一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，包括底座、支撐底座、光路調(diào)整附件、光柵座、反射鏡座、套筒座、一維柔性平臺(tái)和柔性鉸鏈；支撐底座固定在水平設(shè)置的底座上；支撐底座包括底板和懸臂設(shè)置在底板上的支撐臺(tái)；光路調(diào)整附件、光柵座和柔性鉸鏈固定在底板上；支撐臺(tái)上設(shè)置有豎直安裝面；一維柔性平臺(tái)安裝在豎直安裝面上；一維柔性平臺(tái)上設(shè)有用于安裝套筒座的安裝部；套筒座通過半導(dǎo)體制冷器安裝在安裝部上；柔性鉸鏈上鉸接有懸臂，柔性鉸鏈上還安裝有用于推動(dòng)懸臂繞鉸鏈水平擺動(dòng)的PZT；反射鏡座固定在懸臂的末端，反射鏡座上部懸臂狀的設(shè)置有反射鏡安裝部。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍無跳模調(diào)頻。
【專利說明】
一種L i ttman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，沒特別涉及一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半 導(dǎo)體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有線寬窄、波長可調(diào)諧、體積小等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)激光 器，可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器通過外延展諧振腔和激光器內(nèi)腔匹配，實(shí)現(xiàn)波長連續(xù)無跳模 調(diào)諧，在精密測(cè)量，原子物理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。尤其在大尺寸裝配領(lǐng)域，激光測(cè)距 技術(shù)成為裝配過程空間位姿檢測(cè)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。給予可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的光頻掃描干 涉測(cè)距（requency scannedinterferometry，F(xiàn)SI)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌絕對(duì)距離測(cè)量，是一種 更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大尺寸測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)代測(cè)距系統(tǒng)。
[0003] 現(xiàn)有的可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有Littrow型和Littman型兩種，Littrow型外腔結(jié) 構(gòu)的激光輸出方向隨光頻調(diào)諧改變而改變，在精密測(cè)量領(lǐng)域使用困難，而Littman型外腔結(jié) 構(gòu)能保證激光輸出光頻方向保持不變，且能獲得更窄線寬，更適合為精密測(cè)量領(lǐng)域提供光 源?，F(xiàn)有Littman型外腔可調(diào)諧激光器存在調(diào)諧范圍小，調(diào)諧緩慢和鍍?cè)鐾改ぴ靸r(jià)高昂等缺 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，以解決上述技 術(shù)問題;本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，無需增透膜，能獲得較大無跳模調(diào)諧范圍。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，包括底座、支撐底座、光路調(diào)整附件、 光柵座、反射鏡座、套筒座、一維柔性平臺(tái)和柔性鉸鏈;支撐底座固定在水平設(shè)置的底座上； 支撐底座包括底板和懸臂設(shè)置在底板上的支撐臺(tái)；光路調(diào)整附件、光柵座和柔性鉸鏈固定 在底板上;支撐臺(tái)上設(shè)置有豎直安裝面;一維柔性平臺(tái)安裝在豎直安裝面上;一維柔性平臺(tái) 上設(shè)有用于安裝套筒座的安裝部;套筒座通過半導(dǎo)體制冷器安裝在安裝部上;柔性鉸鏈上 鉸接有懸臂，柔性鉸鏈上還安裝有用于推動(dòng)懸臂繞鉸鏈水平擺動(dòng)的PZT;反射鏡座固定在懸 臂的末端，反射鏡座上部懸臂狀的設(shè)置有反射鏡安裝部。
