一种无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器。

背景技术

外腔半导体激光器具有可调谐范围宽、线宽窄、波长覆盖范围大等优点，并在原子物理、激光光谱、量子精密测量、光通信等方面都有着广泛的应用。外腔半导体激光器将谐振腔延伸至激光管外部，利用光学反馈元件实现外部光谐振；谐振腔腔长的极大增加，有效地压窄了激光线宽。现有的光栅外腔半导体激光器，通过微调外腔光栅，大范围地改变激光的中心波长。但是光栅外腔半导体激光器的波长调节程序比较繁琐，容易跳模；还会改变激光的输出角度，导致后续光路发生变化；且其对机械稳定性的要求较高，不适用可搬运的场景。

猫眼半导体激光器具有较低的成本和较高的稳定性。猫眼透镜的加入，使猫眼半导体激光器可以进行大范围的调谐，而不影响输出激光的光路指向。同时，猫眼半导体激光器具有对光路偏移不敏感、机械与热稳定性好的特点。但是，现有的猫眼半导体激光器存在容易跳模的缺点。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器。

一种无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器，包括激光准直滤光结构和猫眼调谐结构；所述激光准直滤光结构用于发射特定波长范围的平行激光；所述猫眼调谐结构用于对所述激光准直滤光结构发射的平行激光进行调谐，输出特定频率的平行激光；

所述猫眼调谐结构包括：直线导轨、压电陶瓷、猫眼透镜安装座、猫眼透镜、部分反射镜和准直输出透镜；所述压电陶瓷和猫眼透镜安装座均安装在所述直线导轨上；所述猫眼透镜安装座通过所述压电陶瓷与所述直线导轨的一端固定；所述压电陶瓷的长度变化，使所述猫眼透镜安装座相对所述直线导轨滑动；

所述猫眼透镜、部分反射镜和准直输出透镜的相对位置固定，均安装在所述猫眼透镜安装座上；所述猫眼透镜会聚所述特定波长范围的平行激光，聚焦点位于所述部分反射镜上；所述准直输出透镜对透过所述部分反射镜的会聚激光进行集束整形，输出特定频率的平行激光。

本发明将部分反射镜安装座和准直输出透镜安装座都固定安装在猫眼透镜安装座上，通过调节猫眼透镜安装座的位置来调节腔长，从而避免了直接调节部分反射镜位置所导致的跳模、输出光强抖动等激光器工作不稳定的问题，大大提高了猫眼外腔半导体激光器的稳定性。

进一步地，所述激光准直滤光结构包括：激光壳体、激光二极管、准直透镜和窄带滤光片；所述激光壳体包括：主容置部、副容置部和C型连接部；

所述主容置部和副容置部的一端通过所述C型连接部固定连接，另一端分离；所述激光二极管和准直透镜安装在所述主容置部内，所述窄带滤光片安装在所述副容置部内；

所述激光二极管发射分散光；所述准直透镜对所述激光二极管发射的分散光进行集束整形，转化为平行光；所述窄带滤光片对所述平行光进行频率选择，转化为特定波长范围的平行激光；

通过改变所述主容置部和副容置部形成的角度，能够改变所述平行光射入所述窄带滤光片的入射角，进而改变特定波长范围的平行激光的中心频率。

进一步地，所述激光准直滤光结构还包括：精密螺丝；所述主容置部还设有精密螺丝安装孔；所述精密螺丝安装在所述精密螺丝安装孔内，其螺丝端面伸出所述精密螺丝安装孔，抵住所述副容置部。

进一步地，所述激光准直滤光结构还包括：设有管脚定位孔的激光二极管卡环；所述主容置部的远离所述副容置部的侧面设有激光二极管安装孔；所述激光二极管卡环固定安装在所述激光二极管安装孔中；所述激光二极管包括灯珠和管脚；其中灯珠位于所述主容置部的内部，管脚通过所述激光二极管卡环的管脚定位孔伸出所述主容置部。

