1.   引　言

半导体激光器（LD）因具有体积小、功率高、效率高、成本低等优势获得了广泛的关注、研究及应用^[1-3]。普通半导体激光器的增益曲线较宽，根源在于其增益介质是半导体材料，因此采用法布里-珀罗腔结构设计的普通半导体激光器激射谱线不稳定且线宽较大，难以满足对线宽高要求的应用。

近年来，市场对半导体激光器的参数指标要求逐渐增高，外腔半导体激光器在频率稳定性、可调谐性以及光谱纯度上的改善使其比普通半导体激光器有更广泛的应用，例如原子冷却^[4-5]、拉曼散射^[6-11]及痕量气体检测^[12-15]等高精度测量领域。采用外腔结构^[16-19]实现半导体激光器的波长稳定、线宽压窄和波长调谐，这是一种成本低且结构紧凑的高效方法。目前，国内外研究人员发布了许多有关光栅外腔半导体激光器方面的研究报道，采用Littrow结构^[20-21]制作激光器的研究甚多，该结构是采用光栅作为外部光反馈元件。HongW等人报道了一种基于Littrow结构的可调谐半导体激光器，在785 nm上得到13 nm的有效调谐范围，输出功率为4 mW^[22]。金杰等人报道了一种采用闪耀光栅作为反馈元件的808 nm外腔半导体激光器，将光谱线宽压窄为0.06 nm，输出功率为35.4 mW^[23]。李斌等人采用全息光栅作为反馈元件，研究了405 nm外腔半导体激光器，调谐范围为3.5 nm，输出功率为28 mW^[24]。然而，大多数研究是针对光栅外腔激光器的结构或单一性能展开的，关于该类型激光器参数综合性能的研究较少。

国内有关外腔半导体激光器的报道多为针对蓝紫光^[25]或近红外波段^[26-27]展开的研究，关于600 nm附近波段研究较少。本文针对638 nm波段开展光栅外腔半导体激光器的研究，选用反射式全息光栅，对激光器的输出功率、阈值电流、光谱线宽、波长调谐范围及波长稳定性等参数进行研究，将使用不同刻线密度全息光栅得到的实验结果进行了对比。选用2400 l/mm和1800 l/mm刻线密度的全息光栅进行实验，均能实现稳定的窄线宽激光输出，在120 mA工作电流下，分别实现了9.4 nm和10.5 nm宽度的波长调谐，激光器输出功率分别为45.2 mW和38.7 mW。光栅外腔窄线宽半导体激光器的实验研究有利于推动其在光谱方向的应用。

2.   实验结构

图1所示为本文实验装置图，实验中使用的AlGaInP红光激光二极管（LD）的标称中心波长为638 nm，工作温度在−10 ℃至40 ℃，注入120 mA电流时，输出功率为50.6 mW，实验前未对LD的输出端面做任何镀膜处理。LD安装在带有TEC制冷器的热沉上，采用制冷器和温控器精确控温，实验过程中使温度恒定在室温（25 ℃）下。采用焦距为4.02 mm、数值孔径为0.6的非球面透镜作为准直镜，其表面镀有增透膜，LD输出光经准直后得到长约3 mm、宽约1 mm的近似椭圆光斑。光栅外腔半导体激光器的外腔设计长度为4 cm，选用的反射式全息光栅是由Thorlabs公司生产的型号为GH25-24V和GH25-18V光栅，刻线密度分别为2400 l/mm和1800 l/mm。采用长春新产业光电技术有限公司的Aurora 4000系列高分辨率光谱仪，光谱仪光学分辨率为0.1 nm（半峰全宽），功率计为Coherent的PS19Q，分辨率为0.01 mW。

图  1  实验装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of experiment setup

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实验中半导体激光器采用Littrow结构。半导体激光器（LD）的出射光经非球面透镜准直，然后入射到反射式全息光栅发生衍射，通过固定装置上的自制二维调节架实现对全息光栅的俯仰与轴向角度的调节，从而得到0级及其他级衍射光，0级衍射光作为输出光束，1级衍射光反馈回LD的有源区。微调全息光栅的角度，从而改变半导体激光器的谐振波长。

