阅读说明：本技术 一种用于Littman结构的激光器腔体 (Laser cavity for Littman structure ) 是由 孙庆旭 朱兴邦 刘超 韩忠 朱云波 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于Littman结构的激光器腔体,设置在腔体内的半导体增益芯片、固定设置在底座上的耦合镜和光栅,以及通过补偿单元固定到底座上的反射镜；腔体的腔长为Ld,补偿单元的长度为Ls,腔体在底座上的长度为Lb；当温度上升,底座膨胀,Lb增加,同时,补偿单元受到温度的影响,补偿单元的长度Ls也增加,抵消腔体腔长Ld的变化。采用本发明的技术方案：1、补偿单元安装于反射镜后,通过补偿单元的伸长及回缩实现腔体长度的补偿。2、补偿单元采用温度敏感材料,随温度的变化自身伸长或回缩,实现腔体长度的被动式补偿。(The invention provides a laser cavity for a Littman structure, which comprises a semiconductor gain chip arranged in the cavity, a coupling mirror and a grating which are fixedly arranged on a base, and a reflecting mirror which is fixed on the base through a compensation unit; the length of the cavity is Ld, the length of the compensation unit is Ls, and the length of the cavity on the base is Lb; when the temperature rises, the base expands, Lb increases, and meanwhile, the length Ls of the compensation unit also increases under the influence of the temperature, so that the change of the cavity length Ld of the cavity is counteracted. The technical scheme adopted by the invention is as follows: 1. the compensation unit is arranged behind the reflector, and the length of the cavity is compensated through the extension and retraction of the compensation unit. 2. The compensation unit adopts temperature sensitive materials, extends or retracts along with the change of temperature, and realizes the passive compensation of the length of the cavity.)

一种用于Littman结构的激光器腔体

技术领域

本发明属于激光器腔体结构技术领域，涉及一种用于Littman结构的激光器腔体。

背景技术

littman结构是外腔激光器一种经典的激光器腔体结构，半导体增益芯片发出的光经透镜准直到光栅表面,经光栅选膜,将1级衍射光线按原路反馈回激光器有源区,使选出的模式在激光器内腔中的增益得到放大从而在模式竞争中获得优势,最后作为光栅0级衍射光输出出去,通过改变腔长，实现激光调谐输出。腔体作为精密的光学系统，微小的腔长改变则会引起波长的漂移，并可能出现跳模问题，则温度成为不容忽略的一个影响因素，主要表现在以下两个方面：(1)腔体的温度变化引起腔长的改变，出现输出光波长的漂移，甚至出现输出光模式的跳变。(2)腔体温度出现梯度，腔体结构件产生形变，影响可调谐激光光源的调谐范围。

在实际工程应用中，典型的littman结构的外腔半导体激光器如图1所示，图1中，包括：反射镜1，光栅2，半导体增益芯片3，耦合镜4，半透半反膜5。半导体增益芯片产生自发辐射光，入射到光栅上，产生衍射，零级衍射光输出，作为激光输出，或者用于信号检测；一级衍射光通过反射镜反射，反射光通过光栅回馈到增益介质中，产生激光振荡，形成光放大，获取激光。激光输出可以通过零级反射光或者通过半导体激光芯片一端的半透半反膜耦合输出。反射镜、半透半反膜和光栅之间的光回路形成复合腔体，该腔体会产生纵模，激光在腔体中的模式满足驻波方程：q×λ＝2L。其中q为单纵模的模式数，为整数；λ为激光的波长；L为复合腔的光学腔长。为了实现激光的连续无跳模调谐，要求驻波方程中q为常数，光栅平面的延伸线和反射镜平面的延伸线相交于一点，当反射镜在位移机构的驱动下以光栅平面的延伸线和反射镜平面的延伸线相交点为原点转动，即可实现转动和平动同时进行，实现无跳模调谐。作为精密的光学系统，在外界温度发生变化时，腔体由于热胀冷缩会出现形变，导致腔体输出激光的光谱特性，调谐范围和可靠性都受到影响。温度变化对于腔体有两个方面的影响，1、腔体的温度变化出现波长的漂移；2、腔体温度出现梯度，腔体结构件产生形变，影响可调谐激光光源的调谐范围。要想获得稳定的激光输出，必须对腔体的温度进行有效控制。

与本发明比较类似的为名称为“一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法”的专利(公开号为CN 111854813 A)，其发明的非本征F-P腔如图2所示，图2中，蓝宝石膜片1，二氧化硅基座2，真空腔3，蓝宝石柱片4，二氧化硅侧壁5，二氧化硅底座6。当温度上升时，真空腔3受热膨胀导致体积增大，二氧化硅侧壁5拉长，并向外延展，真空腔3内的蓝宝石柱片4也向内膨胀，从而在一定范围内可以抵消由于温度带来的反射光的光程变化，当温度降低时同理。该发明增强了非本征F-P腔的应用温度范围，降低了成本，大大减小了光学调解部分的工作量。

现有技术一般采用主动温度控制，使用主动制冷和制热装置，采取温度反馈控制的方法对整个腔体进行主动温控，主要有以下缺点：(1)主动温度控制需要制冷、制热装置及相关驱动电路，为实现温度的反馈控制，还需要增加温度检测装置，结构复杂，实现的成本高。(2)主动的温度控制需要软硬件配合，算法复杂，实现难度较大。

