一种激光器光源系统

1.本实用新型涉及中远红外半导体光电器件技术和激光光谱仪技术领域，尤其涉及一种激光器光源系统。


背景技术：

2.波长3-15微米的中远红外波段包括了两个大气窗口(3-5微米，8-12微米)，其中分布着大量的气体分子的基频吸收光谱谱线，而且每种分子对应一种特定的谱线，因此被人们称为气体分子的“指纹(fingerprint)”波段。中远红外波段的光谱研究在化学、制药或食品行业的原位过程信息以及排放监测、灵敏的痕量检测、毒品污染物监测和生物传感等方面有着巨大的发展前景。红外光谱仪是进行上述所有应用基础研究的关键仪器，尽管傅里叶变换红外(ftir)光谱仪已是科研单位的标配，但ftir在上述应用方面也有存在不足和限制：
3.ftir在3-15μm采用的是红外辐射源，例如硅碳棒等，光源亮度低，所以在痕量气体检测、远距离检测等场景中检测灵敏度较低。
4.ftir的分辨率受仪器的动镜距离限制，动镜距离越长分辨率越高，仪器的体积和机械制造成本就越昂贵，目前通常实验室配备的光谱仪能达到的最高分辨率为0.125cm-1，且分辨率越高采集时间越长。
5.ftir体积较大，结构的设计不够紧凑、坚固，便携性差。
6.综上，传统的ftir不能满足基础前端研究对高亮度、高分辨率光谱的需求，中远红外波段目前缺少高亮度、高分辨、性价比高、便携式、低功耗、快速、宽调谐范围的光谱仪。
7.用激光器替代非辐射光源制备激光光谱仪可满足基础前端研究对高亮度、高分辨率光谱仪的需求。而量子级联激光器(qcl)因其波长可大范围裁剪、功率大、调谐范围大、转换效率高，体积紧凑，可靠性高等优势，正是3-15μm波段内的理想光源。因此，研究人员将qcl与闪耀光栅相结合形成光栅外腔量子级联激光器(ec-qcl)，利用光栅作为外腔中的波长选择元件，从而为光谱分析提供一个非常便携和可调谐的激光源。但是单个量子级联激光器的调谐范围有限，对于常规单个束缚到连续态有源区结构的qcl来说，激射波长4.6μm的调谐范围典型值为0.3～0.5μm，激射波长7.6μm的调谐范围典型值为1～1.5μm。显然单个qcl很难实现3-15μm的调谐谱线全覆盖，因此具有宽调谐光谱的红外光栅外腔激光光谱仪的概念应运而生。宽调谐光谱的红外光栅外腔激光光谱仪，就是用qcl替代传统的非相干辐射源，将多个ec-qcl单元集成到一起组成光源模块，通过挑选不同中心波长的qcl，使其调谐范围互相拼接，从而实现3-15μm范围内的光谱覆盖，然后将上述光源模块和探测器、电控数控模块、软件等进行集成组合，实现光谱仪的功能。但是，多个ec-qcl集成的光栅外腔激光光谱仪也面临很多问题：1.光源模块的每个ec-qcl单元都需要包含至少激光器、准直透镜、光栅三个光学元件，光源模块集成ec-qcl单元越多，系统所涉及的光学元件越多越复杂，而且光学元件都需要固定和调节，因此光路的稳定性和系统的便携性都面临很大的挑战。2.由于光谱仪输需要用输出光源照射样品，集成系统涉及了多个qcl，所以需要保证每
个ec-qcl单元的出射光的光轴重合，共光路输出，这样才方便后续样品光谱检测。


技术实现要素：

8.(一)要解决的技术问题
9.基于上述问题，本实用新型提供了一种激光器光源系统，以缓解现有技术中光谱分辨率低等技术问题。
10.(二)技术方案
11.本实用新型提供了一种激光器光源系统，包括：
12.集成板装置，包括：
13.铜板，设置有多个台阶，多个所述台阶整体呈阶梯状；
14.多个激光光源，设置于多个所述台阶上，且每个所述台阶设置有一个所述激光光源；所述激光光源用于两端发射激光，分别形成第一光路与第二光路；
15.光源反馈装置，包括：
16.闪耀光栅，用于对接收到的所述第一光路进行色散处理，形成反馈光；
17.其中，所述激光光源通过接收到的所述反馈光的作用，所述激光光源进行发射固定波长的激光；
18.光反射装置，包括：
19.转镜，用于对接收到的各所述激光光源发出的第二光路进行同轴以输出光的形式进行输出。
20.在本实用新型实施例中，所述激光光源包括：
21.量子级联激光器，用于两端发射激光形成第一发射激光及第二发射激光；
22.准直透镜，包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一准直透镜及所述第二准直透镜能够将分别接收到的所述第一发射激光及所述第二发射激光进行准直处理，分别形成第一准直光及第二准直光；
