光栅在半导体激光器中的作用

激光器的设计与制作-----半导体激光技术首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多纵模的，其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现在其单模上，因此要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需解决一个问题，就是从多模中提取单模。其次，基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用,对激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约6MHz，因此要想激光的线宽低于MHz量级，需要对其线宽进行压窄。怎么办？？？问题：发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。外部光反馈：在半导体激光器之外附加了外反馈元件后，将加大各个模式之间的损耗差别，外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极管的发光区，相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗差比中心处的大很多，因此，通过增益饱和模式竞争,将只允许反馈范围内的模式存在，而其他波长处的模式被抑制。外腔半导体激光器：是在半导体激光器(激光二极管)的外部引入外反馈元件构成的。激光二极管(LD)的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔，内腔还可以称为本征腔；外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔，平面反射镜，光栅，F一P标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈元件。在各种外反馈元件中，光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。大量相同的狭缝等间隔平行地排列就构成一个光栅。光栅的构造b:缝宽；d:光栅的周期（1）光栅的结构光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer（夫琅禾费）衍射具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，统称光栅。光栅主要作用：分析光谱b:缝宽；d:光栅的周期种类透射光栅，反射光栅。a是透光部分的宽度，b是不透光部分的宽度，光栅常量d=a+b，是光栅的重要参数。（1）光栅的结构光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer（夫琅禾费）衍射光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer（夫琅禾费）衍射QoLPf衍射角光栅的基本原理---光栅的结构及多缝（夫琅禾费）衍射光栅衍射明条纹的必要条件1、考虑多光束干涉每条缝作为一个集体提供一光线进行多光束干涉衍射角为时，相邻两缝间的光程差：由振动叠加规律知，当满足干涉相长，在方向形成明条纹。,2,1,0k衍射角absin)(bakbasin)(光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer（夫琅禾费）衍射满足上面条件时出现干涉明纹此时并未没考虑单缝的衍射影响，得到的明纹强度都相等。.....)2,1,0(sin)(kkbasin0ddd2d2I2.单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正考虑单缝衍射影响后，必须对各级明纹的强度做出修正。f12每条单缝都发生衍射，所以各缝的光强是单缝衍射后的光强。需要注意：两缝衍射强度分布是重合的！条纹位置不变,由多缝干涉决定，但强度受到单缝衍射的调制。