)，每移動(dòng)過一個(gè)光柵周期，光束相位就會(huì)變化2π。此時(shí)，光柵外腔激光器的激射模式會(huì)發(fā)生跳模，這就是光柵的相移效應(yīng)。

若波長(zhǎng)為λ的入射光束照射到反射式刻線光柵上產(chǎn)生多級(jí)衍射，入射光的入射角為β，第m級(jí)衍射光的衍射角為βm，衍射光柵的衍射常數(shù)為d，則由光柵方程可知：

圖2為兩束平行光同時(shí)被衍射光柵衍射的光路圖。兩束光束來自同一個(gè)平面波，波長(zhǎng)都為λ。在參考平面Z=0處，兩束光線具有相同的初始相位。右邊光束代表的是左邊光束在x軸方向平移了Δx的距離。圖中，α為入射角，β為衍射角，δ1為入射光線的光程差，δ2為衍射光線的光程差。

圖2 光柵相移效應(yīng)示意

光束經(jīng)光柵衍射后，其衍射光到達(dá)參考平面Z處。兩束光的光程差ΔP為：

相位的變化φ?為：

由式（3）可以看出，如果光柵沿x軸方向平移Δx的距離，則光柵的衍射會(huì)對(duì)光束產(chǎn)生超前或延遲相位的作用，這就是光柵相移效應(yīng)帶來的影響。根據(jù)式（1）可以把式（2）和式（3）化簡(jiǎn)為：

由式（5）可知，只考慮一級(jí)衍射光（m=1）且Δx=d時(shí)，2=φ?π，也就是相位變化了2π。

光柵相移效應(yīng)影響相位的同時(shí)，也影響著光柵外腔激光器的激射頻率。當(dāng)光柵位移變化Δx時(shí)，激光器的激射頻率就會(huì)變化Δv：

其中，c是光速，n為腔內(nèi)增益介質(zhì)的折射率，L為外腔長(zhǎng)度。

由式（6）可以看出，當(dāng)壓電陶瓷推動(dòng)光柵平移時(shí)，光柵外腔激光器的激射波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化。光柵每移動(dòng)過一個(gè)光柵周期時(shí)，光柵外腔激光器的激射波長(zhǎng)模式就會(huì)跳變。但是，如果沒有發(fā)生跳變，就可以實(shí)現(xiàn)無跳模調(diào)諧。該實(shí)驗(yàn)就是利用這一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的無跳模調(diào)諧。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先通過F-P干涉儀測(cè)量獲得了光柵外腔激光器的外腔模式間隔，并與計(jì)算出的外腔模式間隔作比較，得到比較準(zhǔn)確的外腔模式間隔。然后，對(duì)小型化的Littrow外腔激光器進(jìn)行了無跳模連續(xù)調(diào)諧范圍測(cè)試和連續(xù)調(diào)諧范圍內(nèi)激光器的功率測(cè)試。

圖3是由F-P干涉儀測(cè)得的自由激射下的多模光譜。從圖3可以看到3個(gè)峰，測(cè)得左右兩邊的峰到中間的峰的頻率差都為1.64 GHz。

圖3 F-P干涉儀測(cè)得的自由激射下的多模光譜

系統(tǒng)中外腔的長(zhǎng)度L為：

如圖4所示，L1為光束在內(nèi)腔走過的長(zhǎng)度，L2為激光器芯片到透鏡的長(zhǎng)度，L3為光束經(jīng)過透鏡時(shí)走過的長(zhǎng)度，L4是透鏡到光柵的長(zhǎng)度。

其中，n1為激光器芯片增益介質(zhì)的折射率，l1為激光器芯片的長(zhǎng)度，n2為透鏡的折射率，l2為透鏡的中心厚度。

所以，外腔長(zhǎng)度為：

而外腔模式頻率間隔為：

由此可見，由公式計(jì)算的外腔模式頻率間隔與測(cè)量的外腔模式頻率間隔相差很小。這里，取1.64 GHz為一個(gè)外腔模式間隔。

圖4 外腔長(zhǎng)度

圖5 為激光器芯片的波長(zhǎng)隨光柵位移的變化曲線。圖5中所有相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的頻率間隔都遠(yuǎn)小于1.64 GHz，所以可以判斷圖5中的調(diào)諧是無跳模調(diào)諧。從圖5可以看出，激光器無跳模調(diào)諧范圍為0.092 nm，對(duì)應(yīng)的頻率變化范圍為11.8 GHz，波長(zhǎng)范圍為1 548.301～1 548.310 nm。

圖5 無跳模調(diào)諧過程中波長(zhǎng)與位移的關(guān)系

在無跳模調(diào)諧過程中，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷變化的電壓從75 V均勻遞減到16 V（步進(jìn)電壓為0.5 V），對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷的位移距離即光柵的位移，為8.1 μm。而光柵的光柵常數(shù)d=1.1 μm，所以得到光柵的位移包含了約7.3個(gè)光柵常數(shù)。壓電陶瓷推動(dòng)光柵平移的過程可以等效為光斑在光柵上平移，也就是光束在垂直于光柵刻線的方向上平移了7.3個(gè)刻線長(zhǎng)度（如圖6所示）才發(fā)生跳模，并沒有每跨過一個(gè)刻線長(zhǎng)度就發(fā)生跳模。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了利用光柵相移效應(yīng)達(dá)到較大范圍的無跳模連續(xù)調(diào)諧，調(diào)諧范圍為11.8 GHz。

圖6 無跳模調(diào)諧過程中光斑在光柵上等效位移

實(shí)驗(yàn)中，在用壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷位移時(shí)，同時(shí)測(cè)量激光器的波長(zhǎng)和功率，得到了激光器波長(zhǎng)與功率的關(guān)系。在整個(gè)無跳模調(diào)諧過程中，激光器的最小功率為14.40 mW，最大功率為17.60 mW。圖7是無跳模調(diào)諧過程中波長(zhǎng)與功率的關(guān)系?？梢钥闯觯S著波長(zhǎng)的移動(dòng)，功率緩慢減小，最后穩(wěn)定在14.40 mW附近。圖8表示的是各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的功率歸一化后的對(duì)比圖，可以直觀看出各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)功率的相對(duì)大小。

圖7 無跳模調(diào)諧過程中波長(zhǎng)與功率的關(guān)系

圖8 各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)功率歸一化后的對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)在Littrow外腔結(jié)構(gòu)下通過平移光柵實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 550 nm半導(dǎo)體激光器的較大范圍無跳模調(diào)諧，調(diào)諧范圍達(dá)到了11.8 GHz，包含了7.3個(gè)外腔模式頻率間隔，最大功率達(dá)到了17.60 mW。該實(shí)驗(yàn)證明，利用光柵相移效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的無跳模連續(xù)調(diào)諧，為L(zhǎng)ittrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無跳模調(diào)諧提供了一種新思路。

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