基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，属于激光器领域，包括增益物质、准直组件和超表面窄带反射镜，其中，超表面窄带反射镜的表面为亚波长周期性结构的超表面，该超表面仅对目标波长进行反射、对非目标波长进行透射，减小谐振的带宽，实现窄带滤波；由增益物质发射的信号光经过准直组件变为平行光垂直入射至超表面上；由超表面和增益物质的另一端外侧增反膜构成仅对目标波长光谐振放大的谐振腔，选择激光波长的同时对其不断震荡放大，最终形成激射，激射光透过超表面输出。本发明专利技术的外腔激光器具有波长稳定性好、边模抑制比高、线宽窄、调节容差大、制作工艺简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器
本专利技术属于激光器
，更具体地，涉及一种基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器。
技术介绍
自1962年第一台半导体激光器问世以来，在这半个世纪中，半导体激光器产业迅速发展，随着输出功率和光束质量的不断提高，半导体激光器被广泛的应用在诸多领域之中。如激光打标、光谱研究、放大器、密集波分复用技术、固体激光器泵浦源等。此外，半导体激光器还被广泛的应用在生活领域如指示器、条形码扫描器、打印机等。半导体激光器具有许多独特的优势，如体积小，光电转换效率高，驱动功耗低，覆盖范围广等。但是也存在着一些严重的不足，如线宽较宽，虽然有些半导体激光器可以达到10MHz左右，但远达不到许多系统要求的理想单模窄线宽(亚kHz)的要求。外腔半导体激光器克服了普通半导体激光器线宽较宽、频率稳定性差的缺点。且它效率高、寿命长、频率稳定，可以广泛应用于光波器件测量、计量检测、水质检测、高分辨率光谱分析等领域。目前常用的外腔半导体激光器一般利用光栅结合，主要有光纤光栅、闪耀光栅、体布拉格光栅等，设计原理上类似，通过在外腔中插入分光元件，利用分光元件与腔外反馈机制来实现激光波长的调谐。光栅器件本身对于温度以及应变比较敏感，这也导致由光栅制作而成的光栅外腔半导体激光器易受外界环境影响而导致外腔系统的不稳定，进而影响输出激光的稳定性。另外基于光栅结构的半导体激光器需要复杂的沉积再生长以及高精度的光刻工艺，整体制作工艺较为繁杂。因此，解决传统的窄线宽外腔激光器装配工艺复杂、工艺容差低、对环境波动敏感等缺陷，成为本领域的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其目的在于，通过超表面窄带反射镜对目标波长进行反射、对非目标波长进行透射，减小谐振的带宽，实现窄带滤波；由增益物质和超表面窄带反射镜构成谐振腔，由此解决外腔激光器线宽较宽、结构复杂、对环境波动敏感、稳定性差等技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其特征在于，包括增益物质、准直组件和超表面窄带反射镜，其中，所述增益物质的一端为光出射端，用于射出信号光，该信号光经过所述准直组件准直后变为平行光垂直入射至所述超表面窄带反射镜的表面上；所述超表面窄带反射镜的表面为亚波长周期性结构的超表面；所述超表面对非目标波长进行透射和输出，对目标波长进行反射；该反射的目标波长经过所述准直组件、所述增益物质的一端入射至所述增益物质的另一端外侧；所述增益物质的另一端外侧镀有增反膜，用于作为反射镜，将入射光再次反射，经过所述准直组件入射至所述超表面上；以此方式，由所述增益物质的另一端外侧增反膜和所述超表面窄带反射镜构成谐振腔，结合所述增益物质对目标波长的光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光透过所述超表面输出。由增益物质发出的信号光经过准直组件垂直入射到超表面窄带反射镜的超表面上，超表面为亚波长周期性结构。对于亚波长周期性结构而言，垂直入射的光束能够激发该结构内部光场的集群性相干振荡，这种光场的局域振荡与入射光相互作用能够改变光的透射与反射特性。信号光激发超表面内部的相干震荡，使超表面窄带反射镜对满足内部振荡条件的目标波长具备高反射率，对其他非目标波长具备高透过率，并且减小反射光谐振的带宽，进而减小谐振后透射的激光的带宽，实现窄带滤波；透射的波长直接进行输出，反射的目标波长入射至作为反射镜的增益物质的另一端外侧增反膜；由超表面窄带反射镜、增益物质的另一端外侧增反膜构成谐振腔，结合增益物质，选择激光波长的同时对其不断震荡放大，最终形成激射，激射光透过超表面输出。优选地，所述超表面上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的阵列；以此方式，通过调整超表面上单个微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和排布周期、多个微纳图形阵列的拼接，使所述超表面仅对目标波长进行反射、对非目标波长进行透射，减小谐振的带宽，实现窄带滤波。通过调整超表面上单个微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和排布周期、多个微纳图形阵列的拼接，使超表面窄带反射镜对满足内部振荡条件的目标波长具备高反射率，对其他非目标波长具备高透过率，并且减小反射光谐振的带宽，进而减小谐振后透射的激光的带宽，实现窄带滤波。通过在超表面结构上将一个或多个具有不同反射波长的微纳图形阵列进行拼接，使超表面窄带反射镜同时对多个波长具备高反射率，对其他波长具备高透过率，则可实现多波长外腔激光器。激光器输出的激光波长由超表面窄带反射镜的目标波长(法诺谐振峰)决定。