[0007] 進(jìn)一步的，反射鏡座的底部設(shè)有一個(gè)第一凹陷，第一凹陷下部對(duì)應(yīng)第一凹陷處設(shè) 有一個(gè)第二凹陷;第一凹陷和第二凹陷中設(shè)有一對(duì)磁鐵，該對(duì)磁體的同極相對(duì)設(shè)置。
[0008] 進(jìn)一步的，反射鏡座和懸臂采用相同材料一體成型制成。
[0009] 進(jìn)一步的，反射鏡座通過螺栓固定在懸臂上。
[0010] 進(jìn)一步的，支撐底座通過隔震墊固定在水平設(shè)置的底座上。
[0011] 進(jìn)一步的，支撐臺(tái)頂面安裝有壓板，用于限制一維柔性平臺(tái)的豎直位置;套筒座上 安裝有套筒蓋。
[0012] 進(jìn)一步的，光路調(diào)整附件上安裝有反光鏡;光柵座上設(shè)置有光柵，反射鏡安裝部中 安裝有反射鏡，套筒座中設(shè)置半導(dǎo)體激光二極管。
[0013] 進(jìn)一步的，半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出激光入射光柵的角度為70°;光柵法向方向與反 射鏡法向方向之間的夾角為28.249201°。
[0014] 進(jìn)一步的，還包括第一粗調(diào)附件和第二粗調(diào)附件;第一粗調(diào)附件包括安裝在豎直 安裝面的固定部和設(shè)置于固定部上的粗調(diào)旋鈕;使用時(shí)，將第二粗調(diào)附件固定在一維柔性 平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕，粗調(diào)旋鈕帶動(dòng)伸出固定部的頂桿頂在第二粗調(diào)附件上，進(jìn)一步旋轉(zhuǎn) 粗調(diào)旋鈕推動(dòng)整個(gè)一維柔性平臺(tái)在豎直安裝面上平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管位置的粗 調(diào)，當(dāng)確定大致位置后，拆除第一粗調(diào)附件和第二粗調(diào)附件;然后在一維柔性平臺(tái)后端面安 裝細(xì)調(diào)旋鈕，細(xì)調(diào)旋鈕連接一維柔性平臺(tái)內(nèi)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)細(xì)條旋鈕通過絲杠 螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)安裝部帶著半導(dǎo)體激光二極管相對(duì)于一維柔性平臺(tái)進(jìn)行微調(diào);精確調(diào)節(jié)半導(dǎo) 體激光二極管后端面位置，使半導(dǎo)體激光二極管后端面、光柵平面、反射鏡平面相交于一 點(diǎn)。
[0015] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1)采用星形結(jié)構(gòu)柔性鉸鏈，不存在裝配誤差，響應(yīng)速度快，無需外部提供回復(fù)力， 軸心漂移在2μπι以下。配合壓電陶瓷(PZT)作為動(dòng)力源，裝配處采用倒三角結(jié)構(gòu)，保證PZT延 直線伸縮，在柔性鉸鏈底部設(shè)計(jì)方槽，可以安裝微型傳感器如RSW108型力傳感器，便于實(shí)時(shí) 測(cè)量ΡΖΤ力的變化。
[0017] 2)滿足激光器散熱要求前提下極大地減小了體積，設(shè)計(jì)黃銅套筒蓋套筒座加持本 裝有半導(dǎo)體激光二極管的套筒。在套筒底部安置TEC，將二極管的熱量搬運(yùn)至一維柔性平 臺(tái)。
[0018] 3)結(jié)構(gòu)上保證實(shí)現(xiàn)大范圍無跳模調(diào)諧，在之前基礎(chǔ)上優(yōu)化了角度，具體方案是使 激光二極管后端面，光柵平面，反射鏡平面相交于一點(diǎn)，由于反射鏡座與柔性鉸鏈相連，柔 性鉸鏈固定不動(dòng)，反射鏡位置在裝配過程中無法改變，光柵座相對(duì)于激光起底座固定不動(dòng)。 將光柵平面與反射鏡平面的焦點(diǎn)作為柔性鉸鏈軸心。在第一粗調(diào)附件上裝有粗調(diào)旋鈕，通 過推動(dòng)裝有第二粗調(diào)附件的一維柔性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位置粗調(diào)，當(dāng)確定大致位置后，拆除粗條附 件，在一維柔性平臺(tái)后端面安裝細(xì)調(diào)旋鈕，使二極管散熱結(jié)構(gòu)相對(duì)一維柔性平臺(tái)發(fā)生位移。 精確調(diào)節(jié)二極管后端面位置。光柵座與反射鏡座構(gòu)設(shè)計(jì)成可實(shí)現(xiàn)多角度多方位微調(diào)。