进一步地，所述激光准直滤光结构还包括：O型环；所述准直透镜安装在所述主容置部中靠近所述副容置部的一侧，通过所述主容置部内设有的内螺纹安装在所述主容置部中；所述O型环固定套设在所述准直透镜的外周，填充了所述准直透镜与所述主容置部内用于固定所述准直透镜的内螺纹之间的空隙。

进一步地，还包括真空系统，所述真空系统包括：真空系统壳体、真空系统盖、窗口镜片；所述真空系统壳体为顶部开放的长方体盒状结构；所述真空系统盖盖设在所述长方体盒状结构的顶部，与所述真空系统壳体一起形成封闭的长方体盒状结构；所述激光准直滤光结构和猫眼调谐结构均安装在所述长方体盒状结构的内部；所述长方体盒状结构的前部设有出光窗口；所述窗口镜片固定安装在所述出口窗口内。

进一步地，所述真空系统还包括：角阀和小型离子泵；所述长方体盒状结构的一个侧面设有角阀安装孔；所述角阀设有顶部出口、底部出口和侧面出口；所述角阀的顶部出口与所述角阀安装孔对接；侧面出口连接所述小型离子泵；底部出口在抽真空时连接外界真空泵，在抽真空完成后密封；在抽真空时，打开所述角阀的底部出口，令真空泵的泵头连接所述底部出口进行抽真空处理；在抽真空完成后，拔出真空泵的泵头，并密封所述底部出口，同时启动所述小型离子泵。

进一步地，所述真空系统还包括：半导体制冷片；所述半导体制冷片的上下表面均涂抹导热硅脂；其下表面接触所述真空系统壳体的底部，上表面接触所述激光准直滤光结构；所述半导体制冷片根据设置在所述激光准直滤光结构内部的热敏电阻所检测到的温度，提供发热或发冷的效果，而维持所述真空系统和激光准直滤光结构的温度。

进一步地，还包括用于防止外界光线进入激光器内部的隔离器；所述长方体盒状结构的前部的底端，延伸出隔离器安装板；所述隔离器安装在所述隔离器安装板上；所述特定频率的激光能够透过所述窗口镜片进入所述隔离器。

进一步地，所述猫眼调谐结构，还包括部分反射镜安装座、准直输出透镜安装座；所述猫眼透镜安装座，包括底座和猫眼透镜安装部；

所述底座的底部安装在所述直线导轨上，顶部设有两排等间距排列的螺纹孔；所述猫眼透镜安装部垂直设置在所述底座远离所述隔离器的一端，与所述底座一起形成“L”型结构；所述猫眼透镜安装部设有猫眼透镜安装口，所述猫眼透镜安装在所述猫眼透镜安装口中；

所述部分反射镜安装座的底部的两端各设有一个槽型孔，两个槽型孔的间距等于所述猫眼透镜安装座的底座的两排螺纹孔的间距；当两个槽型孔分别与两排螺纹孔的其中一对螺纹孔对齐时，令两个螺丝分别穿过一个槽型孔和一个螺纹孔，可以将所述部分反射镜安装座固定安装在所述猫眼透镜安装座的底座的顶部；所述部分反射镜安装座上设有与所述猫眼透镜安装口正对的部分反射镜安装口，所述部分反射镜安装在所述部分反射镜安装口中；

所述准直输出透镜安装座的底部的两端各设有一个槽型孔，两个槽型孔的间距等于所述猫眼透镜安装座的底座的两排螺纹孔的间距；当两个槽型孔分别与两排螺纹孔的其中一对螺纹孔对齐时，令两个螺丝分别穿过一个槽型孔和一个螺纹孔，可以将所述准直输出透镜安装座固定安装在所述猫眼透镜安装座的底座的顶部；所述准直输出透镜安装座上设有与所述部分反射镜安装口正对的准直输出透镜安装口，所述准直输出透镜安装在所述准直输出透镜安装口中

