CN108598864A - 利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，包括产生泵浦光的泵浦光面发射激光器、产生信号光的信号光面发射激光器、用于能把泵浦光与信号光进行合束的合束片、用于对泵浦光和信号光进行聚焦的聚焦透镜和用于利用聚焦后的泵浦光和信号光产生中红外闲频光并谐振的复合腔；克服现有中红外激光器光路结构复杂、机械性能不稳定、电光转换效率低、波长调谐范围小等技术缺点，提供利用面发射激光器进行腔内差频得到全波段可调谐的中红外激光器，能够大幅度简化光路结构，能使器件小型化，且增加器件的机械稳定性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，属于半导体激光器领域，涉及半导体激光器中的宽带可调谐面发射激光器技术，以及非线性频率变换中的腔内差频技术，该类激光器具有腔内差频转换效率高、输出功率高、光束质量优良、所得中红外激光全波段可调谐等突出特点。
背景技术
中红外激光，特别是3～5μm波段的中红外激光，位于大气透过率较高的理想传输窗口，在大气遥感、激光雷达、空间光通信等领域具有十分重要的应用价值。该波段覆盖了含硫化合物、碳氧化物、含氮化合物等大气主要污染物，以及很多生物分子的特征吸收峰，因此在大气监测和光谱分析等方面也存在广泛的应用。由于生物组织80％以上由水构成，而水在3μm附近具有强烈的吸收，所以该波段激光还被广泛用于激光医学诊断及治疗。此外，飞机和导弹尾焰对应的黑体辐射主要位于该波段，使得3～5μm波段中红外激光光源成为定向红外对抗这一军事领域的不二之选，展现出令人瞩目的发展前景。
目前实现中红外激光的典型技术主要有直接泵浦的半导体量子级联激光器、光纤激光器、固体激光器和利用非线性频率变换的中红外光学参量振荡器，但上述激光器普遍存在结构比较复杂、体积比较大、总的电光转换效率偏低、波长覆盖及调谐范围有限等问题中的一项或者多项。以使用最为广泛、技术最为成熟的3～5μm波段学参量振荡器为例，它需要1～2μm波段光束质量优良的泵浦源，其光路结构较为复杂，总的电光转换效率也比较偏低，只有5％-10％；量子级联激光器虽然器件可以小型化，但其上千层的外延结构异常复杂，器件散热效果差，光束质量差，发射波长调谐范围很小，其总的电光转换效率在室温下也没有超过27％。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有中红外激光器光路结构复杂、机械性能不稳定、电光转换效率低、波长调谐范围小等技术缺点，提供利用面发射激光器进行腔内差频得到全波段可调谐的中红外激光器，能够大幅度简化光路结构，能使器件小型化，且增加器件的机械稳定性；同时充分利用面发射激光器光束质量优良极其宽带可调谐的特性，通过腔内差频获得中红外激光，提高差频过程的转换效率，增大中红外激光器的输出功率，最重要的是，实现中红外激光器的宽波段连续调谐，填补已有中红外激光器无法到达的这一空白区域。
本发明的利用外腔面发射激光器差频的全波段可调谐中红外激光器，激光器包括产生泵浦光的泵浦光面发射激光器、产生信号光的信号光面发射激光器、用于能把泵浦光与信号光进行合束的合束片、用于对泵浦光和信号光进行聚焦的聚焦透镜和用于利用聚焦后的泵浦光和信号光产生中红外闲频光并谐振的复合腔。
进一步，所述复合腔包括作为谐振入射端的左端平凹镜、用于产生中红外闲频光的非线性晶体和作为谐振出射端的右端平凹镜；左端平凹镜与右端平凹镜之间产生谐振腔用于谐振产生红外激光，左端平凹镜的入射端面对泵浦光和信号光镀宽带增透膜，对泵浦光和信号光镀宽带增透膜，且出射端面同时对可调谐中红外激光镀宽带增反膜；右端平凹镜的入射端面对泵浦光和信号光镀宽带增反膜，且同时对可调谐中红外激光镀宽带增透膜，右端平凹镜的出射端面对可调谐中红外激光镀宽带增透膜。
进一步，所述合束片的入射角为45度，其中一面对泵浦光面发射激光器产生的可调谐泵浦光镀宽带增透膜，另一面对信号光面发射激光器产生的可调谐信号光镀宽带增反膜。