[0019] 4)增加磁隔震機(jī)構(gòu)，在反射鏡座和激光器底座預(yù)留出孔槽，可以安裝直徑10mm，高 度3mm的標(biāo)準(zhǔn)磁鐵。鑒于反射鏡座和激光器底座之間的距離，上下最多可以各自安裝兩顆， 調(diào)節(jié)磁性強(qiáng)度。
[0020] 5)設(shè)計(jì)電渦流傳感器夾具，集成到激光器上，用以測(cè)量激光器外腔工作時(shí)柔性鉸 鏈位移的變化，和2)中柔性鉸鏈的改進(jìn)一起用來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制激光器同步調(diào)諧，使激光器 調(diào)諧范圍增加。
[0021] 本發(fā)明采用價(jià)格低廉的二極管光源，無增透膜，降低激光器成本;縮小優(yōu)化散熱結(jié) 構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)較好散熱效果，保持溫度長時(shí)間穩(wěn)定的同時(shí)減小激光器體積;優(yōu)化外腔結(jié)構(gòu)，實(shí) 現(xiàn)大范圍無跳模調(diào)頻。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明激光器整體結(jié)構(gòu)裝配圖；
[0023] 圖2本發(fā)明激光器裝配示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明散熱結(jié)構(gòu)與激光器內(nèi)腔位置粗調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明散熱結(jié)構(gòu)與激光器內(nèi)腔位置細(xì)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖5(a)至圖5(d)為本發(fā)明柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)與光路核心附件示意圖；
[0027] 圖6為柔性鉸鏈臂磁隔震部分示意圖；
[0028]圖7為傳感器夾具示意圖；
[0029] 圖8為Littman型ECDL結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030] 圖9為反射鏡座和懸臂的一體式結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 請(qǐng)參閱圖1至圖8所示，本發(fā)明一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，包括底 座1、隔震墊2、支撐底座3、光路調(diào)整附件4、反光鏡5、光柵座6、電渦流傳感器底座7、反射鏡 座8、套筒蓋9、套筒座10、第一粗調(diào)附件11、第二粗調(diào)附件12、壓板13、一維柔性平臺(tái)14、半導(dǎo) 體制冷器15和柔性鉸鏈16。
[0032] 支撐底座3通過隔震墊2固定在水平設(shè)置的底座1上;支撐底座3包括底板31和懸臂 設(shè)置在底板31上的支撐臺(tái)32。光路調(diào)整附件4、光柵座6和柔性鉸鏈16固定在底板31上。
[0033] 支撐臺(tái)32上設(shè)置有豎直安裝面320; -維柔性平臺(tái)14安裝在豎直安裝面320上，支 撐臺(tái)32頂面安裝有壓板13,用于限制一維柔性平臺(tái)14的豎直位置。一維柔性平臺(tái)14上設(shè)有 用于安裝套筒座10的安裝部140。套筒座10上安裝有套筒蓋9;套筒座10通過半導(dǎo)體制冷器 15安裝在安裝部140上。
[0034] 光路調(diào)整附件4上安裝有反光鏡5。柔性鉸鏈16上鉸接有懸臂160,柔性鉸鏈16上還 安裝有用于推動(dòng)懸臂160繞鉸鏈水平微擺動(dòng)的PZT。反射鏡座8通過螺栓固定在懸臂160的末 端，反射鏡座8上部懸臂狀的設(shè)置有反射鏡安裝部80;反射鏡座8的底部設(shè)有一個(gè)第一凹陷 81，隔震墊2上對(duì)應(yīng)第一凹陷設(shè)有一個(gè)第二凹陷20;第一凹陷和第二凹陷中設(shè)有一對(duì)磁鐵， 該對(duì)磁體的同極相對(duì)設(shè)置;通過懸臂狀的設(shè)置反射鏡安裝部80,以及一對(duì)磁鐵的使用，使得 安裝在反射鏡安裝部80中的反射鏡收到外界振動(dòng)的干擾盡可能的小，起到良好的隔振作 用。請(qǐng)參閱圖9所示，反射鏡座8和懸臂160可以采用相同材料一體成型制成，這樣可以避免 運(yùn)動(dòng)過程中螺絲松動(dòng)，影響精度，同時(shí)可以提升工作部分的共振頻率，削弱了低共振頻率導(dǎo) 致的頻率噪聲。
