技术教程|TOPTICA—将激光二极管转换为可调谐半导体激光器

▍产品概述 

自 1995 年以来，TOPTICA 通过集成额外的模式选择器件以及添加一流的驱动器和光学器件，将激光二极管转换为可调谐半导体激光器，这意味着高端激光工具。第一个商用可调谐半导体激光器是TOPTICAs DL 100。它多年来非常成功，最终由大大改进的DL pro和CTL所取代。

不同型号的TOPTICA激光器覆盖的波长和功率情况

▍激光二极管 

激光二极管是各种消费产品中成熟的子组件，如激光指示器、条形码扫描仪或 CD/DVD/蓝光驱动器。他们的成功源于它们紧凑、操作方便、高转换效率和高性价比。然而，裸激光二极管的发射光谱很宽，激光波长没有明确定义。

通常，半导体激光管的两个端面形成谐振腔并确定（纵向）激光模式。半导体的宽增益曲线同时支持多种模式，每种模式具有不同的频率。即使是具有单一纵模的二极管，在芯片温度或驱动器电流的微小变化下也会表现出跳模，输出光谱不稳定的光束。

▍模式选择 

通过将频率选择性反馈引入激光腔，可实现卓越的半导体激光器特性，例如窄发射线宽、大相干长度、精确的波长选择以及发射频率的调谐或稳定。TOPTICA提供两种可调谐单频半导体激光器。两者都利用光栅结构来选择和控制发射频率。一种是光栅稳定的外腔半导体激光器（ECDL）。

它包含一个安装在激光二极管前面的光学光栅作为谐振腔的第一面，而第二个谐振腔面为二极管的背面，激光管和反馈元件构成“外部谐振腔”。

外腔半导体激光器原理图

另一种方法是半导体本身内置光栅的激光二极管：分布式反馈 （DFB） 和分布式布拉格反射器 （DBR） 半导体激光管。

光栅滤波器、半导体增益曲线、内部半导体激光管模式以及（如果适用）外腔模式决定了激光模式。精确的温度和电流控制以及组件的正确匹配是稳定单模操作的必要条件。

外腔半导体激光器原理图

▍波长调谐 

DFB 和 DBR 二极管可以通过调节半导体激光管电流和/或温度来进行波长调谐。它们可以调谐大约 1-2 nm，并且无任何跳模。

为了改变ECDL的波长，需要改变选模器件的光谱响应，例如通过改变光栅上的入射角。在总增益最大的模式下运行，这会导致激光跳到另一个纵向模式并以新的波长发射。

激光波长的微调是通过改变外腔的长度来实现的，这将改变激光器单模运行所支持的当前纵模。

▍无跳模调谐 

TOPTICA DL Pro激光器

较大的无跳模调谐范围决定于多种因素的配合调谐。例如，TOPTICA的DL pro激光器通过同时改变光栅角度、外腔长度和半导体激光管电流以实现宽跳频自由调谐，实现最佳同步。DL pro 的无跳模调谐通常为 20-50 GHz，具有坚固和准单体结构，从而获得稳定的工作状态。

TOPTICA的连续可调谐半导体激光器（CTL）经过精心设计的特殊谐振器可实现几十纳米的宽无跳模调谐，并添加主动反馈以保持调谐元件同步，单模调谐范围高达120nm，并保持极高分辨率、低噪声和窄线宽。