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的整体结构图；

图2为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的真空系统结构示意图；

图3为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的激光准直滤光结构的安装示意图；

图4为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的激光准直滤光结构的爆炸示意图；

图5为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的结构示意图；

图6为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的侧视图；

图7为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的剖视图；

图8为本发明的猫眼外腔半导体激光器的光路示意图。

具体实施方式

发明人在使用现有的猫眼半导体激光器时，发现现有的猫眼半导体激光器在调谐时容易出现激光运行模式突变的现象，显示出调谐不稳定的问题。发明人在探索问题出现的原因时发现：现有的猫眼半导体激光器通过直接调节部分反射镜的前后位置来进行扫频，这种扫频方式在一定程度上破坏了猫眼结构，进而导致猫眼半导体激光器的反馈光强发生变化，最后导致了跳模等工作不稳定的现象。基于上述分析，本发明提供一种无跳模扫描范围广的的猫眼外腔半导体激光器，其具有调谐时不会破坏猫眼结构的优势。

请参阅图1，图1为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的整体结构图。本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器，包括真空系统1、激光准直滤光结构2、猫眼调谐结构3和隔离器4。所述真空系统1用于提供真空环境，以提高猫眼外腔半导体激光器的工作稳定性。所述激光准直滤光结构2和猫眼调谐结构3均安装在所述真空系统1的内部。所述激光准直滤光结构2用于发射特定波长范围的平行激光。所述猫眼调谐结构3用于对所述激光准直滤光结构2发射的平行激光进行调谐，输出特定频率的平行激光。所述猫眼调谐结构3输出的特定频率的激光通过所述隔离器4射出。所述隔离器4用于防止外界光线进入猫眼外腔半导体激光器内部，以进一步提高猫眼外腔半导体激光器的工作稳定性。

具体地，请参阅图2，图2为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的真空系统结构示意图。所述真空系统1包括：真空系统壳体11、真空系统盖12、窗口镜片13、角阀14和小型离子泵15。

所述真空系统壳体11为顶部开放的长方体盒状结构。所述真空系统盖12盖设在所述长方体盒状结构的顶部，与所述真空系统壳体11一起形成封闭的长方体盒状结构。在一个实施例中，所述真空系统壳体11和真空系统盖12通过螺钉连接，其缝隙通过橡胶圈密封。所述长方体盒状结构的前部的底端，延伸出隔离器安装板111；所述隔离器4通过隔离器安装座41安装在所述隔离器安装板111上。所述长方体盒状结构的前部设有出光窗口；所述窗口镜片13通过环氧树脂固定在所述出口窗口内。所述窗口镜片13由透明材料制成，其表面镀有增透膜；所述特定频率的激光能够透过所述窗口镜片13进入所述隔离器4。

进一步地，所述真空系统壳体11的底部设有半导体制冷片(图未示)。所述半导体制冷片的上下表面均涂抹导热硅脂；其下表面接触所述真空系统壳体11的底部，上表面接触所述激光准直滤光结构2。所述半导体制冷片根据设置在所述激光准直滤光结构2内部的热敏电阻所检测到的温度，提供发热或发冷的效果，从而维持所述真空系统1和激光准直滤光结构2的温度，以提高所述猫眼外腔半导体激光器的工作稳定性。

所述长方体盒状结构的一个侧面设有角阀安装孔；所述角阀14通过所述角阀安装孔安装在所述真空系统壳体11的外侧面。所述角阀14设有顶部出口、底部出口和侧面出口。所述角阀14的顶部出口与所述角阀安装孔对接，从而连通所述真空系统1的内部；侧面出口连接所述小型离子泵15；底部出口在抽真空时连接外界真空泵，在抽真空完成后密封。在抽真空时，打开所述角阀14的底部出口，令外界真空泵的泵头连接所述底部出口，以进行抽真空处理；在抽真空完成后，拔出真空泵的泵头，并密封所述底部出口，同时启动所述小型离子泵15，以维持所述真空系统1内的真空环境。

