【技术实现步骤摘要】
本公开涉及外腔面发射激光器，更具体地，涉及三镜腔单纵模半导体膜外腔面发射激光器。
技术介绍
1、近年来，对量子技术和超冷原子领域的兴趣逐渐增加，使得对与原子和离子跃迁相关的非常稳定的激光器的需求也逐渐增加。迄今为止，这种兴趣主要由放大的外腔、电泵浦的边缘发射半导体激光器来满足。这种技术需要半导体材料中非常小的孔径来实现横向单模操作。因此，这些器件的功率缩放受限于增益元件的功率密度接受度。
2、为了克服这种功率限制，已经提出并实现了光泵浦表面发射器件。在这些器件中，嵌入在势垒层之间的若干量子阱层由光辐射激发，并且激光谐振器以与这些量子阱层成显著的入射角(通常为90°)的方式进行构造。与边缘发射激光增益材料相反，谐振激光束的横模不受包含光学增益材料的控制，而仅受外腔的控制。这种技术允许在增益材料中实现更大的孔径，从而提高了功率密度。
3、半导体材料的光泵浦垂直发射技术在vcsel、vecsel和mecsel配置中实现。在vcsel(垂直腔面发射激光器)器件中，腔被形成在单片器件中。为了将激光器限制为纵向单频操作，设计了光腔长度ngl(ng为组索引)，使得自由光谱范围超过增益带宽δλgain：
4、
5、由于半导体激光器的增益带宽远大于掺杂固态激光器的增益带宽，典型的光腔长度在<50μm的数量级，这限制了激光器可以在基横模下工作的横向区域。vecsel(垂直外腔面发射激光器)和mecsel(半导体膜外腔面发射激光器)利用延伸超过提供光学增益的元件的激光腔。vecsel提供了一个与增
6、由于vecsel和mecsel技术将激光腔的长度延伸到增益和反射镜结构周围的环境中，因此可以实现高效的腔内频率转换，如二次谐波生成(参见ref.[2])。
7、mecsel技术的优点
8、在典型的vecsel装置中，vecsel芯片包括提供光学增益和布拉格反射镜两者的层。在大多数情况下，这种反射镜被用作腔端反射镜。相反，mecsel芯片也包含提供光学增益的层，但不存在附接到增益结构的布拉格反射镜结构。增益元件附接在一个或两个表面上的透明散热材料(优选碳化硅)上。使用合适的碳化硅晶片材料，多量子阱结构与透明散热器的直接结合仅在必要的清洁和活化步骤下是可行的。与ref[6]中提出使用单片金刚石并且结合不同于本公开的激光方案相比，该工艺可以非常有效地在晶片级上进行。例如，100mm直径的加工已经显示出非常高的产量。
9、vecsel利用法布里-珀罗激光腔端反射镜中的一个，该反射镜经外延生长并与激光器的增益结构直接接触。可用于这些反射镜的材料(例如，gaas、alas和inp、gainasp)与自由空间激光腔中常用的典型介电氧化物和氟化物材料(例如，sio2、al2o3、mgf2、ti2o5、ta2o5)相比，具有低的折射率对比度。外延生长层的氧化是可能的，但是该工艺限制了可用的有源区。
10、在典型的vecsel配置中，通过附接到增益结构的布拉格反射镜来执行增益介质的冷却(参见ref.[2])。由于外延生长的半导体反射镜的较大的热导率，这些反射镜比介电氧化物涂层更优选。这限制了可调谐带宽方面的技术。
11、图1和图2给出了通常用于1050nm自由空间激光器(如mecsel腔)的反射镜材料的比较。图1描述了由sio2和ta2o5制成的激光腔端反射镜的反射率。相比之下，图2示出了如通常在vecsel中使用的单片生长在量子阱结构顶部上的alas和gaas的腔端反射镜的反射率性能。这两种情况都示出了具有20对高折射率和低折射率四分之一波长光学厚度的多层布拉格反射器设计。在这些示例中，可用反射率带宽增加了两倍。
12、图3示出了现有mecsel器件的基本装置。在图3所示的mecsel示意图中，增益元件104由泵浦光束和透镜101光泵浦，并被透明的散热器102和103冷却。mecsel腔由两个介电反射镜100和105形成，并产生谐振光束106。该光束的一部分107通过半透明反射镜100耦合出该腔。
13、图4示出了现有vecsel器件的基本装置。如图4所示的vecsel示意图示出了增益元件203，其由泵浦光束和透镜201光泵浦，并通过布拉格反射镜202的腔外侧冷却。激光腔由该反射镜202和外耦合反射镜200形成，并产生谐振光束204。该光束的一部分205通过半透明反射镜200耦合出该腔。vecsel装置可以利用附加的腔内散热器或者利用非线性外耦合来操作(例如，二次谐波生成，参见ref.[2])。
14、mecsel技术的另一个优点是以低成本的晶片级处理的低复杂性。仅处理增益结构而不处理布拉格反射镜保持了外延生长材料的非常好的表面质量，并且允许通过光学接触将增益材料晶片级结合到合适的透明散热器，其中范德华力形成刚性接触。
15、mecsel单频可调谐激光器设计的挑战
16、mecsel技术具有一些优于vecsel技术的独特优点，最突出的是有效使用常规涂覆的电介质宽带布拉格反射器，其实现宽的可调谐性和产生短的锁模脉冲的能力，以及高效的晶片级生产。两种技术都利用量子阱，如果激光驻波图的波腹与量子阱位置对准，则在驻波谐振器中量子阱被最有效地利用。mecsel的缺点是(与vecsel相比)，量子阱相对于由腔镜限定的激光辐射的驻波图的控相位关系不受控制。典型的vecsel设计被优化为使驻波波腹和量子阱重叠(参见ref.[3])。由于量子阱结构非常靠近一个腔端反射镜，因此在器件的调谐范围内可以很好地满足这一条件，尽管器件示出了量子阱结构周围的子腔引入的一些光谱滤波。
17、现有的频率选择方案，如双折射滤光器和标准具(参见ref.[1],ref.[2]和ref.[3])也可以用在mecsel配置中，但不提供控制量子阱多层结构内部驻波相位的方法。到目前为止，还没有驻波mecsel的无模跳调谐或长期无模跳操作的公开。通过使用行波谐振器可以避免该问题。由于半导体表面发射器的光学增益很小，以及单向激射所需的光学二极管的的吸收相对较大，不能以有效的方式使用简单的现有行波单频激光器方案。ref.[6]建议了一种使用耦合到有源激光环的稳定无源环形谐振器的方法。使用这种方法，可以使有源腔的有效吸收损耗最小化。本公开的实施例提供了在激光辐射的不期望方向的损耗与法拉第元件的有效吸收损耗之间的权衡。与本公开的实施例相反，ref.[6]中提出的方法建议了一种比较复杂的激光器设计，其在激光器的最小覆盖区和成本方面具有明显的限制。
18、在长期操作期间，连续调谐到增益带宽内的任何波长以及防止模跳，需要附加的控制特征。ref.[4]建议“mecsel中的增益结构可以放置在腔内的任何位置”。然而，利用驻波腔的仿真和测试已经表明，如果激光器需要被本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可调谐激光器，其以单纵模操作以在输出波长范围上发射可调谐辐射，所述可调谐激光器包括：
