CN108063364B - 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器 - Google Patents

基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN108063364B
CN108063364B CN201810012159.3A CN201810012159A CN108063364B CN 108063364 B CN108063364 B CN 108063364B CN 201810012159 A CN201810012159 A CN 201810012159A CN 108063364 B CN108063364 B CN 108063364B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
cadmium arsenide
external cavity
semiconductor
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810012159.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108063364A (zh
Inventor
王枫秋
秦嘉嵘
孟亚飞
黄磊
黎遥
徐永兵
施毅
祝世宁
张�荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
Original Assignee
Nanjing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University filed Critical Nanjing University
Priority to CN201810012159.3A priority Critical patent/CN108063364B/zh
Publication of CN108063364A publication Critical patent/CN108063364A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108063364B publication Critical patent/CN108063364B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0657—Mode locking, i.e. generation of pulses at a frequency corresponding to a roundtrip in the cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Abstract

本发明公开了一种基于砷化镉可饱和吸收材料的半导体外腔锁模激光器。依次由可连续、直接工作于中红外波段的半导体激光器、砷化镉薄膜、衍射光栅、透镜和反射镜构成；其中半导体激光器经透镜准直、衍射光栅衍射最终聚焦在砷化镉薄膜与反射镜构成的物理组合结构上，形成锁模脉冲；用于实现锁模脉冲输出的砷化镉薄膜厚度控制在30nm‑1μm，该可饱和吸收体工作波长覆盖2‑6微米的红外区域。本发明可以在中红外波段直接实现超快、高稳定、波长可调谐的锁模脉冲输出。