[0035]光柵座6上設(shè)置有光柵，反射鏡安裝部80中安裝有反射鏡，套筒座10中設(shè)置半導(dǎo)體 激光二極管。反射鏡座8的后部設(shè)有電渦流傳感器底座7,電渦流傳感器底座7中安裝有正對(duì) 反射鏡座8的電渦流傳感器。
[0036] 第一粗調(diào)附件11包括安裝在豎直安裝面320的固定部和設(shè)置于固定部上的粗調(diào)旋 鈕18。
[0037] 本發(fā)明使用時(shí)，將第二粗調(diào)附件12固定在一維柔性平臺(tái)14,旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕18,粗調(diào) 旋鈕18帶動(dòng)伸出固定部的頂桿頂在第二粗調(diào)附件12上，進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕18推動(dòng)整個(gè)一 維柔性平臺(tái)14在豎直安裝面320上平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管位置的粗調(diào)，當(dāng)確定大致位 置后，拆除第一粗調(diào)附件11和第二粗調(diào)附件12,在一維柔性平臺(tái)14后端面安裝細(xì)調(diào)旋鈕19， 細(xì)條旋鈕19連接一維柔性平臺(tái)14內(nèi)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)細(xì)調(diào)旋鈕19能夠驅(qū)動(dòng)安裝部 140帶著半導(dǎo)體激光二極管相對(duì)于一維柔性平臺(tái)14的微調(diào);精確調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光二極管后 端面位置，使半導(dǎo)體激光二極管后端面、光柵平面、反射鏡平面相交于一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大范圍無 跳模調(diào)諧。
[0038] Littman型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖8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；圖中，Φ為入射光與光柵法線的夾角；Θ為一級(jí)衍射光與光柵法線的夾角;L為轉(zhuǎn)軸點(diǎn)與 衍射點(diǎn)之間的距離;U為等效內(nèi)腔長度;等效外腔長度L 2可以表示為L:=L (simp+sinG )。
[0039]
[0040] 其中，λ〇為中心波長;c為光速;Λλ為波長改變量;Af為頻率改變量。
[0041 ] 對(duì)于785nm波段，調(diào)諧100GHz相當(dāng)于
[0042]
[0043] 光柵方程:d(sin0 + sincp) = Ι?λ:
[0044] d為光柵常數(shù)，與光柵刻線數(shù)互為倒數(shù)，φ為入射角，Θ為衍射角，k為第k級(jí)衍射。
[0045] 對(duì)于785波段，一級(jí)衍射光，光柵常數(shù)為^mm，該方程可表示為：
[0046] sin0 + sincp = 1.413
[0047] 在保證外腔長度盡可能小，各部件不會(huì)發(fā)生干涉的情況下，經(jīng)計(jì)算得最佳入射角 度Φ為70°。
[0048] sin9 = 1.413-sin70 = 0.473307
[0049] θ = 28.249201
[0050] 當(dāng)θ = 28.249201°時(shí)，在1800刻線光柵條件下，既能滿足實(shí)際工作時(shí)激光二極管結(jié) 構(gòu)與反射鏡尺寸關(guān)系，又能滿足激光器體積盡可能小的要求，同時(shí)使得光柵照射刻線盡可 能多，從而增加外腔的反饋?zhàn)饔谩?br>【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，包括底座（I)、支撐底座 (3)、光路調(diào)整附件(4)、光柵座(6)、反射鏡座(8)、套筒座（10)、一維柔性平臺(tái)（14)和柔性鉸 鏈(16); 支撐底座固定在水平設(shè)置的底座（1)上;支撐底座包括底板(31)和懸臂設(shè)置在底板上 