优选地，上述基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器还包括代替所述增益物质的另一端外侧增反膜作为反射镜的第二反射镜，并且所述增益物质的另一端外侧镀有增透膜、不用于作为反射镜；所述第二反射镜设置于所述增益物质的另一端外侧；以此方式，由所述第二反射镜和所述超表面窄带反射镜构成谐振腔，结合所述增益物质对目标波长的光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光透过所述超表面输出。采用第二反射镜代替增益物质的另一端外侧增反膜作为反射镜，给出备选方案使本专利技术更易实现。优选地，调整所述增益物质另一端外侧的增反膜的反射率，激射光透过所述增益物质另一端输出，不透过所述超表面输出。给出激射光输出的备选方案使本专利技术更易实现。优选地，所述增益物质的带宽覆盖所述超表面窄带反射镜的谐振波段，能够对反射光进行放大。优选地，所述准直组件是单个准直透镜或多个准直透镜的组合。通过准直组件对信号光执行准直，提高了超表面窄带反射镜的调节容差，进一步提高了激光器输出的稳定性；采用多个准直透镜准直光路，进一步提高光平行性，进而提高超表面窄带反射镜的调节容差，进一步提高激光器输出的稳定性；当增益物质的输出光束平行度较好时，准直组件可以适当精简，灵活调整。优选地，所述微纳图形阵列中的微纳图形排布为四方晶格，六方晶格或者准晶格。优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。以上微纳图形采用常规工艺制作即可，制作工艺简单。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、由超表面窄带反射镜、增益物质的另一端外侧构成仅对目标波长光谐振放大的谐振腔，选择激光波长的同时对其不断震荡放大；由于激光输出波长主要由超表面窄带反射镜的反射波长(法诺谐振波长)决定，进而提高了激光器输出的稳定性；采用准直组件对信号光执行准直，提高了超表面窄带反射镜的调节容差，进一步提高了激光器输出的稳定性；2、本专利技术通过调整超表面上单个微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和排布周期、多个微纳图形阵列的拼接，使所述超表面仅对目标波长进行反射、对非目标波长进行透射，减小谐振的带宽，实现窄带滤波；通过调节微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和排布周期、多个微纳图形阵列的拼接，来调节超表面窄带反射镜反射波长、法诺谐振品质因数和消光比，提高激光输出的稳定性；本专利技术将超表面窄带反射镜的波长选择特性应用到外腔激光器上，激光器的输出波长完全由超表面自身谐振波长决定，不受谐振腔长度影响，具有波长稳定性好、边模抑制比高、线宽窄、调节容差大、结构简单的优点；3、采用第二反射镜代替增益物质的另一端外侧作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其特征在于，包括增益物质、准直组件和超表面窄带反射镜，其中，所述增益物质的一端为光出射端，用于射出信号光，该信号光经过所述准直组件准直后变为平行光垂直入射至所述超表面窄带反射镜的表面上；所述超表面窄带反射镜的表面为亚波长周期性结构的超表面；所述超表面对非目标波长进行透射和输出，对目标波长进行反射；该反射的目标波长经过所述准直组件、所述增益物质的一端入射至所述增益物质的另一端外侧；所述增益物质的另一端外侧镀有增反膜，用于作为反射镜，将入射光再次反射，经过所述准直组件入射至所述超表面上；以此方式，由所述增益物质的另一端外侧增反膜和所述超表面窄带反射镜构成谐振腔，结合所述增益物质对目标波长的光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光透过所述超表面输出。

【技术特征摘要】
1.基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其特征在于，包括增益物质、准直组件和超表面窄带反射镜，其中，所述增益物质的一端为光出射端，用于射出信号光，该信号光经过所述准直组件准直后变为平行光垂直入射至所述超表面窄带反射镜的表面上；所述超表面窄带反射镜的表面为亚波长周期性结构的超表面；所述超表面对非目标波长进行透射和输出，对目标波长进行反射；该反射的目标波长经过所述准直组件、所述增益物质的一端入射至所述增益物质的另一端外侧；所述增益物质的另一端外侧镀有增反膜，用于作为反射镜，将入射光再次反射，经过所述准直组件入射至所述超表面上；以此方式，由所述增益物质的另一端外侧增反膜和所述超表面窄带反射镜构成谐振腔，结合所述增益物质对目标波长的光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光透过所述超表面输出。2.如权利要求1所述的基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述超表面上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的阵列；以此方式，通过调整超表面上单个微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和排布周期、多个微纳图形阵列的拼接，使所述超表面仅对目标波长进行反射、对非目标波长进行透射，减小谐振的带宽，实现窄带滤波。3.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金松，朱良秋，曾成，袁帅，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42