3、综合考虑多缝干涉和单缝衍射I单缝衍射轮廓线I光栅中狭缝条数越多，明纹越亮.1条缝2条缝3条缝5条缝6条缝20条缝亮纹的光强02INI：单缝光强）（：狭缝数，N0I光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射当满足时同时满足单缝衍射极小条件：光栅衍射的第k级主明纹与单缝衍射k´级暗纹重合，k级主明纹不会出现，称为缺级现象。k和k´的关系为：四、缺级kbasin)(.....2,1'2'2sinkka两整数之比时，缺级即：光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射缺缺缺缺765432101234567Osina2aa2aIabab3a1ab五、条纹特点满足光栅方程出现的明纹称为主极大，光栅方程是主极大的必要条件，但不是充分条件（存在缺级）。主极大位置sin=0，(/d)，2(/d)，…和缝数无关亮度：单缝衍射和多缝干涉的总效果。——光栅方程1、主极大k=0称为中央明纹.....)2,1,0(sin)(kkba可以证明：在两个相邻主极大之间有N-1个暗纹。2、极小在N很大时，光栅衍射的暗纹和次极大联成一片，几乎无法分辨，形成一个暗区，把主极大衬托的既细又明亮。相邻两极小之间有一个次极大，相邻两主极大间有N-2个次极大；因亮度很小，一般可不计。3、次极大2、主明纹在屏幕上的位置oPfx第k级明纹到中央明纹中心的距离tanfxbak1sinkbasin)(一定，减少，增大．abkk13、明纹间相距和光栅常数、入射波长的关系由光栅方程可得第k级主明纹与第k＋1级主明纹之间的角距离表示：入射光波长一定，光栅常数越小，明纹间相隔越远。ab一定，增大，增大．kk1表示：光栅常数一定，入射光波长越大，明纹间相隔越远。bakksinsin1和在光栅法线同侧时，相邻两缝的光程差光栅公式：4、单色平行光斜入射情况12ABCDP和在光栅法线异侧时，相邻两缝的光程差.......2,1,0k)sin)(sin(ba)sin)(sin(bakba)sin)(sin(入射光为白光时，不同，不同，按波长分开形成光谱.k5、白光入射sin0I一级光谱二级光谱三级光谱.....)2,1,0(sin)(kkba光栅单色器的工作原理输出平行光单缝0级光无色散，探测不同波长的强度，主要利用一级光在衍射光谱中，级数较高的谱线会发生重叠。谱线重叠满足的条件为2211kk6条纹的重叠当波长1的第k1级谱线与波长2的第k2级谱线重叠时，它们有相同的衍射角即1＝2kbasin)(由光栅公式闪耀光栅分为平面反射式闪耀光栅和透射式闪耀光栅。目前光谱仪中的光栅普遍采用平面反射式光栅。反射式光栅由一个衬底上刻上的许多空间规则分布的凹槽组成。相邻的凹槽的间距叫做栅距。闪耀光栅的刻槽面和光栅平面是不平行的，且两者之间有一定的夹角，这个角度被称为闪耀角。这样的话,当一束光入射到闪耀光栅后，每个刻槽面衍射的中央极大值与槽面间干涉零级主极大分开。就这样,光能量从干涉零级主极大转移到某一级光谱上，只有某一个特定波长的光的光栅效率增强，实现了某一级光谱的闪耀。闪耀光栅:i闪耀角N:表示光栅平面法线A为入射光束方向，入射角为B为每个槽面零级衍射光束方向，出射角为N’:表示刻槽面法线闪耀光栅闪耀原理以θ角方向入射时（相对于法线N），相邻槽间程差：sinsinddsinsinddk光栅方程：1级闪耀波长：1级干涉极大在零级衍射中心同样，可以将2、3级干涉极大移在零级衍射中心：iisinsin(2)ddik2sincos()diik2sincos(),2,3...diikk闪耀光栅2sincos()diida闪耀光栅，光谱的其它级都几乎落在单槽衍射的暗线位置形成缺级，这样一来，80%-90%的能量集中到一级光谱上，使其强度大大增加，实现闪耀结论：由上式可知，闪耀波长与光栅闪耀角i，入射角θ光栅常数d及光谱级数k均有关，与其他因素无关。闪耀角i愈大，波长就愈长。当光栅常数d，光栅级数k以及闪耀波长确定后，闪耀光栅的闪耀角就也就能够确定了。此时，当一束光入射到光栅上，入射角θ改变时，衍射角也会发生变化，使不同波长的光实现闪耀。