发明内容

针对对于以上问题，本发明提出采用一种被动式腔体温度补偿方法，能够有效解决以上问题。

本发明的技术方案如下：一种用于Littman结构的激光器腔体，包括：设置在腔体内的半导体增益芯片、固定设置在底座上的耦合镜和光栅，以及通过补偿单元固定到底座上的反射镜；腔体的腔长为Ld，补偿单元的长度为Ls，腔体在底座上的长度为Lb；当温度上升，底座膨胀，Lb增加，同时，补偿单元受到温度的影响，补偿单元的长度Ls也增加，抵消腔体腔长Ld的变化。

上述中，所述补偿单元需选择合适的热膨胀系数的材料，以及长度，所述热膨胀系数的材料的选择与腔体在底座上的长度及底座材料的热膨胀系数相关，即腔体在底座上的长度为Lb，补偿单元的长度为Ls，底座的热膨胀系数为ɑb，补偿单元的热膨胀系数ɑs，补偿单元的选择需满足等式Ls×ɑs＝Lb×ɑb。

上述中，通过补偿单元的温度补偿，用于腔体的温度稳定性；腔体的腔长为Ld，补偿单元的长度为Ls，腔体在底座上的长度为Lb，底座的膨胀系数为ɑb，补偿单元的热膨胀系数为ɑs；当环境温度变化量为ΔT时，由于热胀冷缩，腔体在底座上的长度变化量ΔL＝ΔT×Lb×ɑb；半导体增益芯片、耦合镜、光栅、反射镜均固定在底座之上，则腔长Ld的变化量也为ΔL，补偿单元由于热胀冷缩同样发生形变位移并且满足ΔT×Ls×ɑs＝ΔL，此时底座热胀冷缩引起的腔长变化量被补偿单元热胀冷缩产生的位移变化量抵消，保持了腔长的稳定，进而保证了输出激光波长的稳定性。

采用本发明的技术方案：1、补偿单元安装于反射镜后，通过补偿单元的伸长及回缩实现腔体长度的补偿。2、补偿单元采用温度敏感材料，随温度的变化自身伸长或回缩，实现腔体长度的被动式补偿。3、本发明利用补偿材料的热胀冷缩实现了腔体的被动式温度补偿，结构简单，易于实现4、本发明相对于主动式温度补偿方案成本低。

附图说明

图1为现有技术中littman外腔结构示意图。

图2为现有技术中非本征F-P腔结构示意图。

图3为本发明外腔体激光器的芯片结构示意图。

图3中，1-补偿单元，2-反射镜，3-光栅，4-耦合镜，5-半导体增益芯片，6-腔体底座。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图3所示，本发明的一个实施例是，提供一种采用被动式温度补偿腔体，通过补偿单元，抵消温度引起的腔体形变，补偿温度引起的腔长变化，保证腔体的温度可靠性。一种用于Littman结构的激光器腔体，包括设置在腔体内的半导体增益芯片、固定设置在底座上的耦合镜和光栅，以及通过补偿单元固定到底座上的反射镜；本发明被动式温度补偿腔体的采用补偿元件，抵消温度引起的腔体形变。具体如图3所示，腔体的半导体增益芯片5、耦合镜4和光栅3直接固定在底座上，反射镜2通过补偿单元1固定到底座上。腔体的腔长为Ld(忽略不同器件的折射率差异)，补偿单元的长度为Ls(忽略反射镜和补偿材料的折射率差异)，整个腔体在底座上的长度为Lb，底座的膨胀系数为ɑb，补偿单元的热膨胀系数为ɑs。当环境温度发生变化时，设其变化量为ΔT，底座由于热胀冷缩发生膨胀或收缩，即Lb发生变化，设其变化量为ΔL，此时满足等式ΔL＝ΔT×Lb×ɑb；由于半导体增益芯片、耦合镜、光栅、反射镜均固定在底座之上，则腔长Ld的变化量也为ΔL；同时，补偿单元也受到温度的影响，Ls也发生改变，当补偿单元的位移变化量满足等式ΔT×Ls×ɑs＝ΔL时，即补偿单元的位移变化量与腔长变化量相等，则补偿单元的形变抵消了腔长Ld的变化，此时补偿单元被动式的位移补偿保证了腔长的温度稳定性，进而保证了输出激光波长的稳定性。补偿单元需选择合适的热膨胀系数的材料及其长度，与底座材料的热膨胀系数及其长度直接相关，需满足等式Ls×ɑs＝Lb×ɑb，则可以完全抵消温度对于腔长的影响，保证腔长Ld不变。因此，本发明通过补偿单元的被动式温度补偿，可以保证腔体的温度稳定性。

采用本发明的技术方案：1、补偿单元安装于反射镜后，通过补偿单元的伸长及回缩实现腔体长度的补偿。2、补偿单元采用温度敏感材料，随温度的变化自身伸长或回缩，实现腔体长度的被动式补偿。3、本发明利用补偿材料的热胀冷缩实现了腔体的被动式温度补偿，结构简单，易于实现4、本发明相对于主动式温度补偿方案成本低。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。