Description

基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种外腔锁模半导体激光器，尤其是一种基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器。涉及属于半导体激光器外腔锁模技术及非线性光学领域。
背景技术
红外脉冲激光源是非线性光学领域中研究活跃的前沿课题，在通讯、医学、超精细加工、高密度信息存储、时间分辨光谱学等诸多领域都有广泛应用价值。目前，量子级联激光器和带间级联激光器可以直接工作于中红外波段，具有体积小、效率高、结构简单、价格便宜、便于调谐等优点。外腔半导体激光器为实现大连续调谐范围提供了一种可能的途径。它的原理是利用连续改变激光器外延腔的腔长从而连续改变激光的波长或频率。通常这类激光器工作在连续光输出模式下。要实现超短脉冲激光输出，半导体外腔激光器可通过主动锁模实现，但这种方式实现的脉冲输出通常结构复杂、稳定度差、同时调制频率与腔频精确对准，操作过程复杂。采取直接调制的方式，所能获得的最窄脉冲宽度受到限制。而被动锁模由于无需外部电控器件、生成的脉冲更短，是应用广泛的获得高峰值超快脉冲的有效手段。其中，半导体可饱和吸收体的选择直接决定了锁模脉冲的特性。可饱和吸收体表现在低入射光强时吸收损耗大,而高入射光强时由于吸收体被漂白而损耗小。通过这种对光的强度选择特点来实现锁模。目前市面上常见的被动锁模饱和吸收体材料有：半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)、石墨烯等。半导体可饱和吸收镜(SESAM)一般适用于3微米以下波段。新型的碳纳米管和石墨烯等低维可饱和吸收材料虽然具有宽带的可饱和吸收特性，却难以实现灵活调控。
砷化镉材料与石墨烯类似，具有零带隙、线性色散关系的能带结构，理论上其光吸收范围可以跨越整个中红外光谱范围。作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收光谱范围宽、重复性好、波形稳定等优势。
发明内容
本发明目的是，提出一种基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器。使用零带隙、线性能量色散关系工作在2-6微米的三维狄拉克半金属材料作为激光器被动锁模的可饱和吸收材料，采用波长可调谐、频率稳定、窄线宽的半导体激光器外腔被动锁模结构实现中红外波段被动锁模脉冲输出。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，依次由可连续、直接工作于中红外波段的半导体激光器、砷化镉薄膜、衍射光栅、透镜和反射镜构成；其中半导体激光器经透镜准直、衍射光栅衍射最终聚焦在砷化镉薄膜与反射镜构成的物理组合结构上，形成锁模脉冲；使用零带隙、线性能量色散关系的砷化镉作为激光器被动锁模所需的可饱和吸收材料，用于实现锁模脉冲输出的砷化镉薄膜厚度控制在30nm-1μm，该可饱和吸收体工作波长覆盖2-6微米的红外区域。
采用半导体外腔结构实现一种波长可调谐、频率稳定、窄线宽的被动锁模激光器。
使用工作波长覆盖2-6微米红外区域的连续输出的，能够在室温下连续工作的中红外半导体激光器作为激光源，同时提供腔内增益。
采用工作于宽带中红外波段衍射光栅，用于外腔激光器工作波长选择。
采用中红外波段高透射率的透镜，用作半导体激光器输出光束的准直与聚焦。
可饱和吸收材料主要采用分子束外延法制备砷化镉薄膜，将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上，反射镜可以直接在砷化镉表面沉积生长。
砷化镉薄膜可饱和吸收体通过精确控制材料的生长时间、速率、温度和掺杂元素浓度等条件来设计并调整该可饱和吸收体的非线性光学参数，常见的掺杂元素有Cr、In、Na或K。
所述的中红外半导体激光器为注入区由InAs,AlSb,GaSb超晶格材料构成,可以在室温下连续工作的中红外量子级联激光器、带间级联激光器。
砷化镉材料在中红外波段具有超快可饱和吸收特性，用于实现锁模脉冲输出。这种基于砷化镉可饱和吸收材料的半导体外腔锁模激光器可以在中红外波段直接实现超快、高稳定、波长可调谐的锁模脉冲输出。
有益效果，本发明提供的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器与现有技术相比，采用直接工作于中红外波段的量子级联激光器、带间级联激光器，砷化镉材料作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收光谱范围宽、重复性好、波形稳定等优势，与石墨烯一样，具有零带隙、线性色散关系的能带结构，理论上其光吸收范围可以跨越整个中红外光谱范围,因此该发明可以在红外波段实现稳定、高度可重复并且波长可调控的脉冲输出。基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器具有集成度高、稳定性高、工作波长可调谐、更容易获得高重复频率超短脉冲等优点。
附图说明
图1为实施例1基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。
图2为实施例2基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。
图3为实施例3基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。
图4为实施例4基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。
图中：1、一端全透一端半反半透的中红外量子级联激光器，2、准直透镜，3、中红外衍射光栅，4、准直透镜，5、砷化镉薄膜可饱和吸收体，6、金镜，7、带间级联激光器，8、一端全透一端全反的量子级联激光器，9、半反半透镜，10、两端全透的中红外量子级联激光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
所述的中红外量子、带间级联激光器是注入区由数字化分级破隙型的I InAs/AlSb/GaSb超晶格材料构成,可以在室温下连续工作的中红外半导体激光器。
使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为激光器被动锁模所需的可饱和吸收材料(5)，该可饱和吸收体工作波长覆盖2-6微米的红外区域，用于实现锁模脉冲输出。主要采用分子束外延法制备砷化镉薄膜，将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上。通过精确控制材料的生长时间、速率和温度等条件来设计并调整该可饱和吸收体的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的红外光学开关器件，其中对砷化镉薄膜样品进行掺杂，掺杂元素有Cr、In、Na或K。
砷化镉薄膜分子束外延生长的具体条件如下：镉源和砷源纯度：～99.999％(5N)；腔室压强：～10-8mbar；衬底温度：～170℃；生长速率：～1nm/分钟。
使用工作波长覆盖2-6微米红外区域的连续输出的半导体激光器作为激光源，同时提供腔内增益。采用工作于宽带中红外波段衍射光栅，用于外腔激光器工作波长选择。采用中红外波段高透射率的透镜，用作半导体激光器输出光束的准直与聚焦。
