УСТРОЙСТВО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ НЕПРЕРЫВНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ
SEMICONDUCTING LASER DEVICE WITH EXTERNAL RESONATOR WITH PROVISION FOR CONTINUOUS FREQUENCY TUNING

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для атомной спектроскопии и метрологии.
Известен лазер с непрерывной перестройкой частоты (ELECTRONICS LETTERS, vol.22, N15, Fig.1, 17 th July 1986), содержащий модуль лазерного диода и дифракционную решетку с возможностями ее поворота и синхронного изменения длины внешнего резонатора.
Недостатком указанного лазера с чисто механическими изменениями положения дифракционной решетки и длины внешнего резонатора является относительно грубый (не точный) способ перемещения и поворота дифракционной решетки и его громоздкость. Кроме того, в известном устройстве отсутствуют средства термостабилизации лазерного диода и конкретные конструктивные признаки устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство лазера с непрерывной перестройкой частоты (A.S.Arnold, J.S.Wilson and M.G.Boshicr "A simple extended - covity diode Laser", Downloaded 16 Jun 2006 to 128.103.60.225, s.1236, … 1239), содержащее корпус, а внутри него - модуль лазерного диода, внутри которого в цилиндрической трубе с ее внешней стороны зафиксирован лазерный диод, а с инжектируемой стороны расположена линза, и дифракционную решетку, причем линза может перемещаться вдоль оптической оси и фиксироваться в выбранном положении, а дифракционная решетка может перемещаться вдоль оптической оси и поворачиваться.
Это известное устройство также имеет грубые чисто механические регулировки поворота дифракционной решетки и длины внешнего резонатора, не содержит средств термостабилизации лазерного диода, что, в конечном счете, снижает точность регулировок, стабильность работы устройства и увеличивает его габариты.
Целью изобретения является устранение недостатков известного устройства, т.е. повышение точности регулировок, стабильности работы устройства и уменьшение его габаритов путем применения комбинированного электронно-механического способа регулировок на основе высокочувствительных пьезоэлементов и специального рычага с цангой для перемещения и фиксации дифракционной решетки, а также термостата лазерного диода.
Указанная цель достигается тем, что устройство полупроводникового лазера с внешним резонатором с возможностью непрерывной перестройки частоты, содержащее корпус, а внутри него - модуль лазерного диода, внутри которого в цилиндрической трубе с ее внешней стороны зафиксирован лазерный диод, а с инжектируемой стороны расположена линза, и дифракционную решетку, причем линза может перемещаться вдоль оптической оси и фиксироваться в выбранном положении, а дифракционная решетка может перемещаться вдоль оптической оси и поворачиваться, также содержит термостат лазерного диода, первый и второй пьезоэлементы в виде керамических пластин с напыленными с двух сторон электродами, рычаг со скобообразной цангой на его свободном конце в виде цельной детали, цилиндрический вал с выемкой в середине, ось вращения рычага, настроечный и фиксирующий винты, пружину и окно в корпусе, при этом цанга имеет продольный разрез со стороны фиксирующего винта от свободного конца рычага до окончания скобообразной части цанги, равной длине вала, который вставляется в цангу через торец свободного конца рычага таким образом, что его средняя часть с выемкой открыта наружу, причем с помощью термопроводящего клея на заднюю стенку корпуса вверху справа наклеивают пластину термостата, на которую наклеивают модуль лазерного диода, ориентированный инжектируемой стороной вниз на дифракционную решетку, представляющую собой кварцевую подложку с напыленными на ней электропроводными штрихами, которую наклеивают на первый пьезоэлемент, который вклеивают в выемку вала, зафиксированного в цанге с помощью фиксирующего винта, рычаг связан осью с левой боковой стенкой корпуса, к нижней боковой стенке которого справа прикреплена пружина, притягивающая при сжатии правый свободный конец рычага вниз до упора с концом настроечного винта, ввинченного снаружи корпуса насквозь через левую часть нижней боковой стенки корпуса, причем конец настроечного винта упирается во второй пьезоэлемент, приклеенный к нижней части рычага, на верхней боковой стенке корпуса установлен разъем для подачи электропитания к лазерному диоду, термостату и пьезоэлементам, в правой боковой стенке корпуса имеется окно для выхода наружу лазерного луча.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении высокой стабильности работы устройства и высокой точности регулировок при одновременном уменьшении габаритов его примерно в два раза по сравнением с прототипом, что подтверждено практическими результатами автора, создавшего устройство размерами 60 мм×50 мм.
На фиг.1 и 2 соответственно представлены эскизы устройства полупроводникового лазера с внешним резонатором с возможностью перестройки частоты и рычага с цангой.
