光栅外腔可调谐半导体激光器系统的设计
摘要
本论文的目的是设计、组装一套外腔可调谐半导体激光器，并把它应
用在实际实验中。为了完成这一任务，首先我们了解激光的基本原理、
基本性质，半导体激光器的发光机制、及其温度，电流特性。在了解这
些相关知识的基础上，我们参考了许多文献，在对腔长选择、光路选择、
光路允许误差、机械稳定性等多方面考虑的基础上，进行了激光器的设
计。对本激光器的多个方面测试工作表明，我们的光栅外腔可调谐半导
体激光器工作状态良好。如果做进一步的改进，必能满足实验应用的要
求。
首先，我们陈述了激光产生的原理与基本性质。激光产生的原理简单
的讲包括两个部分：光在激活介质内的传播和光学谐振腔的作用，前者
产生光放大，后者维持光的振荡。“激光”一词英文为“Laser”（莱塞），
是“LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation”词组中各词第
一字母的缩写，直译应为“辐射的受激发射的光放大”。其实，作为激光
器，其中必有谐振腔，所以实际上是一个“受激辐射光振荡器”。放大和
振荡两方面合起来，激光器就成为一个光的讯号源，向外输出光束。激
光的基本性质主要包括以下几点：
1. 能量在空间高度集中。由于谐振腔对光束方向的选择作用，使激
吉 林 大 学 硕 士 论 文 65
中 文 摘 要
光器输出的光束发散角很小，即光束的方向性很强。
2. 光束具有空间相干性。在激光器内只有统一的光讯号在激活介质
中一边传播一边放大，又经过两个高反射率的端面反射而形成稳
定的光振荡，因此在激光器内部各发光中心的自发性和独立性被
大大抑制，而相互激励相互强化成为主导方面。所以，从激光器
端面输出的光束是相干光束，在其传播的波场空间中，波前上的
各点是相干的。
3. 时间相干性高。激光器谱线宽度很窄，单色性很好，这是因为激
活介质与谐振腔的物理结构共同作用。
半导体激光器是激光器中新兴的一种，在近十年中已经在多个科学领
域中得到了广泛的应用。它是利用半导体材料里导带中的电子和价带中
的空穴的复合来产生受激辐射的。它的优点是：体积小、寿命长、成本
低、噪声低，并可采用简单的电流注入方式来泵浦，能产生多种波长。
其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以单片集成。并且还可用高
达 GHz 频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。但是它的不
足也是明显的：对外部光反馈敏感、线宽较宽、温度特性不佳、多模工
作、频率不可调谐等等。外腔可调谐半导体激光器正是利用半导体激光
器的优点，弥补了它的缺点，使得人们可以更好的利用半导体激光器，
这是一种方兴未艾的技术。
外腔可以有很多元件来构成：干涉滤光片、标准具、双折射滤光片、
声光器件等等。光栅和这些元件相比，因为结构简单，调谐容易实现，
效率较高等原因，得到了广泛的应用。同时，这也是我们选用光栅作为
外腔构件的原因。光栅外腔可调谐半导体激光器的光路安排主要有
66 吉 林 大 学 硕 士 论 文
中 文 摘 要
Littrow 和 Littman 两种常用的结构。通过压制内腔的作用，外腔的作用
是明显的，我们主要把它概括为三点：
1. 选模。因为腔长的增加，模式间隔变小，模之间的损耗差别变的
明显，光栅元件的带宽很窄，频率接近的外腔模式通过模间竞争
很容易形成单一模式输出。
2. 线宽压窄。外腔激光器的总腔长（L+nl）比激光二极管的腔长（nl）
大得多，所以激光线宽可以压窄几个数量级，从几十 MHz 压窄到
100KHz 以下。
3. 频率调谐。小角度转动光栅，因为光栅的色散作用，相当于微调
反馈回去的光的频率，通过激活区的振荡放大，出射光的频率也
实现了微调。
因为有了第一章的基础知识，我们在第二章来具体的设计一套完整的
可调谐半导体激光器。我们把这个大问题细分为几个必须考虑清楚小问
题来解决：
1. 选择半导体激光管。不同的半导体激光管频率、模式、功率、
体积、控制电流、温度特性等等方面都有差别。这决定了其他
相应的部件与设备的选用。考虑充分利用已有的实验室的资
源，我们使用的是 Sony 公司生产的一种廉价的半导体激光管。
输出波长大致为 653nm，工作电流为 70mA 时，输出功率为
3mW。
2. 选择光栅。根据工作波长，我们选用了 1800 线的闪耀光栅。
3. 设计光路。因为 Littrow 结构更简单，调节更容易，线宽能够
吉 林 大 学 硕 士 论 文
67
中 文 摘 要
满足要求，功率输出更大，所以我们选择了 Littrow 外腔作为
我们的设计目标。同时，考虑到光栅的照耀方式，及激光准直
的要求，我们完成了光路的设计。Littrow 结构的示意图如图 1。
图 1.Littrow 型光栅外腔可调谐半导体激光器的示意图
4. 机械设计。光路设计完成后，我们
The aim of my thesis is to design a grating feedback external cavity
tunable diode laser (ECTDL) system, and use it in lab works. To accomplish
this purpose, we begin with the basic knowledge fundamental rules about laser.
I also noticed the characters of the diode laser, such as their performance
when changing surrounding temperature or changing working current. I also
study many papers focus on this aspect. I make this design taking many
related problems into account. Such as, the choice of the external cavity
length, the choice of the formation of beam path, the allowance error of the
beam path, mechanical stability, passive temperature stability, and so on. The