所述长方体盒状结构的另一个侧面设有航插口112，所述猫眼外腔半导体激光器内部的相关导线，通过所述航插口112与外部的控制器相连。

具体地，请参阅图3和图4，图3为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的激光准直滤光结构的安装示意图，图4为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的激光准直滤光结构的爆炸示意图。所述激光准直滤光结构2，包括激光壳体21、激光二极管22、激光二极管卡环23、准直透镜24、O型环25、窄带滤光片26和精密螺丝27。

所述激光壳体21，安装在所述长方体盒状结构内部、远离所述隔离器4的一侧，与所述真空系统壳体11的底部固定连接。所述激光壳体21包括主容置部211、副容置部212和C型连接部213。所述主容置部211和副容置部212的一端通过所述C型连接部213固定连接，另一端分离；即所述主容置部211和副容置部212通过所述C型连接部213形成夹子状结构。所述激光壳体21通过一体成型工艺制造、

所述主容置部211的远离所述副容置部212的侧面设有激光二极管安装孔。所述激光二极管安装孔的内壁设有内螺纹，所述激光二极管卡环23的外圈设有外螺纹，所述激光二极管卡环23通过外螺纹和内螺纹的配合，固定在所述激光二极管安装孔中。所述激光二极管卡环23的中心设有管脚定位孔。所述激光二极管包括灯珠和管脚。所述激光二极管的灯珠安装在所述主容置部211内部，所述管脚通过所述管脚定位孔伸出所述主容置部211的外部。所述激光二极管卡环23的管脚定位孔内设有卡舌，当所述管脚插入所述管脚定位孔时，所述卡舌卡住所述管脚，从而固定住所述激光二极管22。

所述准直透镜24安装在所述主容置部211中靠近所述副容置部212的一侧。在一个实施例中，所述准直透镜24通过所述主容置部211内设有的内螺纹安装在所述主容置部211中。所述O型环25通过环氧树脂固定套设在所述准直透镜24的外周，填充了所述准直透镜24与所述主容置部211内用于固定所述准直透镜24的内螺纹之间的空隙，起到了支撑、增加摩擦力，和防止空隙导致的准直透镜倾斜或振动的作用，从而提高了所述准直透镜24的稳定性。所述主容置部211的靠近所述副容置部212的侧面设有透光口，其位置与所述准直透镜24正对。

所述副容置部212设有与所述准直透镜24的位置正对的窄带滤光片安装口；所述窄带滤光片26安装在所述副容置部212的窄带滤光片安装口中。所述激光二极管22、准直透镜24和窄带滤光片26位于同一条光路上。在一个实施例中，所述窄带滤光片26通过环氧树脂固定在所述副容置部212的窄带滤光片安装口中。

所述激光二极管22发射分散光；所述准直透镜24对所述激光二极管22发射的分散光进行集束整形，转化为平行光；所述窄带滤光片26对所述平行光进行频率选择，转化为特定波长范围的平行激光。所述特定波长范围的平行激光的中心频率λ，由所述平行光射入所述窄带滤光片26的入射角θ决定；具体地，所述特定波长范围的平行激光的中心频率λ与所述平行光射入所述窄带滤光片的入射角θ，满足以下公式：

式中，λ为所述窄带滤光片输出的特定波长范围的平行激光的中心频率，θ为所述平行光射入所述窄带滤光片的入射角，λ

所述主容置部211的与所述副容置部212分离的一端设有精密螺丝安装孔，所述精密螺丝安装孔内设有内螺纹；所述精密螺丝27安装在所述主容置部211的精密螺丝安装孔内；所述精密螺丝27的螺丝端面伸出所述精密螺丝安装孔，抵住所述副容置部212。通过旋转所述精密螺丝27，能够改变螺丝端面伸出所述精密螺丝安装孔的长度，从而改变所述主容置部211和副容置部212分离的一端之间的距离，从而改变所述主容置部211和副容置部212形成的角度。旋转所述精密螺丝27调节所述螺丝端面伸出所述精密螺丝安装孔的长度，既可以通过手动旋转完成，又可以通过由外部控制器发送信号控制的电促动器旋转来完成。