具体实施例1：基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，结构如图1所示。由一端全透一端半反半透的中红外量子级联激光器(1)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀半反半透膜下端镀全透膜的中红外量子级联激光器(1)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与金镜(6)组合结构上，经金镜反射后原路返回，锁模激光最终由中红外量子级联激光器(1)上端出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀1μm的金膜。
具体实施例2：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器结构，如图2所示。由一端全透一端半反半透的中红外带间级联激光器(7)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀半反半透膜下端镀全透膜的中红外带间级联激光器(7)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与金镜(6)组合结构上，经金镜反射后原路返回，锁模激光最终由中红外带间级联激光器(7)上端出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀1μm的金膜。
实施例3：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器结构，如图3所示。由一端全透一端全反的中红外量子级联激光器(8)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和一面全透一面半反半透的平面镜(10)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀全反膜下端镀全透膜的中红外量子级联激光器(8)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与半反半透镜(9)组合结构上，经平面镜反射后原路返回，锁模激光最终由平面镜半反半透面出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和半反半透镜(9)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀半反半透膜。
实施例4：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，结构如图4所示。由中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(2)、两端全透的中红外量子级联激光器(10)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)半反半透镜(9)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，两端镀全透膜的中红外量子级联激光器(10)后端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与半反半透镜(9)组合结构上，经平面镜反射后原路返回，锁模激光最终由平面镜半反半透面出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和半反半透镜(9)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀半反半透膜。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施实例相同或近似的结构，而得到的其它结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于，由可连续、直接工作于中红外波段的半导体激光器、砷化镉薄膜、衍射光栅、透镜和反射镜构成了波长可调谐、窄线宽的中红外半导体激光器；其中半导体激光器经透镜准直、光栅衍射最终聚焦在砷化镉薄膜与反射镜构成的物理组合结构上，形成锁模脉冲；所述的中红外半导体激光器为注入区由InAs, AlSb, GaSb超晶格材料构成、能在室温下连续工作的中红外量子级联激光器或带间级联激光器；
采用半导体外腔结构实现一种波长可调谐、频率稳定、窄线宽的半导体外腔锁模激光器；
使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属砷化镉薄膜器件作为激光器被动锁模所需的可饱和吸收材料，该可饱和吸收体工作波长覆盖2-6微米的红外区域，用于实现锁模脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于：使用工作波长覆盖2-6微米红外区域的连续输出的，能在室温下连续工作的中红外半导体激光器作为激光源，同时提供腔内增益。
3.根据权利要求1所述的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于：采用工作于宽带中红外波段衍射光栅，用于外腔激光器工作波长选择。
4.根据权利要求1所述的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于：采用中红外波段高透射率的透镜，用作半导体激光器输出光束的准直与聚焦。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于：砷化镉薄膜可饱和吸收体采用分子束外延生长，反射镜可以直接在砷化镉表面沉积生长。
6.根据权利要求1-4之一所述的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，其特征在于：砷化镉薄膜可饱和吸收体通过精确控制材料的生长时间、速率、温度和掺杂元素浓度来设计并调整该可饱和吸收体的非线性光学参数，掺杂元素有Cr、In、Na或K。
CN201810012159.3A 2018-01-05 2018-01-05 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器 Active CN108063364B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810012159.3A CN108063364B (zh) 2018-01-05 2018-01-05 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810012159.3A CN108063364B (zh) 2018-01-05 2018-01-05 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108063364A CN108063364A (zh) 2018-05-22
CN108063364B true CN108063364B (zh) 2020-06-26