3.   实验结果与讨论

实验首先测量了LD自由运行时的功率和光谱特性，如图2所示。观察图2(a)自由运行的LD的P-I特性曲线可知，LD的阈值电流在60 mA附近。图2(b)是电流分别为60、90、120 mA时半导体激光器的输出光谱。由图2(a)可知，当注入电流低于阈值时，自由运行的LD输出功率为0，此时光斑为荧光，LD工作在自发辐射状态。由图2(b)可知，当注入电流在阈值电流60 mA附近时，所测得的光谱为多纵模输出，纵模包络的半峰全宽约为1.8 nm，说明此时半导体激光器的输出功率处于缓升阶段，且LD工作状态由自发辐射逐渐转变成受激辐射，此外，该纵模包络基本呈现了LD的増益谱分布，观察30%强度的光谱，LD的波长约为635~638 nm，这说明自由运行的LD波长调谐范围约为3 nm。当注入电流继续升高时，测得光谱的纵模明显减少，LD的输出功率也随注入电流呈线性增长，并且输出激光的中心波长发生红移。当注入电流为120 mA时，输出功率为50.6 mW。

图  2  （a）自由运行的LD的P-I特性曲线；（b）不同注入电流下的光谱特性

Figure  2.  (a) P-I characteristic curve of the free-running diode laser; (b) spectral characteristics at different currents

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在Littrow结构的半导体激光器光斑大小不变的情况下，衍射光栅刻线密度越高，光栅的角色散越大，其分离1级衍射光中不同频率成分的能力也越强，这样才能使反馈回LD内腔其他频率的干扰进一步降低。其次，光栅刻线密度越高，光栅的反馈光谱越窄，0级衍射光的光谱线宽也更窄。因此，为压窄光谱宽度和提高波长稳定性，应适当选择刻线密度较高的光栅，且光栅衍射级数仅为0级和1级。目前市场上常用的光栅参数为1200、1800和2400 l/mm，本文选择刻线密度相对较高的1800 l/mm和2400 l/mm全息光栅进行实验研究。光栅1级光衍射效率受光偏振特性的影响较大，LD的中心波长为638 nm，将Thorlabs公司提供的光栅性能曲线作为参考，当偏振方向与光栅刻线方向平行时，即p偏振入射下，1800 l/mm和2400 l/mm光栅衍射效率约为25%和15%。当偏振方向与光栅刻线方向垂直时，即s偏振入射下，1800 l/mm和2400 l/mm的光栅衍射效率约为70%和80%，经光栅反馈回LD有源区的光功率越大，输出线宽越窄，因此选择s偏振入射，以最大程度提高边摸抑制比。

图3所示为光栅外腔半导体激光器的P-I特性曲线和光谱输出特性。图3(a)的P-I特性曲线同时展示了半导体激光器自由运行时和加2400 l/mm、1800 l/mm刻线密度光栅外腔后的功率输出特性。两种光栅分别将LD阈值电流由60 mA降至51 mA和47 mA，分别降低了15%和21.7%。由于在半导体激光器中引入了光栅作为外部光反馈元件，光栅将1级衍射光反馈回增益器件引起腔面损耗的降低，从而使激光器提前由自发辐射转变成受激辐射状态，因此，与自由运行的LD相比，阈值电流明显减小。本实验中阈值电流下降幅度明显，说明外腔反馈光与LD本征腔发生较强的耦合，这与选用了衍射效率较高的全息光栅和数值孔径较大的准直透镜有关。当注入电流超过阈值时，激光器的输出功率与电流呈线性关系，电流达到120 mA时，2400 l/mm和1800 l/mm光栅外腔激光器输出功率分别是45.2 mW和38.7 mW，功率下降比例是11%和24%。P-I曲线斜率也呈下降趋势，出现这一现象的主要原因是由于反射式全息光栅1级光衍射效率高，作为输出的0级衍射光效率较低导致的，其次光栅吸收造成的损耗也会降低输出功率。在注入电流升高的过程中，测量两种外腔半导体激光器的光谱输出特性，结果见图3(b)和图3(c)，可见，当注入电流达到并超过阈值时，均能得到良好的窄线宽激光输出，将线宽压窄至3.5 pm，外腔反馈的引入有效压窄了激射线宽。从光谱波形来看，2400 l/mm和1800 l/mm光栅在整个电流范围内，都能实现稳定的窄线宽激光输出，表明外腔结构具有很好的内腔模式抑制作用。