test of our laser system shows that it is well done.
Firstly, we begin with the basic rules and fundamental concepts of laser.
They are the foundation of all our theory. We can summarize them into two
sentences: light is spreading in the active media; the function of the optical
resonator. The first thing amplifies the light, and the second maintains the
76 吉 林 大 学 硕 士 论 文
英 文 摘 要
vibrations of the light. As we know, LASER is the initials of Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation., which indicates that
interact between the amplification and the vibration make the laser possible.
The basic rules of laser including:
1. The energy of the laser is highly concentrated in a very little space.
2. The laser is spatially coherent light.
3. The laser is time-coherent light.
Diode laser is a newly developing type in laser family, but it is widely
used in many fields now. The emitting theory of diode laser is the
recombination of electrons in the conduction band with positive hole in the
valence band. Its merits include little package, long lifetime, low cost, no
noise, and easily controlled by changing work current. Its shortcomings are
also obvious, including sensitive to back light, wide line-width, changing
output with temperature flow, multi-modes, no well collimation, and so on.
ECTDL is to correct the demerits of diode laser using the external cavity.
Many devices had been used as the tunable filters, such as diffraction
grating, distributed bragg reflector, fabry-perot etalon, interference filter,
acoustic-optic tunable filter. Diffraction grating is the most easy way to make
a ECTDL. There are two configurations of grating feed back ECTDL, Littrow
and littman. Each of them has merits and demerits, Littrow configuration is
easy to build, and has bigger power output comparing with littman. So we
decide to build a littrow mounting ECTDL.
吉 林 大 学 硕 士 论 文 77
英 文 摘 要
Here we generalize the functions of external cavity as following:
1. To choose the needed mode by the grating filter.
2. To get a narrowed linewidth by extending the cavity length from nl to
L+nl.
3. To change the frequency of the laser by shift the angle of the grating
step by step.
Based on the knowledge of first chapter, I do the design work in Chapter
two. Here I convert the work into several small parts as following:
1. To choose laser diode. Diode lasers are different from each other.
We need to know its characters including frequency, mode, power,
package, current, temperature, and so on. We use the Sony diode
laser, output 653nm, 3mw, when the working current is 70mA.
2. To choose the grating. This work is well done by following the
table 2.1 and other tips in §2.2.
