采用同步調諧方法的Littman型可調諧半導體激光器

張為波,劉志剛,周揚理,龔海

(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室, 710049, 西安)

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采用同步調諧方法的Littman型可調諧半導體激光器

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諧半導體激光器的跳模現象難以控制的問題,研制了一種采用無鍍膜的激光二極管的Littman型外腔可調諧半導體激光器。該激光器通過星型柔性鉸鏈調節反射棱鏡的角度,采用帶有柔性結構的光柵座調整光柵位置與角度,用粗調與細調旋鈕改變激光二極管后端面的位置,利用同步調節激光二極管的注入電流與壓電陶瓷驅動電壓的方法,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諧比例系數,實現了激光器內外腔縱模同步跟蹤,有效避免了跳模的產生。實驗結果表明,所研制的Littman型外腔可調諧半導體激光器單純依靠壓電陶瓷電壓調諧和二極管注入電流調諧僅能實現約18 GHz與60 GHz的無跳模調諧,而采用同步調諧的方法實現了105 GHz的連續無跳模調諧,頻率調諧的掃描頻率為20 Hz,滿足了激光光頻掃描干涉測距的應用要求。

激光器;連續無跳模調諧;同步調諧;Littman結構;無增透膜激光二極管

可調諧外腔半導體激光器(ECDL)結構緊湊、線寬窄、效率高、可靠性高、成本低,已被廣泛應用于高精度光譜儀[1]、原子冷卻與俘獲、光通訊以及干涉測量[2]等領域。在Littrow型可調諧激光器中光柵直接作為選頻與光反饋元件,結構簡單,出射光為光柵的0級衍射光,其出射方向會隨光柵轉角的變化而改變,而在Littman型可調諧激光器中光柵的1級衍射光經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結構激光器更適合應用于激光干涉測量。

連續無跳模調諧范圍是可調諧激光器的一項關鍵性能指標,如何增大連續無跳模調諧范圍一直是研究的熱點。文獻[3]從理論上計算出同步調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結構中將無鍍膜的ECDL的連續調諧范圍擴展到了80 GHz。文獻[4]將多個壓力陶瓷(PZT)用到Littrow結構中,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,通過同步調節光柵角度、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了90 GHz的連續調諧,但是這種方法不僅增加了結構的復雜程度,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動信號比較的誤差通過電子回路反饋到控制系統中,從而在用無鍍膜激光二極管的Littman結構中將連續無跳模調諧范圍從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的復雜程度。文獻[6]構建了內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了無鍍膜半導體激光器連續調諧73 GHz,但是驅動信號是非線性變化的。文獻[7]用偏振光譜反饋閉環控制的方法將無跳模調諧范圍擴展到了130 GHz,但掃描頻率僅有11 Hz。文獻[8]設計的短外腔Littrow型可調諧激光器對于轉軸位置的精度要求并不是很高,利用同步改變內外腔模式的方式實現了135 GHz的連續調諧。

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

1 ECDL內外腔縱模同步調諧原理

Littman型可調諧半導體激光器結構如圖1所示。激光二極管內腔是帶有增益的F-P諧振腔,R1和R2是激光器前后端面的反射系數,激光二極管后端面與反射鏡構成激光器的外腔。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為轉軸點與衍射點之間的距離;L1為等效內腔長度圖1 Littman型ECDL結構示意圖

根據光柵方程,光柵所選擇的波長為

(1)

式中:d是光柵常數,即兩條光柵刻線之間的距離;m為衍射級次。

根據駐波條件,外腔對應的波長為

(2)

式中:N2為外腔縱模數。外腔對應波長與光柵選擇波長差為

(3)

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

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成的腔體與內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成的腔體與內腔之間的耦合作用對出射光的波長影響很大,容易導致跳模現象的發生。

假設內腔的縱模數N1和外腔縱模數N2為常數,輸出光的波長λ和縱模數之間的關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,內腔長度與外腔長度的改變量ΔL1和ΔL2應當同時滿足以下兩個方程

(6)

(7)

因此,可以得到

(8)

按照式(8)中的規律同時改變內、外腔的長度便可以實現Δλ范圍的連續無跳模調諧。

在Littman結構中,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)

聯立式(6)、式(7)、式(9)以及式(10),可得

(11)