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心反射镜的反射率被配置为使得在所述中心反射镜的一侧上的光腔损耗大于在所述中心反射镜的另一侧上的光腔损耗。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括滤光器元件，其配置为用于限制可用的输出波长范围。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是双折射滤光器，所述双折射滤光器被取向为相对于所述谐振激光辐射成布儒斯特入射角。
5.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是非布儒斯特取向的双折射滤光器，并且所述可调谐激光器还包括光学元件，所述光学元件过滤所述光腔内的优选偏振。
6.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是角度基本上超过所述谐振激光辐射的发散角的标准具，或者是多层电介质滤光器。
7.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是多层电介质滤光器或体布拉格光栅。
8.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中
9.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中体布拉格光栅用作端反射镜。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端发射镜中的一个到所述中心反射镜的较长距离是从所述端反射镜中的另一个到所述中心反射镜的较短距离的整数倍。
11.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中的一个到所述中心反射镜的较短距离由抖动控制回路控制，所述控制回路被配置为寻求输入泵浦功率对输出激光功率的最高效率。
12.根据权利要求11所述的可调谐激光器，其中所述控制是通过压电元件来实现的，所述压电元件修改了所述较短距离的端反射镜相对于所述中心反射镜的距离、或对所述中心反射镜与所述较短距离的端反射镜之间的间隔物进行温度控制。
13.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中的一个到所述中心反射镜的较长距离由移动棱镜控制，或者通过移动与所述较长距离相关联的端反射镜来控制。
14.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中的一个到所述中心反射镜的较长距离被锁定到外部参考频率，其中所述外部参考频率是色散光栅光谱仪、气体吸收线、法布里-珀罗腔、由布拉格干涉产生的参考频率或频率梳。
15.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括非线性元件，所述非线性元件被配置成使用二次谐波生成SHG、差频生成DFG、或光学参量振荡和放大OPO/OPA来将所述谐振激光辐射转换成不同频率。
16.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述端反射镜中的一个由利特洛配置中的光栅形成。
17.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述光腔还被配置为经由偏振分束器耦合到环形腔部的线性腔部；
18.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括键合至所述量子阱增益区域的第二表面的第二透明散热器；
19.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括键合至所述量子阱增益区域的第二表面的第二透明散热器；
20.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述第一端反射镜到所述中心反射镜的腔内距离通过气体或气体混合物，或者从所述中心反射镜到所述第二端反射镜的腔内距离通过气体或气体混合物。
...【技术特征摘要】
1.一种可调谐激光器，其以单纵模操作以在输出波长范围上发射可调谐辐射，所述可调谐激光器包括：
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心反射镜的反射率被配置为使得在所述中心反射镜的一侧上的光腔损耗大于在所述中心反射镜的另一侧上的光腔损耗。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括滤光器元件，其配置为用于限制可用的输出波长范围。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是双折射滤光器，所述双折射滤光器被取向为相对于所述谐振激光辐射成布儒斯特入射角。
5.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是非布儒斯特取向的双折射滤光器，并且所述可调谐激光器还包括光学元件，所述光学元件过滤所述光腔内的优选偏振。
6.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是角度基本上超过所述谐振激光辐射的发散角的标准具，或者是多层电介质滤光器。
7.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中所述滤光器是多层电介质滤光器或体布拉格光栅。
8.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中的一个到所述中心反射镜的较短距离小于所述端反射镜之间的距离的1/20倍。
9.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中体布拉格光栅用作端反射镜。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端发射镜中的一个到所述中心反射镜的较长距离是从所述端反射镜中的另一个到所述中心反射镜的较短距离的整数倍。
11.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中从所述端反射镜中的一个到所述中心反射镜的较短距离由抖动控制回路控制，所述控制回路被配置为寻求输入泵浦功率对输出激光...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·沃伦津，J·杜恩，M·贝赫斯，M·基希纳，
申请(专利权)人：索雷博有限公司，
类型：发明
国别省市：
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