TOPTICA連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是怎樣實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的？

激光二極管

不同型號(hào)的TOPTICA激光器覆蓋的波長(zhǎng)和功率情況

將激光二極管轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)諧二極管激光器

自1995年以來(lái)，TOPTICA 將激光二極管轉(zhuǎn)換成可調(diào)諧二極管激光器，意味著gao端激光工具——通過(guò)集成額外的模式選擇元件，以及添加yi流的驅(qū)動(dòng)器和光學(xué)期間。第一個(gè)商用可調(diào)諧二極管激光器是 TOPTICAs DL 100。多年來(lái)，它取得了極大的成功，最終被大大改進(jìn)的DL pro和CTL所取代。

激光二極管是各種消費(fèi)產(chǎn)品中成熟的子組件，如激光指示器、條形碼掃描儀或 CD/DVD/藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器。他們的成功源于它們緊湊、操作方便、高轉(zhuǎn)換效率和高性價(jià)比。然而，裸激光二極管的發(fā)射光譜很寬，激光波長(zhǎng)沒(méi)有明確定義。

通常，半導(dǎo)體激光管的兩個(gè)端面形成諧振腔并確定（縱向）激光模式。半導(dǎo)體的寬增益曲線同時(shí)支持多種模式，每種模式具有不同的頻率。即使是具有單一縱模的二極管，在芯片溫度或驅(qū)動(dòng)器電流的微小變化下也會(huì)表現(xiàn)出跳模，輸出光譜不穩(wěn)定的光束。

模式選擇

通過(guò)將頻率選擇性反饋引入激光腔，可實(shí)現(xiàn)好的半導(dǎo)體激光器特性，例如窄發(fā)射線寬、大相干長(zhǎng)度、精確的波長(zhǎng)選擇以及發(fā)射頻率的調(diào)諧或穩(wěn)定。TOPTICA提供兩種可調(diào)諧單頻半導(dǎo)體激光器。兩者都利用光柵結(jié)構(gòu)來(lái)選擇和控制發(fā)射頻率。一種是光柵穩(wěn)定的外腔半導(dǎo)體激光器（ECDL）。

它包含一個(gè)安裝在激光二極管前面的光學(xué)光柵作為諧振腔的第一面，而第二個(gè)諧振腔面為二極管的背面，激光管和反饋元件構(gòu)成“外部諧振腔”。

外腔半導(dǎo)體激光器原理圖

另一種方法是半導(dǎo)體本身內(nèi)置光柵的激光二極管：分布式反饋 （DFB） 和分布式布拉格反射器 （DBR） 半導(dǎo)體激光管。

光柵濾波器、半導(dǎo)體增益曲線、內(nèi)部半導(dǎo)體激光管模式以及（如果適用）外腔模式?jīng)Q定了激光模式。精確的溫度和電流控制以及組件的正確匹配是穩(wěn)定單模操作的必要條件。

外腔二極管激光器中的模式選擇

DFB 半導(dǎo)體激光管原理圖                          DBR 激光二極管原理圖

波長(zhǎng)調(diào)諧

DFB 和 DBR 二極管可以通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光管電流和/或溫度來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。它們可以調(diào)諧大約 1-2 nm，并且無(wú)任何跳模。

為了改變ECDL的波長(zhǎng)，需要改變選模器件的光譜響應(yīng)，例如通過(guò)改變光柵上的入射角。在總增益最大的模式下運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致激光跳到另一個(gè)縱向模式并以新的波長(zhǎng)發(fā)射。

激光波長(zhǎng)的微調(diào)是通過(guò)改變外腔的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這將改變激光器單模運(yùn)行所支持的當(dāng)前縱模。

無(wú)跳模調(diào)諧

TOPTICA DL Pro激光器                         TOPTICA DL Pro激光器

較大的無(wú)跳模調(diào)諧范圍決定于多種因素的配合調(diào)諧。例如，TOPTICA的DL pro激光器通過(guò)同時(shí)改變光柵角度、外腔長(zhǎng)度和半導(dǎo)體激光管電流以實(shí)現(xiàn)寬跳頻自由調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)最佳同步。DL pro 的無(wú)跳模調(diào)諧通常為 20-50 GHz，具有堅(jiān)固和準(zhǔn)單體結(jié)構(gòu)，從而獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

TOPTICA的連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器（CTL）經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的特殊諧振器可實(shí)現(xiàn)幾十納米的寬無(wú)跳模調(diào)諧，并添加主動(dòng)反饋以保持調(diào)諧元件同步，單模調(diào)諧范圍高達(dá)120nm，并保持ji高分辨率、低噪聲和窄線寬。