Устройство полупроводникового лазера с внешним резонатором с возможностью непрерывной перестройки частоты содержит корпус 1, а внутри него - модуль 2 лазерного диода, внутри которого в цилиндрической трубе 3 с ее внешней стороны зафиксирован лазерный диод 4, а с инжектируемой стороны расположена линза 5, и дифракционную решетку 6, термостат 7 лазерного диода, первый 8 и второй 9 пьезоэлементы в виде керамических пластин с напыленными с двух сторон электродами, рычаг 10 со скобообразной цангой 11 на его свободном конце в виде цельной детали, цилиндрический вал 12 с выемкой 13 в середине, ось 14 вращения рычага, настроечный 15 и фиксирующий 16 винты, пружину 17, окно 18 в корпусе и электрический разъем 19.
Цанга имеет продольный разрез 20, вал имеет шлиц 21. Кроме того, для пояснения на фиг.1 показаны оптическая ось 22, луч 23 лазера, штрихи 24 дифракционной решетки.
Внутри модуля 2 лазерного диода линза 5 может перемещаться вдоль оптической оси 22 и фиксироваться в выбранном положении. Элементы фиксации линзы 5, также как электрические связи разъема 19 с элементами внутри корпуса 1 и внешним блоком питания и элементы крепления на фиг.1 не показаны, т.к. выходят за рамки рассматриваемого технического решения.
Вал 12 вставляется в цангу 11 через торец свободного конца рычага 10 таким образом, что его средняя часть с выемкой 13 открыта наружу, причем с помощью термопроводящего клея на заднюю стенку корпуса 1 вверху справа наклеивают пластину термостата 7, на которую наклеивают модуль 2 лазерного диода, ориентированный инжектируемой стороной вниз на дифракционную решетку 6, представляющую собой кварцевую подложку с напыленными на ней электропроводными штрихами 24, которую наклеивают на первый пьезоэлемент 8, который вклеивают в выемку 13 вала 12, зафиксированного в цанге 11 с помощью фиксирующего винта 16, рычаг 10 связан осью 14 с левой боковой стенкой корпуса 1, к нижней боковой стенке которого справа прикреплена пружина 17, притягивающая при сжатии правый свободный конец рычага 10 вниз до упора с концом настроечного винта 15, ввинченного снаружи корпуса 1 насквозь через левую часть нижней боковой стенки корпуса 1, причем конец настроечного винта 15 упирается во второй пьезоэлемент 9, приклеенный к нижней части рычага 10, на верхней боковой стенке корпуса 1 установлен разъем 19 для подачи электропитания к лазерному диоду 4, термостату 7 и пьезоэлементам 8 и 9, в правой боковой стенке корпуса 1 имеется окно 18 для выхода наружу лазерного луча 23.
Все используемые в устройстве элементы, кроме специально разработанного автором рычага 10, являются элементами широкого применения.
В качестве термостата 7 применяют элемент Пельтье (микрохолодильник), в качестве модуля 2 лазерного диода - готовый модуль с лазерным диодом требуемой частоты в зависимости от назначения устройства, например, с длиной волны 0,63 микрон, а в качестве дифракционной решетки - кварцевую подложку, покрытую полимерной пленкой, на которую напыляют электропроводные штрихи толщиной, например, 1 микрон.
Устройство работает следующим образом.
Предполагается, что перед началом работы к разъему 19 устройства подключен соответствующий внешний блок питания, обеспечивающий подачу:
- на лазерный диод 4 1,5…2 В при токе 30…200 мА в зависимости от типа диода,
- на термостат 7 порядка 6 В при токе 1 А,
- на пьезоэлементы 8 и 9 регулируемое напряжение от 0 до 250 В.
Кроме того, к окну 18 подносится измеритель частоты колебаний лазерного луча, с помощью которого контролируются последующие регулировки.
Чтобы обеспечить непрерывную перестройку частоты заявленного устройства или, что то же самое, непрерывную перестройку длины волны этого устройства, необходимо согласовать смещение длины волны минимума потерь на дифракционной решетке со смещением резонансной длины волны внешнего резонатора. Проще говоря, необходимо синхронно изменять расстояние от дифракционной решетки 6 до лазерного диода 4 и угол наклона этой решетки.
Вначале осуществляют грубое регулирование, когда с помощью отвертки и шлица 21 поворачивают вал 12, а с ним и дифракционную решетку 6, добиваются максимально возможного по мощности лазерного луча в окне 18 заданной или близкой частоты (с помощью измерителя частоты), одновременно поворачивая настроечный винт 15 и перемещая по оптической оси 22 линзу 5. Добившись наилучшего положения, фиксируют вал 12 с помощью фиксирующего винта 16, уменьшая зазор продольного разреза 20 цанги 11. Угол наклона рычага 10, изменяемый вращением настроечного винта 15, уравновешивается пружиной 17.
Затем осуществляют тонкое регулирование положения дифракционной решетки при плавном регулировании напряжения на электродах пьезоэлементов 8 и 9, в результате чего пьезоэлементы пропорционально изменению напряжения микроскопически сжимаются или расширяются, соответственно перемещая в пространстве дифракционную решетку 6.