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图  3  （a）光栅外腔半导体激光器的P-I特性曲线；（b）2400 l/mm及（c） 1800 l/mm全息光栅外腔激光器在不同电流下的光谱特性

Figure  3.  (a) P-I characteristic curve of the grating external cavity diode laser; spectral characteristic of (b) 2400 l/mm and (c) 1800 l/mm holographic grating external cavity laser at different currents

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通过二维调节架对全息光栅的角度进行微调，实现了输出激光的波长调谐，图4为光栅外腔激光器波长调谐范围随注入电流的变化情况以及注入电流为70 mA下的归一化光谱图。图4(a)给出了两种外腔激光器的调谐范围随注入电流的变化情况。由图4(a)可知，当注入电流值在阈值附近时，激光器波长的调谐范围最小。这是因为此时半导体激光器的增益谱线宽度相对较窄，故调谐范围相应减小，随着注入电流升高，波长调谐范围逐渐增大。其中，2400 l/mm光栅外腔激光器在注入电流为90 mA时，波长调谐范围最大，为9.473 nm，在70~120 mA电流下波长调谐范围均在9 nm左右；1800 l/mm光栅外腔激光器在注入电流为70 mA时，波长调谐范围最大，为10.502 nm，在70~120 mA电流波长调谐范围均在10 nm左右。总体来看，1800 l/mm外腔激光器的波长调谐范围比2400 l/mm外腔激光器的略大。由图4(b)和图4(c)可知，当注入电流为70 mA时，在波长调谐过程中均能得到稳定的窄线宽激光输出，采用2400 l/mm光栅的激光器波长调谐范围是632.587~642.006 nm，1800 l/mm光栅的则是632.498~643.006 nm，对比半导体激光器内腔激射波长638 nm，外腔激光器在短波方向的调谐范围约为6 nm，在长波方向约为4~5 nm，短波方向调谐范围略大。这种现象源于半导体增益器件有源区为量子阱结构，其増益谱分布呈现出不对称的特性，在短波方向具有明显的扩展。638 nm波长自由运行的LD波长调谐范围约为3 nm，而光栅外腔半导体激光器的波长调谐范围约为9.5 nm，相比之下，采用光栅外腔结构能够明显增大LD的波长调谐范围。

图  4  （a）波长调谐范围随注入电流的变化情况；当注入电流为70 mA时（b）2400 l/mm及（c） 1800 l/mm全息光栅外腔激光器归一化光谱图

Figure  4.  (a) Wavelength tuning range versus injection current; normalized emission spectra of (b) 2400 l/mm and (c) 1800 l/mm holographic grating external cavity lasers with injection current of 70 mA

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图5为光栅外腔半导体激光器的阈值电流随激射波长的变化情况，图6为120 mA注入电流下光栅外腔半导体激光器的输出功率随激射波长的变化情况。由图5、图6可知，当外腔激射波长远离增益中心时，其所需的激射阈值电流随之升高，激光的输出功率则呈现与之相反的规律，离增益中心越远，输出功率越低。这个现象基本反映了半导体激光器増益谱的分布特性，即当激光器阈值电流越低时输出功率越高。由此可推断，若想获得更高的输出功率，需要尽可能减小激光器的阈值电流，此外，在LD的输出端面镀减返膜有可能进一步降低外腔半导体激光器的阈值电流。由图5可知：2400 l/mm光栅外腔激光器在激射波长为637.973 nm时阈值电流最低，为51 mA，1800 l/mm光栅外腔激光器在激射波长为638.002 nm时阈值电流最低，为47 mA，在632~644 nm区域，1800 l/mm光栅外腔激光器的阈值电流始终低于2400 l/mm光栅外腔激光器的阈值电流，这与反射式全息光栅的色散能力有关。由图6可知，当注入电流均为120 mA时，要获得不同的激射波长，2400 l/mm光栅外腔激光器的输出功率总是比1800 l/mm光栅外腔激光器的高。当入射到光栅上的光斑相同时，刻线密度更高的光栅更容易获得更高的输出功率。