23.镀金反射镜，包括第一镀金反射镜及第二镀金反射镜，第一镀金反射镜及所述第二镀金反射镜能够将分别接收到的所述第一准直光及所述第二准直光进行反射处理，分别形成第一光路与第二光路。
24.在本实用新型实施例中，所述集成板装置还包括：
25.第一升降台，用于承载所述铜板，所述第一升降台能够调节所述铜板相对于所述光源反馈装置或所述光反射装置的位置。
26.在本实用新型实施例中，所述光源反馈装置还包括：
27.光栅架，用于夹持所述闪耀光栅；
28.光栅转台，与所述光栅架连接，所述光栅转台能够带动所述光栅架转动，进而使所述闪耀光栅完成对所述第一光路的接收。
29.在本实用新型实施例中，所述光反射装置还包括：
30.转镜转台，用于承载所述转镜，所述转镜转台能够带动所述转镜转动，进而实现对所述转镜接收到的各所述激光光源发出的第二光路进行同轴输出。
31.在本实用新型实施例中，所述光反射装置还包括：
32.第二升降台，用于承载所述转镜转台，所述第二升降台能够调节所述转镜相对于
所述激光光源的位置。
33.在本实用新型实施例中，多个所述激光光源的各所述激光光源发出的激光的波长范围不同。
34.在本实用新型实施例中，多个所述激光光源的各所述量子级联激光器的中心波长不同。
35.在本实用新型实施例中，所述集成板装置、所述光源反馈装置及所述光反射装置均设置于光学底板上。
36.(三)有益效果
37.从上述技术方案可以看出，本实用新型一种激光器光源系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
38.可实现宽调谐光谱的调节，能够保证多个集成的光栅外腔激光光谱仪所面临的便携性和多个光源同轴输出。
附图说明
39.图1本实用新型实施例激光器光源系统的结构框图。
40.图2本实用新型实施例激光器光源系统的集成板装置示意图。
41.图3本实用新型实施例激光器光源系统的整体结构示意图。
42.【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】
43.100集成板装置
44.120激光光源
45.200光源反馈装置
46.300光反射装置
47.101、102、103量子级联激光器
48.104、105、106第一准直透镜
49.107、108、109第一镀金反射镜
50.110、111、112第二准直透镜
51.113、114、115第二镀金反射镜
52.116铜板
53.201第一升降台
54.202闪耀光栅
55.203光栅架
56.204转镜
57.205转镜转台
58.206第二升降台
59.207光学底板
具体实施方式
60.本实用新型提供了一种激光器光源系统，所述激光器光源系统将光源模块的每个ec-qcl单元都需要包含的激光器、准直透镜、光栅集成到一起。解决了且光学元件的固定和
调节问题，可克服现有的激光器光源的主要缺点和不足之处。
61.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
62.在本实用新型实施例中，提供一种激光器光源系统，如图1至图3所示，激光器光源系统，包括：集成板装置100，包括：铜板116，设置有多个台阶117，多个台阶117整体呈阶梯状；多个激光光源120，设置于多个台阶117上，且每个台阶117设置有一个激光光源120；激光光源120用于两端发射激光，分别形成第一光路与第二光路。光源反馈装置200，包括：闪耀光栅202，用于对接收到的第一光路进行色散处理，形成反馈光；其中，激光光源120通过接收到的反馈光的作用，激光光源120进行发射固定波长的激光。光反射装置300，包括：转镜204，用于对接收到的各激光光源120发出的第二光路进行同轴以输出光的形式进行输出。
63.在本实用新型实施例中，如图2所示，激光光源包括：量子级联激光器101、102、103，用于两端发射激光形成第一发射激光及第二发射激光。准直透镜，包括第一准直透镜104、105、106及第二准直透镜110、111、112，第一准直透镜104、105、106及第二准直透镜110、111、112能够将分别接收到的第一发射激光及第二发射激光进行准直处理，分别形成第一准直光及第二准直光。镀金反射镜，包括第一镀金反射镜107、108、109及第二镀金反射镜113、114、115，第一镀金反射镜107、108、109及第二镀金反射镜113、114、115能够将分别接收到的第一准直光及第二准直光进行反射处理，分别形成第一光路与第二光路。