所述平行光射入所述窄带滤光片的入射角θ，由所述准直透镜24与所述窄带滤光片26所形成的角度决定。又因为所述准直透镜安装在所述主容置部211内、所述窄带滤光片26安装在所述副容置部212内，所以所述准直透镜24与所述窄带滤光片26所形成的角度由所述主容置部211和所述副容置部212所形成的角度决定。因此旋转所述精密螺丝，能够改变螺丝端面伸出所述精密螺丝安装孔的长度，从而改变所述主容置部211和副容置部212分离的一端之间的距离，从而改变所述主容置部211和副容置部212形成的角度，从而调节特定波长范围的平行激光的中心频率λ。

具体地，请参阅图5-7，图5为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的结构示意图，图6为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的侧视图，图7为本发明的无跳模扫描范围广的猫眼外腔半导体激光器的猫眼调谐结构的剖视图。所述猫眼调谐结构3，包括直线导轨31、压电陶瓷32、猫眼透镜安装座33、猫眼透镜34、部分反射镜安装座35、部分反射镜36、准直输出透镜安装座37和准直输出透镜38。

所述直线导轨31，安装在所述长方体盒状结构内部、靠近所述隔离器4的一侧，与所述真空系统壳体11的底部固定连接。

所述压电陶瓷32设置在所述直线导轨31上，与所述直线导轨31远离所述隔离器4的一端固定连接。所述压电陶瓷32的长度，受到外部控制器的控制。

所述猫眼透镜安装座33与所述压电陶瓷32固定连接，同样设置在所述直线导轨31上，能够相对所述直线导轨滑动。当外部控制器控制所述压电陶瓷32的长度改变时，所述猫眼透镜安装座33距离所述直线导轨31的远离所述隔离器4的一端的长度也随之发生改变。所述猫眼透镜安装座33和所述直线导轨31之间的空隙设有钢珠311，用于减小所述猫眼透镜安装座33在所述直线导轨31上滑动时的摩擦力。

所述猫眼透镜安装座33包括底座和猫眼透镜安装部。所述底座的底部安装在所述直线导轨31上，顶部设有两排等间距排列的螺纹孔。所述猫眼透镜安装部垂直设置在所述底座远离所述隔离器4的一端，与所述底座一起形成“L”型结构。所述猫眼透镜安装部设有与所述窄带滤光片安装口正对的猫眼透镜安装口，所述猫眼透镜34安装在所述猫眼透镜安装口中。在一个实施例中，所述猫眼透镜通过环氧树脂固定在所述猫眼透镜安装口中；所述螺纹孔为M2螺纹孔。优选地，所述猫眼透镜安装座33应尽可能轻量化；在制造所述猫眼透镜安装座时，应在保证刚性的前提下切去尽量多的材料，以实现轻量化，提高其谐振频率，进而减少低频振动对半导体激光器工作稳定性的影响。

所述部分反射镜安装座35的底部的两端各设有一个槽型孔，两个槽型孔的间距等于所述猫眼透镜安装座的底座的两排螺纹孔的间距。当两个槽型孔分别与两排螺纹孔的其中一对螺纹孔对齐时，令两个螺丝分别穿过一个槽型孔和一个螺纹孔，可以将所述部分反射镜安装座35固定安装在所述猫眼透镜安装座33的底座的顶部。所述部分反射镜安装座35上设有与所述猫眼透镜安装口正对的部分反射镜安装口，所述部分反射镜安装在所述部分反射镜安装口中。进一步地，所述部分反射镜反射率的不同，会影响光反馈的强度；可以通过测试不同反射率的部分反射镜的光反馈强度，对比得到最佳光反馈强度，从而选择合适反射率的部分反射镜。

所述准直输出透镜安装座37的底部的两端各设有一个槽型孔，两个槽型孔的间距等于所述猫眼透镜安装座的底座的两排螺纹孔的间距。当两个槽型孔分别与两排螺纹孔的其中一对螺纹孔对齐时，令两个螺丝分别穿过一个槽型孔和一个螺纹孔，可以将所述准直输出透镜安装座37固定安装在所述猫眼透镜安装座33的底座的顶部。所述准直输出透镜安装座37上设有与所述部分反射镜安装口正对的准直输出透镜安装口，所述准直输出透镜38安装在所述准直输出透镜安装口中。