图  5  两种不同刻线密度下光栅外腔半导体激光器阈值电流随激射波长的变化

Figure  5.  Threshold current versus lasing wavelength for grating external cavity diode laser with different line densities

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实验对比了两种不同刻线密度的反射式全息光栅外腔激光器的各参数性能，如阈值电流、输出功率、光谱特性及波长调谐范围等。结果表明，采用2400 l/mm和1800 l/mm的全息光栅都能较好地实现模式锁定，且得到稳定的窄线宽激光输出，光谱线宽小于3.5 pm，有效降低了阈值电流，1800 l/mm光栅外腔半导体激光器仅波长调谐范围略大，在输出功率和效率方面，2400 l/mm光栅外腔半导体激光器更有优势。综上，0级衍射效率高的2400 l/mm全息光栅是本实验的最佳选择。

图  6  120 mA注入电流下光栅外腔半导体激光器输出功率随激射波长的变化情况

Figure  6.  Output power of grating external cavity diode laser versus lasing wavelength with injection current of 120 mA

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实验最后对2400 l/mm光栅外腔半导体激光器的功率和波长稳定性进行了测试。图7给出了在1 h内（采样间隔为5 min），120 mA注入电流、激射波长为638.6 nm时光栅外腔半导体激光器的功率稳定性情况，可见，外腔激光器的输出功率波动为0.7%，表明激光器具有良好的功率稳定性。图8和图9是采用波长计（High Finesse）测得的光栅外腔激光器的激光光谱和相应的1小时波长稳定性测试结果。由图8可知，在120 mA注入电流下，外腔激光器的激射波长为638.714 nm，激光器光谱线宽小于3.5 pm，可见光栅外腔结构对光谱线宽的压窄效果十分理想。图9是波长稳定性测试结果，可见，外腔半导体激光器的波长有较小幅度的变化，光栅外腔激光器的波长稳定性和线宽稳定性结果均良好。从参数性能角度来看，2400 l/mm全息光栅外腔结构的半导体激光器比普通半导体激光器性能提升较大，对比结果如表1所示。

图  7  光栅外腔半导体激光器的输出功率稳定性测试结果

Figure  7.  Output power stability of the grating external cavity diode laser

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图  8  120 mA注入电流下光栅外腔半导体激光器的输出光谱特性

Figure  8.  Spectral characteristic of the grating external cavity diode laser with injection current of 120 mA

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图  9  外腔激光器的波长及线宽稳定性测试结果

Figure  9.  Wavelength stability and line width stability of the external cavity laser

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表  1  2400 l/mm 全息光栅外腔激光器与638 nm半导体激光器参数性能对比结果

Table  1.  Performance comparison of 2400 l/mm holographic grating external cavity laser and 638 nm semiconductor laser

	Thresholdcurrent/ mA	Output power/ mW（120mA injection current）	Line width/ nm	Wavelength tuning range/ nm
Diode laser	60	50.6	1.8	3
Diode laser with grating external cavity	51	45.2	0.0035	10

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4.   结　论

本文采用全息光栅作为外腔反馈元件，设计了638 nm外腔窄线宽半导体激光器。实验研究比较了两种不同刻线密度的反射式全息光栅对AlGaInP红光激光二极管各参数特性的影响，选用2400 l/mm和1800 l/mm两种光栅进行实验，都能实现良好的窄线宽激光输出，得到较宽的波长调谐范围，有效降低了LD的阈值电流，最终选择输出功率较高、参数性能更理想的2400 l/mm光栅作为外腔反馈元件。由实验结果可知，2400 l/mm光栅外腔结构能较好地改善半导体激光器的光谱特性，其可将638 nm红光激光二极管的光谱线宽压窄至3.5 pm，波长调谐范围从3 nm增大至接近10 nm，LD阈值电流从60 mA降至51 mA。当注入电流为120 mA时得到的输出功率为45.2 mW，功率稳定性为0.7%，此外，其还具有良好的波长和线宽稳定性。本实验证明了加入全息光栅外腔结构能显著提升638 nm半导体激光二极管的各方面性能。