进一步，所述复合腔内的非线性晶体为周期可变的周期极化非线性晶体，所述复合腔用于通过对泵浦光面发射激光器产生的泵浦光、信号光面发射激光器产生的信号光、以及非线性晶体周期的调谐后输出连续调谐范围大于2μm的中红外激光。
进一步，所述产生泵浦光的泵浦光面发射激光器包括激光二极管泵浦源、宽带可调谐增益芯片I、以及用于对激光波长进行调谐的双折射滤波片I；所述产生信号光的信号光面发射激光器，包括另一波长激光二极管泵浦源、宽带可调谐增益芯片II、以及用于对激光波长进行调谐的双折射滤波片II。
进一步，所述宽带可调谐增益芯片I有源区的多量子阱部分包含两种及以上不同材料组分的量子阱，增益芯片发射的激光波长连续调谐范围大于50nm。
进一步，所述双折射滤波片I的光轴平行于晶体的表面，双折射滤波片在光路中的位置固定，其本身可以法线为轴360度旋转，配合两块偏振片使用，从而实现对泵浦光面发射激光器所产生激光进行超过50nm范围的调谐。
进一步，宽带可调谐增益芯片II有源区的多量子阱部分包含两种及以上不同材料组分的量子阱，增益芯片发射的激光波长连续调谐范围大于80nm。
进一步，双折射滤波片II的光轴平行于晶体的表面，双折射滤波片在光路中的位置固定，但其本身可以法线为轴360度旋转，配合两块偏振片使用，从而实现对信号光面发射激光器所产生激光进行超过80nm范围的调谐。
进一步，所述聚焦镜两面对泵浦光和信号光都镀有增透膜，能把合束后的泵浦光和信号光同时聚焦到复合腔内的非线性晶体上。
本发明最主要的有益效果是：本发明公开的一种利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，利用了外腔面发射激光器输出功率高、光束质量优良、以及宽带可调谐的特点，将两个面发射激光器发出的不同波长的激光分别作为泵浦光和信号光，合束后经过一块多周期的周期极化非线性晶体进行差频，从而得到输出功率大、光束质量好、差频转换效率高、激光波长宽带可调谐的中红外激光输出。激光器光路结构简洁，器件紧凑小型化，机械性能稳定；同时，总的电光转换效率高，不良热效应小，非常适合机载、车载等军用及其他便携式民用场合。本发明最大的特点是利用面发射激光器来进行差频，光路简洁，差频效率高，输出的中红外激光宽波段可调谐，调谐范围超过2μm，已有中红外激光器都无法达到。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中的宽带可调谐增益芯片的结构示意图。
图3为图1中的多周期的周期极化非线性晶体结构示意图。
图中，1宽带可调谐增益芯片I，2双折射滤波片I，3宽带可调谐增益芯片II，4双折射滤波片II，5合束片，6聚焦透镜，7复合腔左端腔镜，8多周期的周期极化非线性晶体，9复合腔右端腔镜，10泵浦光面发射激光器的热沉，11泵浦光面发射激光器的准直聚焦系统，12泵浦光面发射激光器的泵浦源，13信号光面发射激光器的热沉，14信号光面发射激光器的准直聚焦系统，15信号光面发射激光器的泵浦源，16分布布喇格反射镜，17多量子阱有源区，18高势垒窗口层，19保护层，20高折射率介质层，21低折射率介质层，22量子阱势垒层，23不同组分量子阱1，24不同组分量子阱2，25周期极化非线性晶体的周期1，26周期极化非线性晶体的周期2，27周期极化非线性晶体的周期3
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图，图2为图1中的宽带可调谐增益芯片的结构示意图，图3为图1中的多周期的周期极化非线性晶体结构示意图，如图所示：
实施例：
利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，宽带可调谐增益芯片I中，分布布喇格反射镜16中的高折射率介质层20用GaAs材料，光学厚度为875nm的四分之一；低折射率介质层21用AlAs材料，光学厚度为875nm的四分之一。多量子阱有源区17的量子阱势垒层22用AlGaAs材料，量子阱23和24用不同厚度的GaAs材料，高势垒窗口层18用高Al含量的Al0.6GaAs材料，保护层19用不会被空气氧化的GaAs材料，从而，泵浦光面发射激光器的发射波长在850nm-900nm范围可调谐，波长的调谐通过旋转双折射滤波片I完成，双折射滤波片I两面都对850nm-900nm镀有宽带增透膜。