2sincos()diik光栅调谐激光器波长的原理入射角为45-50度时，光栅的几组一级闪耀波长与光栅空间频率的关系光栅在半导体激光器中的作用外腔对半导体激光器的选模通过调整闪耀光栅,将一级衍射光反馈回半导体激光器的有源区,这样就会加大激光器各个模式之间的损耗差别,使特定波长范围队的光增益大于损耗,其他波段的光被抑制掉了,实现了对外腔半导体激光器模式的选择。外反馈元件光栅对半导体激光器的选模原理如下图所示。在某种特定的条件下,可以通过复合腔的模式竞争,只有单一模式的模式存在,可以实现外腔半导体激光器的单模输出,如图(e)所示。(a)外腔半导体激光器的增益与损耗曲线(b)没有加入外腔反馈时,本征腔模谱(c)外腔与内腔构成的复合腔的模谱(d)加入外腔反馈时,外腔与内腔构成的复合腔的模谱根据光栅反馈的不同构型又可分为Littrow和Littman两种方式：在Littrow方式中，经光栅衍射后产生的一级衍射光直接沿入射光路反馈回激光器，零级光作为输出光。Littman方式中，经光栅衍射后产生的一级衍射光先投射到一个反射镜上，由反射镜原路反射回光栅，产生第二次衍射使一级衍射光反馈回激光器。在Littrow方式中，经光栅衍射后产生的一级衍射光直接沿入射光路反馈回激光器，零级光作为输出光。所以我们可以通过改变光栅角度来使不同波长的光反馈回激光二极管。结构简单，调节更容易，可以满足线宽要求，功率输出更大。缺点：出射光方向会变Littman型外腔半导体激光器通过平动平面反射镜来改变外腔的腔长，同时，使平面反射镜绕轴转动来以改变入射到闪耀光栅的激光波长。在Littman型外腔结构中，半导体激光器发射的光掠入射到到光栅，那么在光栅常数固定的情况下，光束能够覆盖更多的光栅刻线，就可以得到比Littrow结构更窄的谱线宽度。缺点：功率损耗大。Littrow和Littman两种结构半导体激光器的优缺点：Littman结构半导体激光器的功率损耗：光束的入射角过大会导致光栅衍射效率的下降，而且，Littman结构加大了腔内损耗。故在相同的工作条件下，Littman结构输出功率要比Littrow结构小很多。Littrow和Littman两种结构半导体激光器的参数对比：光栅反馈外腔激光器整体结构半导体激光器的整体结构框图光栅反馈外腔激光器机械结构光栅反馈外腔激光器结构设计核心元件半导体激光二极管温控仪电流源准直透镜准直套筒压电驱动器光栅波长计功率计半导体激光二极管光栅反馈外腔激光器的制作过程粗调：1,二极管的安装：将激光二极管装在一个由半导体制冷器控温的热沉上，其温度由热敏电阻测量，激光器的工作温度由控温电路控制。2，空间整形：激光二极管出射的是椭圆形发散的光束，因此需要用准直透镜来改善光束的截面形状，减少边缘发散光。激光器输出光经由一个直径为10mm、焦距4.5mm的准直透镜准直，仔细调整，使光斑大小在3米以内基本保持不变形，光斑为一长条形，使光斑长边方向基本位于水平方向，此时激光光束为垂直偏振，并在水平面传播。3，光栅调节：二极管输出的光入射到光栅上，使光斑位于光栅的中央部分。光栅安装在光栅架上，同时压电陶瓷安装在光栅架的调节螺丝和光栅架的活动内表面之间，压电陶瓷根据高压直流放大器加在它上面的电压的大小，产生不同大小的形变，从而带动光栅在轴向上转动，改变光栅角度，达到调节输出激光频率的目的。一级衍射和入射光重合：光栅是倾斜着安装的，其刻线方向为竖直方向，经过光栅的零级衍射输出，而一级衍射反馈回激光器内，有效的外腔长度约为40mm。调节光栅反馈的关键是使一级衍射光沿着入射光的路径原路反馈回激光二极管。在激光器工作电流为70mA左右时，在准直透镜与光栅之间靠近准直透镜的地方放一小孔光阑，使用红外View观测光阑确认小孔位置大约在光斑的中心，然后将红外View再放置到光阑的另一面观测由光栅衍射回来的一级衍射光在光阑上呈现的小光点是否与激光束透过小孔呈现的小光点重合。通过调节基板上的两个螺钉来调节光栅的俯仰，使两个小光点重合，也就是光栅反馈的一级衍射和入射光重合。在这个过程中，应保证两个调节螺丝在两个方向上都还有调节余量。当两个小光点重合后，就可以取走小孔光阑。光栅反馈外腔激光器的制作过程细调：一级衍射和入射光重合细调：激光器的工作电流降低，探测光的输出光强会降的很低，这表示激光器的注入电流低于阈值(约25mA)。微调光栅的俯仰，使一级衍射光在垂直平面上来回在微小移动。我们可以看到在适当的调节位置时观测屏上的光强突然增大。这表明，一