CN107508142B - 一种非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法 - Google Patents

一种非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法，所述光学谐振腔包括：顶部反射镜和底部反射镜，所述顶部反射镜和所述底部反射镜之间形成腔体，所述腔体内填充介质；所述顶部反射镜包括相对设置的两块平面反射镜，所述两块平面反射镜相对于所述底部反射镜具有相同倾角；所述底部反射镜为平面反射镜。本发明通过使谐振腔具有倾斜的顶部反射镜，使得垂直于底部反射镜的入射光束在谐振腔内行进过程中自再现时光程增加，与平行平面谐振腔具有不同的谐振条件，可获得较小的线宽和较大的Q值，并且将光场能量有效地控制在一定的区域内，减小了衍射损耗。

Description

一种非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种可用于激光器或滤波器等光电子器件的非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法。
背景技术
自从激光技术问世以来，光学谐振腔的研究备受关注，其理论与应用对现代光学技术发展产生了巨大的推动作用。光学谐振腔是激光器的重要组成部分，其主要作用是提供光学正反馈和对振荡光束进行控制。此外，光学谐振腔在光探测器、滤波器及光传感中也有广泛的应用、设计和改进，满足各种需求且性能优异的谐振腔一直是目前的研究热点。
现有技术中，常见的谐振腔有平行平面光学谐振腔和球面光学谐振腔，平行平面光学谐振腔制作简单，光束方向性好，腔内光场分布比较均匀，其缺点是精度要求高，衍射损耗和几何损耗都比较大；球面光学谐振腔相对平行平面谐振腔有小的衍射损耗，易于得到单端输出和准直的平行光束，但是光束强度分布不均匀，制作工艺较为复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的上诉缺陷，本发明提供一种非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法。
本发明的一方面提供一种光学谐振腔，包括：顶部反射镜和底部反射镜，所述顶部反射镜和所述底部反射镜之间形成腔体，所述腔体内填充介质；所述顶部反射镜包括相对设置的两块平面反射镜，所述两块平面反射镜相对于所述底部反射镜具有相同倾角；所述底部反射镜为平面反射镜。
其中，所述光学谐振腔为开放式光学谐振腔；所述开放式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜相隔一定距离，在所述开放式光学谐振腔的两端形成开放边界。
其中，所述光学谐振腔为封闭式光学谐振腔；所述封闭式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜连接，形成闭合腔体。
其中，多个所述开放式光学谐振腔在开放边界处相互连接，形成周期性或非周期性级联结构光学谐振腔。
其中，所述平面反射镜为布拉格反射镜；所述布拉格反射镜包括多对交替堆叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层。
其中，所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的厚度为0.25λ/n；其中，λ为布拉格反射镜的中心波长，n为所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的折射率。
其中，所述介质为空气，所述高折射率材料为硅材料，所述低折射率材料为二氧化硅材料。
其中，所述平面反射镜为镀膜高反镜，所述介质为硅材料。
本发明的另一方面提供一种利用本发明上述任一方面提供的光学谐振腔产生光谐振的方法，包括：将入射光沿垂直于所述底部反射镜的方向射入所述腔体。
本发明提供的非平行反射镜构成的光学谐振腔和产生光谐振的方法，通过使谐振腔具有倾斜的顶部反射镜，使得垂直于底部反射镜的入射光束在谐振腔内行进过程中自再现时光程增加，与平行平面谐振腔具有不同的谐振条件，可获得较小的线宽和较大的Q值，并且将光场能量有效地控制在一定的区域内，减小了衍射损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的开放式DBR反射镜光学谐振腔的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的开放式DBR反射镜光学谐振腔的平面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的封闭式光学谐振腔结构示意图；
图4为本发明实施例提供的封闭式顶镜为45°倾角反射镜的光学谐振腔结构示意图；
图5为本发明实施例提供的封闭式正三角形光学谐振腔结构示意图；
图6为本发明实施例提供的级联结构光学谐振腔结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光学谐振腔，包括：顶部反射镜和底部反射镜，所述顶部反射镜和所述底部反射镜之间形成腔体，所述腔体内填充介质；所述顶部反射镜包括相对设置的两块平面反射镜，所述两块平面反射镜相对于所述底部反射镜具有相同倾角；所述底部反射镜为平面反射镜。