Family

ID=62141342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810012159.3A Active CN108063364B (zh) 2018-01-05 2018-01-05 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108063364B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109326949B (zh) * 2018-12-12 2019-10-15 中国科学院理化技术研究所 一种大腔模体积超快激光反馈放大器
CN115498491B (zh) * 2022-10-28 2023-04-28 北京工业大学 一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005031623A (ja) * 2003-07-12 2005-02-03 Korea Electronics Telecommun 光偏向器が集積された光素子及びこれを用いた外部共振器型波長可変レーザ
JP2009283531A (ja) * 2008-05-20 2009-12-03 Yokogawa Electric Corp 波長可変光源
CN104466672A (zh) * 2014-12-29 2015-03-25 中国科学院半导体研究所 基于半导体激光器阵列的对输出光进行调制的激光器
CN105490146A (zh) * 2016-01-12 2016-04-13 南京大学 三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6710911B2 (en) * 2001-03-02 2004-03-23 Evident Technologies Optical wavelength converter
US7110640B2 (en) * 2001-07-19 2006-09-19 Evident Technologies Reconfigurable optical add/drop filter
US8571075B2 (en) * 2010-11-29 2013-10-29 Imra America, Inc. Frequency comb source with large comb spacing
JP2008130805A (ja) * 2006-11-21 2008-06-05 Yokogawa Electric Corp 外部共振器型波長可変光源
US7916763B2 (en) * 2008-11-26 2011-03-29 Corning Incorporated Current driven frequency-stepped radiation source and methods thereof
WO2014039942A2 (en) * 2012-09-10 2014-03-13 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Multi-chip vecsel-based laser tunable independently at multiple wavelengths
CN105610041B (zh) * 2016-01-22 2019-12-03 四川大学 低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统
CN105896256A (zh) * 2016-06-29 2016-08-24 电子科技大学 双波长可调谐的中红外脉冲光纤激光器及获得激光的方法
CN106772733B (zh) * 2016-12-26 2019-04-05 南京大学 三维狄拉克半金属衍射光栅

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005031623A (ja) * 2003-07-12 2005-02-03 Korea Electronics Telecommun 光偏向器が集積された光素子及びこれを用いた外部共振器型波長可変レーザ
JP2009283531A (ja) * 2008-05-20 2009-12-03 Yokogawa Electric Corp 波長可変光源
CN104466672A (zh) * 2014-12-29 2015-03-25 中国科学院半导体研究所 基于半导体激光器阵列的对输出光进行调制的激光器
CN105490146A (zh) * 2016-01-12 2016-04-13 南京大学 三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件

Also Published As

Publication number Publication date
CN108063364A (zh) 2018-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5278855A (en) Broadband semiconductor saturable absorber
US9065246B2 (en) Infrared laser
EP0732613B1 (en) Laser with a saturable Bragg reflector
CN105490146B (zh) 三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件
US20130188664A1 (en) Ultra-broadband graphene-based saturable absorber mirror
CN108063364B (zh) 基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器
Heffernan et al. All optical, high contrast absorptive modulation in an asymmetric Fabry–Perot étalon
CN104779514A (zh) 宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置
Xia et al. External-cavity mode-locked quantum-dot laser diodes for low repetition rate, sub-picosecond pulse generation
CN207664438U (zh) 一种半导体外腔锁模激光器
US20230105777A1 (en) Mid-infrared semiconductor saturable absorber mirror based on inas/gasb superlattice and preparation method thereof
Klehr et al. Compact ps-pulse laser source with free adjustable repetition rate and nJ pulse energy on microbench
CN112086856B (zh) 一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法
CN204517132U (zh) 宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置
CN103326239B (zh) 复合构型可调谐光栅外腔双模激光器
US11239627B2 (en) Waveguide integrated optical modulator, pulsed optical frequency comb and mode-locked fiber laser
CN109713565B (zh) 波长快速调谐的半导体纳米线激光器
Grange et al. Antimonide semiconductor saturable absorber for 1.5 m
Nonaka et al. Electronic optical bistability in an InGaAs/InAlAs multiple quantum well étalon at 1.5 μm wavelength
CN208782231U (zh) 一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件
Kifle Fabrication and characterization of waveguide lasers operating in the infrared spectral range
Karimi et al. Programmable Metastructures for Directional Light Emission
Mundry Nonlinear Optical Functionalities of VO2-and GaN-based Nanocomposites
Zogg et al. Epitaxial lead-chalcogenides on Si and BaF2 for mid-IR detectors and emitters including cavities
Bae et al. Crystalline waveguides with carbon nanomaterials for miniaturized pulsed lasers-INVITED

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant