可调谐外腔半导体激光器（external-cavity diode laser, ECDL）通过引入衍射光栅等光学反馈元件，对激光器的输出频率进行筛选，
将线宽从几十兆赫兹压窄至 千赫兹，可以运用于精密稳频控制的量子光学领域，诸如冷原子干涉实验等。本文简单介绍了可调谐外腔
半导体激光器的工作原理。
半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器，具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜，以及可以高速工作等一系列优
点在光盘驱动器、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面得到重要运用。但单模半导体激光器的线宽可达到几十MHz，对于高
分辨率光谱、激光冷却等对激光频率有严格要求的领域而言不适合使用。而通过引入衍射光栅等光学反馈元件，构成的外腔半导体激光
器能对线宽压窄，产生高质量激光。
1、可调谐外腔半导体激光器的基本模型
图1 外腔半导体激光器基本结构示意图
外腔半导体激光器是在原有半导体激光器的基础上，通过引入外部光学反馈元件，达到选频以及改善激光器性能的作用，简单的结构示
意图如图1所示。
其中半导体激光器自身的谐振腔称为内腔，而激光器的后反射面以及外腔镜所构成的谐振腔称为外腔。外腔镜将部分二极管激光器输出
光反馈回内腔，反馈光束会引起激光输出强度振荡，其频率会随着腔长、激光设计以及工作条件而发生变化。正是基于二极管激光器对
于光反馈敏感的这个特性，外腔起到了波长选择的作用，使得外腔半导体激光器输出的线宽远小于单个二极管激光器工作时的线宽。并
且通过外腔谐振实现选模以及波长的可调谐性能够有效避免温度以及注入电流的变化导致的不稳定性。
清华大学柴燕杰等推导出了外腔半导体激光器的线宽表达式，引入外腔反馈因子和Henry线宽增强因子，为了得到较窄的线宽，需增强
外腔反馈因子，应选择长外腔长度、高衍射光栅反射率和低芯片后端面反射率。
通过调整外腔镜位置或旋转外腔镜等方式，改变激光器的外腔长度和外腔镜选频模式，使外腔镜反馈频率曲线和外腔频率曲线的移动速
率相匹配，得到连续无跳模可调谐的单模输出，如图２所示。
图2 外腔激光器波长调谐示意图
2、衍射光栅型外腔半导体激光器
外腔半导体激光器通过改变激光器的外腔腔长改变输出光的频率，可实现大范围连续可调谐输出。衍射光栅型外腔半导体激光器是较为
常见的外腔二极管激光器设计，典型的有Littrow和Littman-Metcalf两种结构，如图3所示。Littrow结构中，激光二极管出射的激光通
过准直透镜后进入衍射光栅，其中一级衍射光沿原光路返回至内腔，而零级光作为输出光。激光器的波长由腔内形成的驻波决定，驻波
的一个节点位于光栅凹槽，另一个则位于反射镜镜面。因此输出的波长主要由光栅以及腔长决定，通过改变光栅位置调谐激光器的输出
光波长，如平移以及旋转光栅。这样随着有效腔长的增加以及光栅的反馈进行频率选择、激光稳频和缩小线宽。衍射光栅型外腔半导体
激光器激射波长同时满足激光器相位条件公式和光栅方程：
λ=2L/q
λ=2dsinθ
其中，λ为激射波长，Ｌ为外腔激光器腔长，ｑ为模式数，ｄ为光栅常数，θ为入射角（与一级衍射角相等）。方程中也表现出改变腔
长和一级衍射角可以进行选模，实现激光调谐。
Littman-Metcal结构则是在Littrow的基础上增加了反射镜，通过旋转反射镜即可实现激光器的可调谐。一级衍射光经反射镜反射发生
第二次衍射，然后反馈进入内腔，形成谐振。经过模式竞争，一级衍射光模式得到放大，其他振荡模式得到抑制，激光器实现单模输
出。
图3 两种典型衍射光栅型外腔半导体激光器结构示意图
（a）Littrow结构（b）Littman-Metcalf结构
Littrow光栅外腔结构和Littman光栅外腔结构都有各自的优缺点，一般而言Littrow光栅外腔结构相对简单，体积小，成本低，但衍射
出去的零级光束的方向随光栅角度的改变而变化，使用起来不方便；Littman光栅结构的零级输出光光束方向是固定不变的，并且它的
一级衍射光在光路中衍射了两次，激射谱线宽度变的更窄，但是平面镜只把一级衍射光反射了回来，因此在同样的条件下Littman光栅
结构的输出功率小于Littrow光栅结构的输出功率。
3、猫眼式外腔半导体激光器
猫眼式（Cateye）外腔半导体激光器是一种新型结构，使用猫眼式反射镜与超窄带宽滤波器组合来替代传统光栅型Littrow或Littman
结构。猫眼式反射镜的一个重要优势在于猫眼反射镜本身是自对准的，无论入射角如何，入射光束经过猫眼光学系统后能够按照入射方
向原路返回二极管，即使光束没有很好地准直。因此输出激光对机械干扰非常不敏感，也确保了高反馈耦合效率，从而获得窄线宽。
Thompson和Scholten的文章中通过780nm二极管激光器演示了猫眼式外腔半导体激光器原理，表明波长通过旋转滤波器可以调谐超
过14nm，而测量到的窄线宽为26kHz，与传统基于光栅设计的半导体激光器相比，频率噪声和对震动的灵敏度大大降低。
图4 猫眼式外腔半导体激光器的示意图
图4展示了猫眼式外腔半导体激光器的示意图。由激光二极管的后反射面和输出耦合器（OC）组成的外腔决定了激光频率。用腔内超
窄带宽滤波器选择纵模模式。输出耦合器与腔内透镜组成猫眼反射镜，光通过腔外输出透镜进行再准直。
4、未来方向
可调谐外腔半导体激光器正朝着窄线宽、宽调谐范围、高输出功率等方向发展。通过新材料（光学反馈元件、半导体激光器）的选择、
新的外腔结构设计，以及主动稳频等技术来改善激光器的光谱质量， 满足各种应用的要求，实现体积小、线宽窄、调谐范围宽、无模
式跳变、扫描频率快、频率和波长稳定、相位和频率噪声低，以及与光纤耦合的高性能激光器， 在未来光通信和精密测量等领域将有
广泛的应用前景。
相关文献：
[1]Thompson D J , Scholten R E . Narrow linewidth tunable ECDL using wide bandwidth filter. IEEE, 2011.
[2]徐周翔. 冷原子干涉实验的激光频率以及过程的自动控制[D].浙江大学,2012.
[3]花金平,江毅.可调谐外腔半导体激光器研究进展[J].半导体光电,2021,42(01):11-19+56.
[4]柴燕杰,吴群,张汉一,周炳琨.窄线宽外腔半导体激光器[J].激光与红外,1988(10):7-9.．
[5]康传振. 基于DMD的InAs/GaAs量子点外腔激光器的性能研究[D]. 曲阜师范大学, 2014.
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