假設激光二極管電流變化量ΔI和輸出波長變化量Δλ之間存在如下關系

(12)

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

(13)

假設反射鏡的轉動角度Δθ與PZT驅動電壓ΔV之間的關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;l是PZT到轉軸點之間的距離。

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

(15)

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

2 ECDL系統研制與同步調諧掃頻實驗

2.1 ECDL的研制

本文所研制的Littman型可調諧半導體激光器的結構如圖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構中,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節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。可調諧半導體激光器采用直角棱鏡作為反射鏡,以便于調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)在驅動電壓(PZT驅動器,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。雙通道函數發生器(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驅動電壓。直角棱鏡架采用了柔性鉸鏈與U型槽結構,通過調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腔。將激光器及其散熱結構連接在一維柔性位移平臺上,精密調節激光器與光柵之間的相對位置,微調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軸點重合。此外,兩個可調整反射鏡可以調節出射光水平出射。

圖2 Littman型可調諧半導體激光器結構圖

(a)細調部件(b)星型柔性鉸鏈 (c)反射鏡架圖3 Littman結構中3個重要的零部件

圖4 Littman型ECDL同步調諧原理圖

(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、響應速度快的光電探測器(Thorlabs DET10ADET)探測光學干涉信號,并通過數據采集卡(NI-PXI 6133PXI)進行采集。將溫度設置在25 ℃,電流設置在120 mA,當溫度穩定后,打開控制器的電流輸出,半導體激光二極管發射激光。當外腔反饋起作用時,輸出光的功率會發生變化,因此可以根據激光器輸出光的功率變化來判斷ECDL外腔是否發生諧振。如圖5所示,函數發生器生成的三角波信號使PZT驅動器輸出0～150 V的三角波驅動PZT,使直角棱鏡按三角波規律周期掃描,改變與光柵的夾角。ECDL外腔若沒有發生諧振,光電探測器檢測到的功率信號比較穩定,僅有很微小的波動,如圖5a所示;若外腔發生諧振,功率信號出現較大波動,如圖5b所示。

2.2 同步調諧實驗結果

實現連續調諧主要原理是保持反饋元件所選擇的波長與外腔所對應的波長一致,從而防止出現由于兩者不同而造成的模式競爭[11],實現單模的調諧。在結構上,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軸心這一要求,就可以獲得不受限制的連續無跳模調諧范圍。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,僅調節PZT的電壓,改變反射棱鏡與光柵夾角,得到了約18 GHz的連續無跳模調諧范圍。圖6b顯示改變電流40～140 mA,調節波長,使內腔連續無跳模調諧范圍達到了60 GHz。

(a)PZT電壓調諧

(b)激光二極管電流調諧圖6 激光二極管電流調諧與PZT電壓調諧

根據1.2節的分析,在ECDL頻率掃描的過程中,避免發生跳摸的方法之一是使內外腔匹配的諧振模式不發生變化。因此,為了避免調諧過程中發生跳模現象,增大無跳模調諧范圍,可通過電壓與電流同步調諧的方法使內外腔模式實現同步跟蹤。根據式(15),激光二極管電流和PZT電壓同步調諧的比例系數由ECDL各項參數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:將激光器控制器調節為恒流模式輸出,離散改變電流的大小;在不同的電流位置通過信號發生器使PZT驅動器輸出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驅動電壓改變量約為1.2 V,掃過一個內腔自由光譜范圍,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,即同步調諧系數約為1.17 mA/V。

圖7 干涉信號在不同電流值的局部放大圖

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

圖8 驅動頻率為20 Hz時105 GHz的連續無跳模調諧

3 結 論

本文分析了Littman型外腔可調諧半導體激光器通過二極管注入電流與PZT電壓同步調節進行連續無跳模調諧的基本原理,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掃描電壓同步調諧比例系數。實驗結果表明:所研制的激光器通過單獨調節PZT電壓來改變反射鏡角度的方式進行調諧,可以實現約18 GHz的連續無跳模調諧,單獨采用電流調節可以實現60 GHz的連續無跳模調諧,而采用同步調節PZT電壓與二極管注入電流,可以實現105 GHz的連續無跳模調諧,頻率調諧的掃描頻率為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諧半導體激光器的跳模現象難以控制的難題。

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(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

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150818.0927.008.html