的支撐臺(tái)（32);光路調(diào)整附件、光柵座和柔性鉸鏈固定在底板上； 支撐臺(tái)上設(shè)置有豎直安裝面(320); -維柔性平臺(tái)安裝在豎直安裝面上;一維柔性平臺(tái) 上設(shè)有用于安裝套筒座的安裝部（140);套筒座通過半導(dǎo)體制冷器（15)安裝在安裝部（140) 上； 柔性鉸鏈上鉸接有懸臂（160)，柔性鉸鏈上還安裝有用于推動(dòng)懸臂繞鉸鏈水平擺動(dòng)的 PZT;反射鏡座固定在懸臂的末端，反射鏡座上部懸臂狀的設(shè)置有反射鏡安裝部(80)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，反 射鏡座的底部設(shè)有一個(gè)第一凹陷（81)，第一凹陷下部對(duì)應(yīng)第一凹陷處設(shè)有一個(gè)第二凹陷 (20);第一凹陷和第二凹陷中設(shè)有一對(duì)磁鐵，該對(duì)磁體的同極相對(duì)設(shè)置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，反 射鏡座(8)和懸臂（160)采用相同材料一體成型制成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，反 射鏡座(8)通過螺栓固定在懸臂（160)上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，支 撐底座通過隔震墊固定在水平設(shè)置的底座上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，支 撐臺(tái)頂面安裝有壓板，用于限制一維柔性平臺(tái)的豎直位置;套筒座上安裝有套筒蓋。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，光 路調(diào)整附件上安裝有反光鏡(5);光柵座(6)上設(shè)置有光柵，反射鏡安裝部(80)中安裝有反 射鏡，套筒座(10)中設(shè)置半導(dǎo)體激光二極管。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，半 導(dǎo)體激光二極管發(fā)出激光入射光柵的角度為70°;光柵法向方向與反射鏡法向方向之間的 夾角為28.249201°。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，還 包括第一粗調(diào)附件（11)和第二粗調(diào)附件（12);第一粗調(diào)附件包括安裝在豎直安裝面的固定 部和設(shè)置于固定部上的粗調(diào)旋鈕(18);使用時(shí)，將第二粗調(diào)附件固定在一維柔性平臺(tái)上，旋 轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕，粗調(diào)旋鈕帶動(dòng)伸出固定部的頂桿頂在第二粗調(diào)附件上，進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕 推動(dòng)整個(gè)一維柔性平臺(tái)在豎直安裝面上平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管位置的粗調(diào)，當(dāng)確定 大致位置后，拆除第一粗調(diào)附件和第二粗調(diào)附件;然后在一維柔性平臺(tái)后端面安裝細(xì)調(diào)旋 鈕（19)，細(xì)調(diào)旋鈕連接一維柔性平臺(tái)內(nèi)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)細(xì)條旋鈕通過絲杠螺母 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)安裝部帶著半導(dǎo)體激光二極管相對(duì)于一維柔性平臺(tái)進(jìn)行微調(diào);精確調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激 光二極管后端面位置，使半導(dǎo)體激光二極管后端面、光柵平面、反射鏡平面相交于一點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H01S5/14GK105932541SQ201610416369
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】劉志剛, 步明繁, 張為波, 張萌, 朱裕
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)