宽带可调谐增益芯片II中，分布布喇格反射镜16中的高折射率介质层20用GaAs材料，光学厚度为1140nm的四分之一；低折射率介质层21用AlAs材料，光学厚度为1140nm的四分之一。多量子阱有源区的量子阱势垒层22用GaAs材料，量子阱23和24用In含量不同的InGaAs材料，高势垒窗口层18用高Al含量的Al0.6GaAs材料，保护层19用不会被空气氧化的GaAs材料，从而，信号光面发射激光器的发射波长在1100nm-1180nm范围可调谐，波长的调谐通过旋转双折射滤波片I完成，双折射滤波片II两面都对1100nm-1180nm镀有宽带增透膜。
合束片5的一面对850nm-900nm镀45度入射的宽带增透膜，另一面对1100nm-1180nm镀45度入射的宽带增反膜。
聚焦透镜6两面都对850nm-900nm波段和1100nm-1180nm波段镀0度入射的宽带增透膜。泵浦光面发射激光器和信号光面发射激光器产生的可调谐激光通过合束片5后，经过聚焦透镜6聚焦到非线性晶体8上。
复合腔左端平凹镜7的一面对850nm-900nm波段和1100nm-1180nm波段镀宽带增透膜，另一面也对850nm-900nm波段和1100nm-1180nm波段镀宽带增透膜，且同时对可调谐中红外激光3-5μm波段镀宽带增反膜；复合腔右端平凹镜9一面对850nm-900nm波段和1100nm-1180nm波段镀宽带增反膜，且同时对可调谐中红外激光3-5μm波段镀宽带增透膜，另一面对可调谐中红外激光3-5μm波段镀宽带增透膜。
非线性晶体8为多周期的周期极化非线性晶体，设置3个周期：周期1对900nm与1100nm激光的差频过程满足相位匹配条件，周期2对850nm与1180nm激光的差频过程满足相位匹配条件，周期3对875nm与1140nm激光的差频过程满足相位匹配条件。
当泵浦光面发射激光器产生的泵浦光λp在850nm-900nm波段之间进行调谐，信号光面发射激光器产生的信号光λs在1100nm-1180nm波段进行调谐时，根据泵浦光和信号光的具体波长，适时改变非线性晶体的周期，完成差频过程中的频率转换，输出的中红外激光波长即可在3-5μm的宽波段实现连续调谐。
本发明利用两路近红外面发射激光器，充分利用面发射激光器光束质量优良即其宽带可调谐的特点，把两束面发射激光器产生的激光合束后通过一块多周期的周期极化非线性晶体进行腔内差频，即可获得中红外激光输出。泵浦光面发射激光器采用激光二极管作为泵浦源，激光输出波长λp在超过50nm范围可调，用双折射滤波片I进行调谐；信号光面发射激光器采用另一波长激光二极管作为泵浦源，激光波长λs在超过80nm范围可调，用双折射滤波片II进行调谐。通过对λp和λs的调谐，同时通过改变周期极化非线性晶体的周期，差频所得中红外激光波长λi实现连续调谐的范围超过2μm。
与现有的中红外激光器对比，利用外腔面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器具有下列显著的优点：
1.激光器结构简单紧凑，体积小，重量轻，机械性能稳定；
2.增益芯片所用GaAs系列半导体材料非常成熟；
3.GaAs基半导体增益芯片的外延生长工艺技术比较成熟；
4.所用激光二极管泵浦源商业化程度高，成本低廉，质量可靠；
5.所用增益芯片无需掺杂，无欧姆接触，工艺简化，稳定性及可靠性增强；
6.激光二极管泵浦源的电光转换效率高，面发射激光器的量子亏损小，光光转换效率也比较高，所以器件总的电光转换效率高；
7.薄片增益结构散热性能好，激光器输出功率大，光束质量优良，波长在3～5μm；
8.全波段可调谐，调谐方式简单。