图1为本发明实施例提供的开放式DBR反射镜光学谐振腔的结构示意图，图2为本发明实施例提供的开放式DBR反射镜光学谐振腔的平面结构示意图，图3为本发明实施例提供的封闭式光学谐振腔的结构示意图，如图1、图2和图3所示，由于顶部反射镜相对于底部反射镜呈一定倾角，使得光学谐振腔的顶部反射镜呈现屋脊形。
应当说明的是，顶部反射镜虽然由两块相对于底部反射镜具有相同倾角α的平面反射镜构成，但两块平面反射镜的长度可以是不同的；在长度相同的情况下，该光学谐振腔为对称型；在长度不相同的情况下，该光学谐振腔为非对称型。
其中，底部反射镜为一平面反射镜；顶部反射镜与底部反射镜之间形成的腔室即为光学谐振腔的腔体，在该腔体内可以填充介质材料，例如空气或硅材料等；应当说明的是，谐振腔周围介质一般是空气。
在使用该光学谐振腔的过程中，只有满足谐振条件的光束才能在腔体内形成驻波；每个平面反射镜接收入射光(或部分入射光)并将其反射(遵循反射定律)，入射光经上下镜面多次反射之后又回到入射位置，即如图2至图6中的光路所示。
本发明实施例提供的光学谐振腔，通过使谐振腔具有倾斜的顶部反射镜，使得垂直于底部反射镜的入射光束在谐振腔内行进过程中自再现时光程增加，与平行平面谐振腔具有不同的谐振条件，可获得较小的线宽和较大的Q值，并且将光场能量有效地控制在一定的区域内，减小了衍射损耗。
其中，Q是品质因数，表征光学谐振腔的质量。Q是衡量光学谐振腔的储能(光能)和选择频率的能力。Q值的定义公式是：
Q＝2πv(E2/E1)
式中，v为腔的谐振频率，E2为腔内存储的能量，E1为每秒损耗的能量。
具体地，腔内存储的能量越多，或者每秒损失的能量越少，光学谐振腔的质量越好，即品质因数Q的值越高。
在上述任一实施例的基础上，所述光学谐振腔为开放式光学谐振腔；所述开放式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜相隔一定距离，在所述开放式光学谐振腔的两端形成开放边界，如图1和图2所示，开放式光学谐振腔从理论上分析，通常认为其侧面没有光学边界。
在上述任一实施例的基础上，所述光学谐振腔为封闭式光学谐振腔；所述封闭式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜连接，形成闭合腔体。
如图3所示，本发明实施例提供的光学谐振腔可以为封闭式光学谐振腔，即组成顶部反射镜的两块平面反射镜的一端相互连接，另一端分别与底部反射镜连接，形成了封闭的腔体。封闭的腔体内可以填充硅材料或其他材料作为介质。
在上述任一实施例的基础上，多个所述开放式光学谐振腔在开放边界处相互连接，形成周期性或非周期性级联结构光学谐振腔。
具体地，多个光学谐振腔可以形成周期或者非周期的级联结构，该结构在横向可对垂直于底部反射镜入射的光场进行周期性或非周期性的分割，在每一个单元内独立形成驻波场。
图6为本发明实施例提供的级联结构光学谐振腔结构示意图，如图6所示，为一种开放式周期性级联光学谐振腔，1为顶部平面反射镜，3为底部平面反射镜，2为腔体；整个腔体由N个相同的非平行反射镜谐振腔在开放边界处衔接而成，垂直于底部反射镜的入射光，分别被控制在每一个重复单元中，形成各自独立的驻波场。
在上述任一实施例的基础上，所述平面反射镜为布拉格反射镜；所述布拉格反射镜包括多对交替堆叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层。
其中，布拉格反射镜(也称为分布布拉格反射镜，DBR)是一种反射镜结构，包含了两种光学材料组成的可调节的多层结构。最常用的是四分之一反射镜，其中每一层的厚度都对应四分之一的波长。后面的条件适用于正入射的情况，如果反射镜用于较大角度的入射时，则相对的需要层厚更大。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的光学谐振腔中的平面反射镜可以采用分布布拉格反射镜。DBR由N对高、低(或低、高)折射率材料交替堆叠而成。例如，图1中1至4层和6至9层为二氧化硅材料，10至17层为硅材料。
在上述任一实施例的基础上，所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的厚度为0.25λ/n；其中，λ为布拉格反射镜的中心波长，n为所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的折射率。
通过上述方法确定DBR中每层材料的厚度。
在上述任一实施例的基础上，所述介质为空气，所述高折射率材料为硅材料，所述低折射率材料为二氧化硅材料。
图1和图2示出了一种具有屋脊结构的对称型非平行DBR反射镜构成的开放式光学谐振腔，该光学谐振腔的腔长为H、顶部反射镜的两块平面反射镜相对于底部反射镜的倾角为α，腔宽为W。
谐振腔腔内介质(即图2中的区域5)可以是空气或者其他材料(在此以空气为例进行说明)；DBR反射镜由两种高、低折射率材料交替堆叠而成，对于上下两组DBR，都是由四对硅材料和二氧化硅材料堆叠而成，其中，与腔体相邻的材料为高折射率的硅材料；DBR中每层材料的厚度都为0.25λ/ni，其中ni为对应层材料的折射率，i为层数，保证DBR满足高反射条件。
具体地，图1中的1、2、3和4层及6、7、8和9层为二氧化硅材料，10、11、12、13、14、15、16和17层为硅材料。腔内光路如图2所示，垂直于底部反射镜的入射光经顶部倾斜DBR反射镜反射，再经底部DBR反射镜反射后，如此向右传播，通过右侧顶部和底部DBR反射镜反射后，最终垂直于底部反射镜入射；此后经顶部和底部两组DBR反射镜反射，光束原路返回。