通过令所述部分反射镜安装座35的槽型孔所对准不同的螺纹孔、令所述准直输出透镜安装座37的槽型孔所对准不同的螺纹孔，以及微调每一对槽型孔和特定螺纹孔的相对位置，可以令所述部分反射镜36正好位于所述猫眼透镜34和准直输出透镜38的焦平面上。通过螺丝固定好所述部分反射镜安装座和所述准直输出透镜后，所述猫眼透镜34、部分反射镜36、准直输出透镜38的相对位置被固定，无论所述压电陶瓷32的长度如何变化、所述猫眼透镜安装座33如何在所述直线导轨31上滑动，所述部分反射镜36都正好位于所述猫眼透镜34和准直输出透镜38的焦平面上。

请参阅图8，图8为本发明的猫眼外腔半导体激光器的光路示意图。所述激光二极管22、准直透镜24、窄带滤光片26、猫眼透镜34、部分反射镜36、准直输出透镜38按顺序排列在同一条光路上。所述激光二极管22发射分散光；所述准直透镜24对所述激光二极管22发射的分散光进行集束整形，转化为平行光；所述窄带滤光片26对所述平行光进行频率选择，转化为特定波长范围的平行激光。所述猫眼透镜34使所述特定波长范围的平行激光发生会聚，转化为特定波长范围的会聚激光，聚焦点位于所述部分反射镜36上。所述部分反射镜36将所述特定波长范围的会聚激光的一部分反射，被反射回去的会聚激光按照原光路返回至所述激光二极管22处，与所述激光二极管22发射的分散光发生谐振。所述激光二极管22、准直透镜24、窄带滤光片26、猫眼透镜34、部分反射镜36之间的空间形成谐振腔，所述谐振腔的长度决定了输出激光的特定频率。另一部分没有被反射的会聚激光透过所述部分反射镜36射入所述准直输出透镜38。所述准直输出透镜对所述会聚激光进行集束整形，转化为特定频率的平行激光，通过所述出光窗口输出至所述隔离器4。

使用时，通过螺丝将所述部分反射镜安装座35、准直输出透镜安装座37固定在所述猫眼透镜安装座33上，使得所述部分反射镜36正好位于所述猫眼透镜34和准直输出透镜38的焦平面上；通过旋转精密螺丝27调节特定波长范围的平行激光的中心频率；通过调节压电陶瓷32的长度来调节输出的平行激光的具体频率。由于外部控制器可以发送电信号控制压电陶瓷32的长度以及控制电促动器的转动，当安装好部分反射镜安装座35、准直输出透镜安装座37后，使用者通过操作外部控制器即可完成对所述猫眼外腔半导体激光器输出的激光频率的调谐。

现有的可调谐的猫眼外腔半导体激光器，通常通过调节部分反射镜的位置来调节谐振腔腔长，导致调谐时会破坏猫眼结构，进而导致猫眼半导体激光器的反馈光强发生变化，最后导致了跳模等工作不稳定的问题。而本发明则将部分反射镜安装座和准直输出透镜安装座都固定安装在猫眼透镜安装座上，通过调节猫眼透镜安装座的位置来调节腔长，从而避免了直接调节部分反射镜位置所导致的跳模、输出光强抖动等激光器工作不稳定的问题。进一步，本发明还设置了真空系统和隔离器，以隔绝外界空气、外界温湿度变化和外界光线对激光器的影响，进一步提高了激光器的工作稳定性。进一步，本发明通过使安装窄带滤光片的副容置部和安装激光二极管、准直滤镜的主容置部一体连接，一方面提高了设计的紧凑性、使激光器小型化，另一方面避免了加工误差或安装误差所导致的窄带滤光片位置或角度偏移。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。