3. To design the light path. We choose the littrow configuration. It is
showed in figure1.
Figure 1. the light path
in littrow configuration
ECTDL
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英 文 摘 要
4. The mechanica
用在实际实验中。为了完成这一任务，首先我们了解激光的基本原理、
基本性质，半导体激光器的发光机制、及其温度，电流特性。在了解这
些相关知识的基础上，我们参考了许多文献，在对腔长选择、光路选择、
光路允许误差、机械稳定性等多方面考虑的基础上，进行了激光器的设
计。对本激光器的多个方面测试工作表明，我们的光栅外腔可调谐半导
体激光器工作状态良好。如果做进一步的改进，必能满足实验应用的要
求。
首先，我们陈述了激光产生的原理与基本性质。激光产生的原理简单
的讲包括两个部分：光在激活介质内的传播和光学谐振腔的作用，前者
产生光放大，后者维持光的振荡。“激光”一词英文为“Laser”（莱塞），
是“LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation”词组中各词第
一字母的缩写，直译应为“辐射的受激发射的光放大”。其实，作为激光
器，其中必有谐振腔，所以实际上是一个“受激辐射光振荡器”。放大和
振荡两方面合起来，激光器就成为一个光的讯号源，向外输出光束。激
光的基本性质主要包括以下几点：
1. 能量在空间高度集中。由于谐振腔对光束方向的选择作用，使激
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中 文 摘 要
光器输出的光束发散角很小，即光束的方向性很强。
2. 光束具有空间相干性。在激光器内只有统一的光讯号在激活介质
中一边传播一边放大，又经过两个高反射率的端面反射而形成稳
定的光振荡，因此在激光器内部各发光中心的自发性和独立性被
大大抑制，而相互激励相互强化成为主导方面。所以，从激光器
端面输出的光束是相干光束，在其传播的波场空间中，波前上的
各点是相干的。
3. 时间相干性高。激光器谱线宽度很窄，单色性很好，这是因为激
活介质与谐振腔的物理结构共同作用。
半导体激光器是激光器中新兴的一种，在近十年中已经在多个科学领
域中得到了广泛的应用。它是利用半导体材料里导带中的电子和价带中
的空穴的复合来产生受激辐射的。它的优点是：体积小、寿命长、成本
低、噪声低，并可采用简单的电流注入方式来泵浦，能产生多种波长。
其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以单片集成。并且还可用高
达 GHz 频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。但是它的不
足也是明显的：对外部光反馈敏感、线宽较宽、温度特性不佳、多模工
作、频率不可调谐等等。外腔可调谐半导体激光器正是利用半导体激光
器的优点，弥补了它的缺点，使得人们可以更好的利用半导体激光器，
这是一种方兴未艾的技术。
外腔可以有很多元件来构成：干涉滤光片、标准具、双折射滤光片、
声光器件等等。光栅和这些元件相比，因为结构简单，调谐容易实现，
效率较高等原因，得到了广泛的应用。同时，这也是我们选用光栅作为
外腔构件的原因。光栅外腔可调谐半导体激光器的光路安排主要有
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中 文 摘 要
Littrow 和 Littman 两种常用的结构。通过压制内腔的作用，外腔的作用
是明显的，我们主要把它概括为三点：
1. 选模。因为腔长的增加，模式间隔变小，模之间的损耗差别变的
明显，光栅元件的带宽很窄，频率接近的外腔模式通过模间竞争
很容易形成单一模式输出。
2. 线宽压窄。外腔激光器的总腔长（L+nl）比激光二极管的腔长（nl）
大得多，所以激光线宽可以压窄几个数量级，从几十 MHz 压窄到
100KHz 以下。
3. 频率调谐。小角度转动光栅，因为光栅的色散作用，相当于微调
反馈回去的光的频率，通过激活区的振荡放大，出射光的频率也
实现了微调。
因为有了第一章的基础知识，我们在第二章来具体的设计一套完整的
可调谐半导体激光器。我们把这个大问题细分为几个必须考虑清楚小问
题来解决：
1. 选择半导体激光管。不同的半导体激光管频率、模式、功率、
体积、控制电流、温度特性等等方面都有差别。这决定了其他
相应的部件与设备的选用。考虑充分利用已有的实验室的资
源，我们使用的是 Sony 公司生产的一种廉价的半导体激光管。
输出波长大致为 653nm，工作电流为 70mA 时，输出功率为
3mW。
2. 选择光栅。根据工作波长，我们选用了 1800 线的闪耀光栅。
3. 设计光路。因为 Littrow 结构更简单，调节更容易，线宽能够
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中 文 摘 要
满足要求，功率输出更大，所以我们选择了 Littrow 外腔作为
我们的设计目标。同时，考虑到光栅的照耀方式，及激光准直
的要求，我们完成了光路的设计。Littrow 结构的示意图如图 1。
图 1.Littrow 型光栅外腔可调谐半导体激光器的示意图
4. 机械设计。光路设计完成后，我们
The aim of my thesis is to design a grating feedback external cavity
tunable diode laser (ECTDL) system, and use it in lab works. To accomplish
this purpose, we begin with the basic knowledge fundamental rules about laser.
I also noticed the characters of the diode laser, such as their performance
when changing surrounding temperature or changing working current. I also
study many papers focus on this aspect. I make this design taking many
related problems into account. Such as, the choice of the external cavity
length, the choice of the formation of beam path, the allowance error of the
beam path, mechanical stability, passive temperature stability, and so on. The
