可調(diào)諧外腔半導體激光器（external-cavity diode laser, ECDL）通過引入衍射光柵等光學反饋元件养匈，對激光器的輸出頻率進行篩選，
將線寬從幾十兆赫茲壓窄至 千赫茲都伪，可以運用于精密穩(wěn)頻控制的量子光學領(lǐng)域，諸如冷原子干涉實驗等院溺。本文簡單介紹了可調(diào)諧外腔
半導體激光器的工作原理楣嘁。
半導體激光器是以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器，具有超小型珍逸、高效率逐虚、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜谆膳，以及可以高速工作等一系列優(yōu)
點在光盤驅(qū)動器叭爱、全息照相、激光準直漱病、測距及醫(yī)療等許多方面得到重要運用买雾。但單模半導體激光器的線寬可達到幾十MHz，對于高
分辨率光譜杨帽、激光冷卻等對激光頻率有嚴格要求的領(lǐng)域而言不適合使用漓穿。而通過引入衍射光柵等光學反饋元件，構(gòu)成的外腔半導體激光
器能對線寬壓窄注盈，產(chǎn)生高質(zhì)量激光晃危。
1、可調(diào)諧外腔半導體激光器的基本模型
圖1 外腔半導體激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖
外腔半導體激光器是在原有半導體激光器的基礎(chǔ)上僚饭，通過引入外部光學反饋元件震叮，達到選頻以及改善激光器性能的作用，簡單的結(jié)構(gòu)示
意圖如圖1所示鳍鸵。
其中半導體激光器自身的諧振腔稱為內(nèi)腔苇瓣，而激光器的后反射面以及外腔鏡所構(gòu)成的諧振腔稱為外腔。外腔鏡將部分二極管激光器輸出
光反饋回內(nèi)腔偿乖，反饋光束會引起激光輸出強度振蕩击罪，其頻率會隨著腔長、激光設(shè)計以及工作條件而發(fā)生變化贪薪。正是基于二極管激光器對
于光反饋敏感的這個特性，外腔起到了波長選擇的作用古掏，使得外腔半導體激光器輸出的線寬遠小于單個二極管激光器工作時的線寬。并
且通過外腔諧振實現(xiàn)選模以及波長的可調(diào)諧性能夠有效避免溫度以及注入電流的變化導致的不穩(wěn)定性侦啸。
清華大學柴燕杰等推導出了外腔半導體激光器的線寬表達式槽唾，引入外腔反饋因子和Henry線寬增強因子，為了得到較窄的線寬光涂，需增強
外腔反饋因子庞萍，應選擇長外腔長度、高衍射光柵反射率和低芯片后端面反射率忘闻。
通過調(diào)整外腔鏡位置或旋轉(zhuǎn)外腔鏡等方式钝计，改變激光器的外腔長度和外腔鏡選頻模式，使外腔鏡反饋頻率曲線和外腔頻率曲線的移動速
率相匹配齐佳，得到連續(xù)無跳乃教瘢可調(diào)諧的單模輸出，如圖２所示炼吴。
圖2 外腔激光器波長調(diào)諧示意圖
2本鸣、衍射光柵型外腔半導體激光器
外腔半導體激光器通過改變激光器的外腔腔長改變輸出光的頻率，可實現(xiàn)大范圍連續(xù)可調(diào)諧輸出硅蹦。衍射光柵型外腔半導體激光器是較為
常見的外腔二極管激光器設(shè)計荣德，典型的有Littrow和Littman-Metcalf兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示童芹。Littrow結(jié)構(gòu)中涮瞻，激光二極管出射的激光通
過準直透鏡后進入衍射光柵，其中一級衍射光沿原光路返回至內(nèi)腔假褪，而零級光作為輸出光。激光器的波長由腔內(nèi)形成的駐波決定嗜价，駐波
的一個節(jié)點位于光柵凹槽艇抠，另一個則位于反射鏡鏡面幕庐。因此輸出的波長主要由光柵以及腔長決定，通過改變光柵位置調(diào)諧激光器的輸出
光波長家淤，如平移以及旋轉(zhuǎn)光柵异剥。這樣隨著有效腔長的增加以及光柵的反饋進行頻率選擇、激光穩(wěn)頻和縮小線寬絮重。衍射光柵型外腔半導體
激光器激射波長同時滿足激光器相位條件公式和光柵方程：
λ=2L/q
λ=2dsinθ
其中冤寿，λ為激射波長，Ｌ為外腔激光器腔長青伤，ｑ為模式數(shù)督怜，ｄ為光柵常數(shù)，θ為入射角（與一級衍射角相等）狠角。方程中也表現(xiàn)出改變腔
長和一級衍射角可以進行選模号杠，實現(xiàn)激光調(diào)諧。
Littman-Metcal結(jié)構(gòu)則是在Littrow的基礎(chǔ)上增加了反射鏡丰歌，通過旋轉(zhuǎn)反射鏡即可實現(xiàn)激光器的可調(diào)諧姨蟋。一級衍射光經(jīng)反射鏡反射發(fā)生
第二次衍射，然后反饋進入內(nèi)腔立帖，形成諧振眼溶。經(jīng)過模式競爭，一級衍射光模式得到放大晓勇，其他振蕩模式得到抑制，激光器實現(xiàn)單模輸
出绑咱。
圖3 兩種典型衍射光柵型外腔半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖
（a）Littrow結(jié)構(gòu)（b）Littman-Metcalf結(jié)構(gòu)
Littrow光柵外腔結(jié)構(gòu)和Littman光柵外腔結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點绰筛，一般而言Littrow光柵外腔結(jié)構(gòu)相對簡單，體積小羡玛，成本低别智，但衍射
出去的零級光束的方向隨光柵角度的改變而變化，使用起來不方便稼稿；Littman光柵結(jié)構(gòu)的零級輸出光光束方向是固定不變的薄榛，并且它的
一級衍射光在光路中衍射了兩次，激射譜線寬度變的更窄让歼，但是平面鏡只把一級衍射光反射了回來敞恋，因此在同樣的條件下Littman光柵
結(jié)構(gòu)的輸出功率小于Littrow光柵結(jié)構(gòu)的輸出功率。
3谋右、貓眼式外腔半導體激光器
貓眼式（Cateye）外腔半導體激光器是一種新型結(jié)構(gòu)硬猫，使用貓眼式反射鏡與超窄帶寬濾波器組合來替代傳統(tǒng)光柵型Littrow或Littman
結(jié)構(gòu)。貓眼式反射鏡的一個重要優(yōu)勢在于貓眼反射鏡本身是自對準的，無論入射角如何啸蜜，入射光束經(jīng)過貓眼光學系統(tǒng)后能夠按照入射方
向原路返回二極管坑雅，即使光束沒有很好地準直。因此輸出激光對機械干擾非常不敏感衬横，也確保了高反饋耦合效率裹粤，從而獲得窄線寬。
Thompson和Scholten的文章中通過780nm二極管激光器演示了貓眼式外腔半導體激光器原理蜂林，表明波長通過旋轉(zhuǎn)濾波器可以調(diào)諧超
過14nm遥诉，而測量到的窄線寬為26kHz噪叙，與傳統(tǒng)基于光柵設(shè)計的半導體激光器相比矮锈，頻率噪聲和對震動的靈敏度大大降低。
圖4 貓眼式外腔半導體激光器的示意圖
圖4展示了貓眼式外腔半導體激光器的示意圖睁蕾。由激光二極管的后反射面和輸出耦合器（OC）組成的外腔決定了激光頻率苞笨。用腔內(nèi)超
窄帶寬濾波器選擇縱模模式。輸出耦合器與腔內(nèi)透鏡組成貓眼反射鏡子眶，光通過腔外輸出透鏡進行再準直猫缭。
4、未來方向
可調(diào)諧外腔半導體激光器正朝著窄線寬壹店、寬調(diào)諧范圍、高輸出功率等方向發(fā)展芝加。通過新材料（光學反饋元件、半導體激光器）的選擇藏杖、
新的外腔結(jié)構(gòu)設(shè)計将塑，以及主動穩(wěn)頻等技術(shù)來改善激光器的光譜質(zhì)量， 滿足各種應用的要求蝌麸，實現(xiàn)體積小点寥、線寬窄、調(diào)諧范圍寬来吩、無模
式跳變敢辩、掃描頻率快、頻率和波長穩(wěn)定弟疆、相位和頻率噪聲低戚长，以及與光纖耦合的高性能激光器， 在未來光通信和精密測量等領(lǐng)域?qū)⒂?/p>
廣泛的應用前景怠苔。
相關(guān)文獻：
[1]Thompson D J , Scholten R E . Narrow linewidth tunable ECDL using wide bandwidth filter. IEEE, 2011.
[2]徐周翔. 冷原子干涉實驗的激光頻率以及過程的自動控制[D].浙江大學,2012.
[3]花金平,江毅.可調(diào)諧外腔半導體激光器研究進展[J].半導體光電,2021,42(01):11-19+56.
[4]柴燕杰,吳群,張漢一,周炳琨.窄線寬外腔半導體激光器[J].激光與紅外,1988(10):7-9.．
[5]康傳振. 基于DMD的InAs/GaAs量子點外腔激光器的性能研究[D]. 曲阜師范大學, 2014.
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