64.在本实用新型实施例中，如图3所示，集成板装置还包括：第一升降台201，用于承载铜板，第一升降台201能够调节铜板相对于光源反馈装置或光反射装置的位置。
65.在本实用新型实施例中，如图3所示，光源反馈装置还包括：光栅架203，用于夹持闪耀光栅202；光栅转台，与光栅架连接，光栅转台能够带动光栅架203转动，进而使闪耀光栅202完成对第一光路的接收。
66.在本实用新型实施例中，如图3所示，光反射装置还包括：转镜转台205，用于承载转镜204，转镜转台205能够带动转镜204转动，进而实现对转镜204接收到的各激光光源发出的第二光路进行同轴输出。
67.在本实用新型实施例中，如图3所示，光反射装置还包括：第二升降台206，用于承载转镜转台205，第二升降台206能够调节转镜204相对于激光光源的位置。
68.在本实用新型实施例中，多个激光光源的各激光光源发出的激光的波长范围不同。
69.在本实用新型实施例中，多个激光光源的各量子级联激光器的中心波长不同。
70.在本实用新型实施例中，集成板装置、光源反馈装置及光反射装置均设置于光学底板上。
71.具体地，如图2至图3所示本实用新型公开了一种激光器光源系统，包括：
72.集成板装置100，其固定于可在垂直方向移动的升降台201上，本实施例中采用qcl作为光源，qcl发出的光是tm偏振的，及偏振方向垂直于图1所示平面，而本实施实例中所使用的闪耀光栅202的垂直刻线方向入射衍射效率最高，所以本实施例中100固定于可垂直方向移动的升降台上以获得光栅的最佳衍射效率。
73.在本实用新型的一实施例中，集成板装置包括：
74.铜板116，其垂直固定于升降台上，提供支撑、散热等作用，台阶数量和量子级联激光器数量相同。
75.量子级联激光器，其在本实施例中在时域上是相互独立的，即不同时工作。实施例中数量为3个，分别是量子级联激光器101、102、103，其通过螺丝固定于铜板116的不同台阶上，量子级联激光器数量可根据实际需要增减。
76.量子级联激光器101的第一准直透镜104和第二准直透镜110，量子级联激光器102的第一准直透镜105和第二准直透镜111，量子级联激光器103的第一准直透镜106和第二准直透镜112，腔面准直透镜位于激光器的前腔面外侧，第二准直透镜位于激光器的后腔面外侧，通过紫外胶固定于铜板116上。将量子级联激光器发出的发散光准直成平行光束。
77.量子级联激光器101的第一镀金反射镜107和第二镀金反射镜113，量子级联激光器102的第一镀金反射镜108和第二镀金反射镜114，量子级联激光器101的第一镀金反射镜109和第二镀金反射镜115，通过紫外胶固定于铜板116上，用于改变光束的传播方向，分别位于第一准直透镜和第二准直透镜外侧。
78.闪耀光栅202，其固定在可旋转的光栅架203上。
79.在本实用新型的一实施例中，光栅架203通过行波减速机实现旋转。在本实用新型的另一实施例中，mems扫描光栅可将闪耀光栅202和光栅架203集成为一体，实现高频扫描。
80.在本实用新型的一实施例中，闪耀光栅202设计波长为12μm，光栅刻线为120g/mm，在波长8-15μm的范围内，垂直刻线方向光栅衍射效率均＞80％。在本实用新型的另一实施例中，闪耀光栅202设计波长为10.6μm，光栅刻线为150g/mm，在波长4.5-12.5μm的范围内，垂直刻线方向光栅衍射效率均＞80％。在本实用新型的另一实施例中，闪耀光栅202设计波长为3.5μm，光栅刻线为300g/mm，在波长2.5-6.5μm的范围内，垂直刻线方向光栅衍射效率均＞80％。可根据实际所需的系统调谐范围来选择合适的光栅。
81.转镜204，其固定在可以旋转的转镜转台205上。转镜转台205固定于可在垂直方向移动的第二升降台206上。
82.在本实用新型的一实施例中，转台通过行波减速机实现旋转。在本实用新型的另一实施例中，mems扫描振镜可将转镜204和转镜转台205集成为一体，实现高频切换。