test of our laser system shows that it is well done.
Firstly, we begin with the basic rules and fundamental concepts of laser.
They are the foundation of all our theory. We can summarize them into two
sentences: light is spreading in the active media; the function of the optical
resonator. The first thing amplifies the light, and the second maintains the
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vibrations of the light. As we know, LASER is the initials of Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation., which indicates that
interact between the amplification and the vibration make the laser possible.
The basic rules of laser including:
1. The energy of the laser is highly concentrated in a very little space.
2. The laser is spatially coherent light.
3. The laser is time-coherent light.
Diode laser is a newly developing type in laser family, but it is widely
used in many fields now. The emitting theory of diode laser is the
recombination of electrons in the conduction band with positive hole in the
valence band. Its merits include little package, long lifetime, low cost, no
noise, and easily controlled by changing work current. Its shortcomings are
also obvious, including sensitive to back light, wide line-width, changing
output with temperature flow, multi-modes, no well collimation, and so on.
ECTDL is to correct the demerits of diode laser using the external cavity.
Many devices had been used as the tunable filters, such as diffraction
grating, distributed bragg reflector, fabry-perot etalon, interference filter,
acoustic-optic tunable filter. Diffraction grating is the most easy way to make
a ECTDL. There are two configurations of grating feed back ECTDL, Littrow
and littman. Each of them has merits and demerits, Littrow configuration is
easy to build, and has bigger power output comparing with littman. So we
decide to build a littrow mounting ECTDL.
吉 林 大 学 硕 士 论 文 77
英 文 摘 要
Here we generalize the functions of external cavity as following:
1. To choose the needed mode by the grating filter.
2. To get a narrowed linewidth by extending the cavity length from nl to
L+nl.
3. To change the frequency of the laser by shift the angle of the grating
step by step.
Based on the knowledge of first chapter, I do the design work in Chapter
two. Here I convert the work into several small parts as following:
1. To choose laser diode. Diode lasers are different from each other.
We need to know its characters including frequency, mode, power,
package, current, temperature, and so on. We use the Sony diode
laser, output 653nm, 3mw, when the working current is 70mA.
2. To choose the grating. This work is well done by following the
table 2.1 and other tips in §2.2.
3. To design the light path. We choose the littrow configuration. It is
showed in figure1.
Figure 1. the light path
in littrow configuration
ECTDL
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英 文 摘 要
4. The mechanica
引文
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