深圳镭尔特光电科技有限公司

基于外腔半导体激光器的LD

2026-06-29

在高精度原子吸收光谱或气体分析中，为克服商用标准激光二极管（LD）的波长调谐能力及其光谱特性应用的局限性，常用的方法是在LD芯片中引入光栅或布拉格反射结构,如分布反馈式（DFB）和分布式布拉格反射（DBR）。体全息光栅（VHG）激光器也使用布拉格反射镜，只有满足光栅布拉格条件的光波长才能反射回激光腔内，在某一温度和电流范围上提供最稳定的波长性能。

在蓝光谱区（约395-425 nm）DFB、DBR激光二极管产品较少，2025年Indie推出Visible Distributed Feedback Laser Diode，如下图。

此外，还有外腔激光器（ECL）。因为ECL可以集成多种LD，所以是能提供蓝光或红光窄线宽辐射的少数方式之一。设计波长范围选择更大，线宽更窄，也可以有相当宽的调谐范围。

外腔半导体激光器举例：

1）Littrow和Littman-Metchalf外腔半导体激光器；

2）反射式体布拉格光栅（R-VBG）外腔激光器；

3）光纤布拉格光栅外腔半导体激光器

4）基于锥形反射器和超窄滤光片的外腔激光器。

外腔激光器LD芯片内腔纵模会干扰外腔镜的选频作用和调谐功能，为此芯片的耦合端面必须做减反射处理。抗反射涂层的主要作用：

1）激光器前、后两个反射面反射率的微小变化会对从激光器前端和后端发出的光功率比I₁/I₂产生显著影响。抗反射涂层可将对称的激光发射转变为定向发射，使主要的发射功率来自该激光端面。上图Fig.3

2）有源涂层影响LD的阈值电流以及量子效率。阈值电流密度（以原始值为基准进行归一化）与反射率呈指数关系。上图Fig.4

3）有源涂层极大地扩展了激光二极管的总调谐范围。根源可以从半导体材料的能带结构E(k) 中得到解释。上图Fig.5

4）抗反射涂层能显著扩大外腔中 LD的无模式跳变调谐范围。这一效果可以通过二极管激光器相干塌陷（Coherence Collapse）的分析来加以解释。当有外部光反馈（如光从外腔反射回激光二极管内部）时，如果反馈光的相位和强度达到某个临界点，激光器原本稳定的单频相干输出就会被破坏。这会导致光谱急剧展宽、线宽大幅增加，甚至出现混沌行为。这种从稳定相干状态向混沌或多模状态的退化，就被称为“相干塌陷”。外腔激光器在调谐波长时，必须保证光栅选频和腔体谐振完美同步，才能避免跳模（Mode-hop），决定激光器能否实现宽范围无跳模调谐的物理限制，本质上与“相干塌陷”的触发条件是一样的，它们都受到外部光反馈延迟效应的制约。上图Fig.6