83.光学底板207，在本实用新型的一实施例中，第一升降台201和第二升降台206、光栅转台均固定于底板上。在本实用新型的另一实施例中，可将光学底板更换为外壳，提供保护作用，方便运输。
84.在本实用新型实施例中，激光器光源系统集成了多个ec-qcl反馈光路的宽调谐外腔光路1，包括：激光器101、102、103，第一准直透镜104、105、106，前腔面镀金反射107、108、109和闪耀光栅202。
85.每个qcl都对应一个littrow外腔光路，激光器101、102、103前腔面出射的光经透镜104、105、106分别准直后通过阶梯状铜板116的和第一镀金反射镜107、108、109的反射作用，使这些光束位于同一平面内且互相平行地入射到闪耀光栅202上，闪耀光栅202选择不同频率的光反馈到激光器101、102、103中形成了ec-qcl光路，闪耀光栅202响应波长的范围很宽，而且入射光束互相平行，因此多个ec-qcl反馈光路可以共用同一块光栅，多个ec-qcl光路组合形成了集成的宽调谐外腔光路。
86.激光器101、102、103前腔面出射的光经透镜110、111、112分别准直后通过阶梯状
铜板116的和后腔面镀金反射113、114、115的反射作用，使这些光束处于同一平面内并以不同的角度入射到转镜204上的同一个点。通过转镜转台205精确控制转镜204的旋转角度，就可以实现不同ec-qcl光路同光轴输出。
87.至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型一种小型化宽调谐中红外光栅外腔量子级联激光器光源系统有了清楚的认识。
88.综上所述，本实用新型提供了一种激光器光源系统。该系统通过设计阶梯状的集成板装置将ec-qcl光路所需的激光器、前后腔面透镜、前第二镀金反射镜通过紫外胶进行固定。qcl前腔面的光通过第一镀金反射镜的反射形成互相平行且在同一平面内的光束，入射到宽频段都有极高衍射效率的闪耀光栅上形成外腔反馈。qcl后腔面的光通过第二镀金反射镜的反射形成同一平面内的光束，并以不同入射角入射到转镜上，通过旋转转镜实现同轴输出。该方案首先将大部分元件集成在一块集成板装置上，大大提高了系统的集成度和便携度；其次简化了外腔光路所需元件的机械固定和调节，用紫外胶替换了机械固定，简化系统的同时提高了稳定性；然后通过多个ec-qcl光路共用一块闪耀光栅，减少了光学元件的数量，降低了系统体积和结构的复杂程度；最后通过多光路复用机制实现多个ec-qcl同轴输出，方便后续的样品光谱测试。
89.至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
90.依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型激光器光源系统有了清楚的认识。
91.综上所述，本实用新型提供了一种激光器光源系统，所述激光器光源系统将光源模块的每个ec-qcl单元都需要包含的激光器、准直透镜、光栅集成到一起。解决了且光学元件的固定和调节问题，光学元件的调节决定着光路的平行度和光束质量，最终影响ec-qcl的调谐范围和谱线单模性，而光学元件的固定对提高系统的稳定性至关重要。由于光谱仪输需要用输出光源照射样品，集成系统涉及了多个qcl，所以需要保证每个ec-qcl单元的出射光的光轴重合，共光路输出，这样才方便后续样品光谱检测。
92.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
93.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
94.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在
一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
95.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
96.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
97.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