应当说明的是：不同区域入射的光束，在腔内反射的次数不同，而顶部反射镜倾角大于30°时，反射情况更为复杂。但是，要实现光束的谐振，相位的改变量必须满足2π的整数倍。
在上述任一实施例的基础上，所述平面反射镜为镀膜高反镜，所述介质为硅材料。
图3示出一种具有屋脊结构的对称性非平行镀膜反射镜构成的封闭式光学谐振腔，该腔内部介质1选取硅材料，外部为空气；界面2为蒸镀金属或其他材料高反膜的对称型倾斜反射镜，界面3为蒸镀高反膜的平行平面反射镜。
垂直于底部反射镜的入射光在腔内光路如图3所示，这种结构谐振腔的制备工艺简单，但是反射镜的反射率相对于DBR结构较小。
图4示出一种封闭式光学谐振腔，该腔内部介质1选取硅材料，外部为空气；界面2为蒸镀金属或其他材料高反膜的对称型倾斜反射镜，界面3为蒸镀高反膜的平行平面反射镜。顶部反射镜倾角为45°。
这种结构较为特殊，如图4示出的光路，垂直于底部反射镜的入射光经左侧倾斜反射镜反射后平行于底部反射镜到达右侧倾斜镜，再经反射后垂直到达底部反射镜，由底部反射镜反射后原路返回。
图5示出一种封闭式光学谐振腔，该腔内部介质1选取硅材料，外部为空气；界面2为蒸镀金属或其他材料高反膜的对称型倾斜反射镜，界面3为蒸镀高反膜的平行平面反射镜。整个腔体为正三角形。
这种结构也比较特殊，如图5示出的光路，垂直于底部反射镜的入射光，经左侧倾斜反射镜反射后垂直入射到右侧倾斜反射镜，再由右侧顶部反射镜反射后原路返回。
上述任一实施例中的入射光都以谐振腔左半部分入射光束为例，右半部分入射的光束原理相同，在此不再赘述。
应当说明的是，对于不同的谐振腔结构，包括谐振腔的宽度、长度、高度及上层反射镜的倾角，当这些参数发生变化时，腔体内能够稳定存在的模式数与光场分布不同，模式数和Q值也会发生相应的变化；在谐振腔结构固定的情况下，若入射光偏振状态不同，腔体内部光场分布也略有不同。
本发明实施例还提供一种利用上述实施例提供的光学谐振腔产生光谐振的方法，包括：将入射光沿垂直于所述底部反射镜的方向射入所述腔体。
具体地，在本发明实施例提供的光学谐振腔中，能够形成谐振的一类光束必须满足垂直于底部平面反射镜入射的条件，实现经多次反射后，自再现时仍然垂直于底部反射镜。
其中，光场经足够多次往返渡越后，每次渡越时变化越来越小，最后镜面上的场分布将趋于稳定状态；继续传播时，镜面上场的分布应该自再现；这种特殊的稳定的场的分布称为自再现场或腔的自再现模。
本发明实施例提供的光学谐振腔和产生光谐振的方法，具有较好的稳定性，能够将光场有效地控制在一定的区域内，可获得较小的光谱线宽和较大的Q值，能够广泛应用于半导体激光器、半导体光电探测器、滤波器、传感器等光通信系统及光信号处理等领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种光学谐振腔，其特征在于，包括：
顶部反射镜和底部反射镜，所述顶部反射镜和所述底部反射镜之间形成腔体，所述腔体内填充介质；
所述顶部反射镜包括相对设置的两块平面反射镜，所述两块平面反射镜相对于所述底部反射镜具有相同倾角；
所述底部反射镜为平面反射镜；
其中，垂直于底部反射镜的入射光经顶部反射镜反射，再经底部反射镜反射后，向右传播，通过右侧的顶部反射镜和底部反射镜反射后，最终垂直于底部反射镜入射；此后经顶部反射镜和底部反射镜反射，光束原路返回；
所述光学谐振腔为开放式光学谐振腔；所述开放式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜相隔一定距离，在所述开放式光学谐振腔的两端形成开放边界；顶部反射镜包括的两块平面反射镜的长度不相同。
2.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于：
所述光学谐振腔为封闭式光学谐振腔；
所述封闭式光学谐振腔的所述顶部反射镜与所述底部反射镜连接，形成闭合腔体。
3.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于：
多个所述开放式光学谐振腔在开放边界处相互连接，形成周期性或非周期性级联结构光学谐振腔。
4.根据权利要求1或2所述的光学谐振腔，其特征在于：
所述平面反射镜为布拉格反射镜；
所述布拉格反射镜包括多对交替堆叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层。
5.根据权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于：
所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的厚度为0.25λ/n；
其中，λ为布拉格反射镜的中心波长，n为所述高折射率材料层或所述低折射率材料层的折射率。
6.根据权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于：
所述介质为空气，所述高折射率材料为硅材料，所述低折射率材料为二氧化硅材料。
7.根据权利要求1或2所述的光学谐振腔，其特征在于：
所述平面反射镜为镀膜高反镜，所述介质为硅材料。
8.一种利用权利要求1至7任一光学谐振腔产生光谐振的方法，其特征在于，包括：将入射光沿垂直于所述底部反射镜的方向射入所述腔体。
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