综合看来，本发明提出的利用外腔面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器结构紧凑小型化、机械性能稳定、输出功率高、光束质量好、调谐范围宽、调谐方式简单、成本相对低廉，且易于操作，方便携带，非常适合车载和机载，能在直接红外对抗这样的国防军事关键领域，以及红外遥感、激光雷达、痕量气体分析、激光空间通信和激光诊断治疗等诸多重要方面发挥广泛的应用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：包括产生泵浦光的泵浦光面发射激光器、产生信号光的信号光面发射激光器、用于能把泵浦光与信号光进行合束的合束片、用于对泵浦光和信号光进行聚焦的聚焦透镜和用于利用聚焦后的泵浦光和信号光产生中红外闲频光并谐振的复合腔。
2.根据权利要求1所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述复合腔包括作为谐振入射端的左端平凹镜、用于产生中红外闲频光的非线性晶体和作为谐振出射端的右端平凹镜；左端平凹镜与右端平凹镜之间产生谐振腔用于谐振产生红外激光，左端平凹镜的入射端面对泵浦光和信号光镀宽带增透膜，对泵浦光和信号光镀宽带增透膜，且出射端面同时对可调谐中红外激光镀宽带增反膜；右端平凹镜的入射端面对泵浦光和信号光镀宽带增反膜，且同时对可调谐中红外激光镀宽带增透膜，右端平凹镜的出射端面对可调谐中红外激光镀宽带增透膜。
3.根据权利要求2所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述合束片的入射角为45度，其中一面对泵浦光面发射激光器产生的可调谐泵浦光镀宽带增透膜，另一面对信号光面发射激光器产生的可调谐信号光镀宽带增反膜。
4.根据权利要求3所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述复合腔内的非线性晶体为周期可变的周期极化非线性晶体，所述复合腔用于通过对泵浦光面发射激光器产生的泵浦光、信号光面发射激光器产生的信号光、以及非线性晶体周期的调谐后输出连续调谐范围大于2μm的中红外激光。
5.根据权利要求2所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述产生泵浦光的泵浦光面发射激光器包括激光二极管泵浦源、宽带可调谐增益芯片I、以及用于对激光波长进行调谐的双折射滤波片I；所述产生信号光的信号光面发射激光器，包括另一波长激光二极管泵浦源、宽带可调谐增益芯片II、以及用于对激光波长进行调谐的双折射滤波片II。
6.根据权利要求5所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述宽带可调谐增益芯片I有源区的多量子阱部分包含两种及以上不同材料组分的量子阱，增益芯片发射的激光波长连续调谐范围大于50nm。
7.根据权利要求5所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述双折射滤波片I的光轴平行于晶体的表面，双折射滤波片在光路中的位置固定，其本身可以法线为轴360度旋转，配合两块偏振片使用，从而实现对泵浦光面发射激光器所产生激光进行超过50nm范围的调谐。
8.根据权利要求5所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：宽带可调谐增益芯片II有源区的多量子阱部分包含两种及以上不同材料组分的量子阱，增益芯片发射的激光波长连续调谐范围大于80nm。
9.根据权利要求8所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：双折射滤波片II的光轴平行于晶体的表面，双折射滤波片在光路中的位置固定，但其本身可以法线为轴360度旋转，配合两块偏振片使用，从而实现对信号光面发射激光器所产生激光进行超过80nm范围的调谐。
10.根据权利要求9所述的利用面发射激光器差频的宽波段可调谐中红外激光器，其特征在于：所述聚焦镜两面对泵浦光和信号光都镀有增透膜，能把合束后的泵浦光和信号光同时聚焦到复合腔内的非线性晶体上。
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