98.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
99.类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
100.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种激光器光源系统，其特征在于，包括：集成板装置，包括：铜板，设置有多个台阶，多个所述台阶整体呈阶梯状；多个激光光源，设置于多个所述台阶上，且每个所述台阶设置有一个所述激光光源；所述激光光源用于两端发射激光，分别形成第一光路与第二光路；光源反馈装置，包括：闪耀光栅，用于对接收到的所述第一光路进行色散处理，形成反馈光；其中，所述激光光源通过接收到的所述反馈光的作用，所述激光光源进行发射固定波长的激光；光反射装置，包括：转镜，用于对接收到的各所述激光光源发出的第二光路进行同轴以输出光的形式进行输出。2.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，所述激光光源包括：量子级联激光器，用于两端发射激光形成第一发射激光及第二发射激光；准直透镜，包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一准直透镜及所述第二准直透镜能够将分别接收到的所述第一发射激光及所述第二发射激光进行准直处理，分别形成第一准直光及第二准直光；镀金反射镜，包括第一镀金反射镜及第二镀金反射镜，第一镀金反射镜及所述第二镀金反射镜能够将分别接收到的所述第一准直光及所述第二准直光进行反射处理，分别形成第一光路与第二光路。3.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，所述集成板装置还包括：第一升降台，用于承载所述铜板，所述第一升降台能够调节所述铜板相对于所述光源反馈装置或所述光反射装置的位置。4.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，所述光源反馈装置还包括：光栅架，用于夹持所述闪耀光栅；光栅转台，与所述光栅架连接，所述光栅转台能够带动所述光栅架转动，进而使所述闪耀光栅完成对所述第一光路的接收。5.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，所述光反射装置还包括：转镜转台，用于承载所述转镜，所述转镜转台能够带动所述转镜转动，进而实现对所述转镜接收到的各所述激光光源发出的第二光路进行同轴输出。6.根据权利要求5所述的激光器光源系统，其特征在于，所述光反射装置还包括：第二升降台，用于承载所述转镜转台，所述第二升降台能够调节所述转镜相对于所述激光光源的位置。7.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，多个所述激光光源的各所述激光光源发出的激光的波长范围不同。8.根据权利要求2所述的激光器光源系统，其特征在于，多个所述激光光源的各所述量子级联激光器的中心波长不同。9.根据权利要求1所述的激光器光源系统，其特征在于，所述集成板装置、所述光源反馈装置及所述光反射装置均设置于光学底板上。

技术总结
本实用新型提供一种激光器光源系统，包括：集成板装置，包括：铜板，设置有多个台阶，多个所述台阶整体呈阶梯状；多个激光光源，设置于多个所述台阶上，且每个所述台阶设置有一个所述激光光源；所述激光光源用于两端发射激光，分别形成第一光路与第二光路；光源反馈装置，包括：闪耀光栅，用于对接收到的所述第一光路进行色散处理，形成反馈光；其中，所述激光光源通过接收到的所述反馈光的作用，所述激光光源进行发射固定波长的激光；光反射装置，包括：转镜，用于对接收到的各所述激光光源发出的第二光路进行同轴以输出光的形式输出。二光路进行同轴以输出光的形式输出。二光路进行同轴以输出光的形式输出。


技术研发人员：王欢 张锦川 刘峰奇 翟慎强 卓宁 王利军 刘俊岐 刘舒曼
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2021.10.21
技术公布日：2022/5/25