CN109088307B - 基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，本发明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，给出备选方案使本发明更易实现。

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发明更易实现。

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，通过本发明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、本发明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；本发明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反射镜，由增益物质一端、超表面窄带反射镜、增益物质的另一端外侧或第二反射镜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；不同方案使本发明结构简单、制作工艺简单、更易实现；

4、调整所述增益物质另一端外侧增反膜的反射率，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发明更易实现；

5、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，准直系统可以适当精简。

6、微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒，采用常规工艺制作即可，制作工艺简单。

附图说明

图1是本发明实施例1中基于超表面反射镜的窄线宽外腔激光器的模型；

图2(a)是本发明较佳实施例中超表面结构示意图；

图2(b)是本发明较佳实施例中超表面结构原理图；

图3(a)是本发明实施例2中基于超表面反射镜的窄线宽外腔激光器的模型；

图3(b)是图3(a)模型的俯视图；

图4是本发明实施例3中基于超表面反射镜的窄线宽外腔激光器的模型；

图5是本发明较佳实施例中激光光谱测试简图；

图6是本发明较佳实施例中外腔激光器测试光谱图；

图7(a)是本发明较佳实施例中超表面制作流程图一；

图7(b)是本发明较佳实施例中超表面制作流程图二；

图7(c)是本发明较佳实施例中超表面制作流程图三；

图7(d)是本发明较佳实施例中超表面制作流程图四。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-增益芯片 2-准直透镜 3-超表面窄带反射镜

4-反射镜 5-左准直透镜 6-右准直透镜

7-双面抛光硅基底 8-二氧化硅 9-氮化硅

10-光刻胶

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例中窄线宽外腔激光器包括增益芯片1、准直透镜 2和超表面窄带反射镜3，其中，

增益芯片1作为增益物质，其调节功率方便，两端面a和b易于处理；增益芯片1在端面a镀有增反膜，提高端面a对光的反射率，端面b镀有增透膜，增加光的透光率。增益芯片1的带宽覆盖超表面窄带反射镜3的谐振波段。

单个准直透镜2作为准直组件，便于调节。

超表面窄带反射镜3的表面为亚波长周期性结构的超表面，该超表面对目标波长具有高反射率，对非目标波长的光进行透射。

增益芯片1发出的宽带光由b端面出射，经准直透镜2准直后变为平行光，垂直入射到超表面窄带反射镜3的超表面上，超表面对目标波长进行反射，非目标光进行透射，反射的目标波长的光先后经过准直透镜2、增益芯片端面b，进入增益芯片1后在其端面a再次反射，由端面a和超表面窄带反射镜3构成谐振腔，结合增益芯片1对目标光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光透过超表面输出，另外通过调整增益芯片1端面a 增反膜的反射率，端面a也可以作为激光输出端。

作为进一步优选地，超表面上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；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；微纳图形是指纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒等；一个微纳图形阵列中微纳图形可选择地排布为四方晶格，六方晶格或者准晶格等。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。

本发明将超表面结构的谐振特性应用到外腔激光器上，一是作为窄带反射镜，二是作为波长选择器；通过调整超表面结构进而选择合适的品质因数和消光比，进一步提高输出激光的稳定性。

如图2(a)、图2(b)所示，为超表面结构示意图和原理图，图中超表面结构制备有一个微纳图形阵列。当平行光垂直入射时，由于微纳图形阵列的集群性相干振荡，这种局域振荡会与入射光相互作用对目标波长进行反射，非目标光会透射出去。超表面结构可选择地制备一个或多个拼接的微纳图形阵列，以实现对不同目标波长的反射和窄带滤波。

实施例2

如图3(a)所示，本实施例中窄线宽外腔激光器包括增益芯片1、反射镜4和超表面窄带反射镜3，其中，

超表面窄带反射镜3与实施例1中相同，在此不再重复赘述。

增益芯片1采用实施例1中增益芯片，区别在于，本实施例中增益芯片1的端面a镀有增透膜而不是增反膜，以提高对光的透过率；端面a不作为反射镜，不对超表面窄带反射镜3反射的目标波段进行反射，而由反射镜4代替进行反射。

反射镜4对应的反射波段覆盖超表面窄带反射镜3反射的目标波段。

增益芯片1发出的宽带光由端面b出射，出射光入射到超表面窄带反射镜3上，由于超表面窄带反射镜3上微纳结构的集群性相干振荡，这种局域振荡会与入射光相互作用对目标波长进行反射，非目标光会透射出去，反射的目标波长光先后经过增益芯片1的端面b和端面a，入射到反射镜4 上，如图3(b)所示，此处反射镜4垂直于从增益芯片1端面a出射的光，由此，在反射镜4、增益芯片1、超表面窄带反射镜3之间构成一个谐振腔，其中只有垂直于反射镜以及超表面窄带反射镜的目标波长的光可以不断谐振放大，最终形成激光，激射光由超表面一端输出。

实施例3

如图4所示，本实施例中窄线宽外腔激光器包括增益芯片1、左准直透镜5、右准直透镜6和超表面窄带反射镜3，其中，

超表面窄带反射镜3、增益芯片1及其端面a和端面b的处理均与实施例1中相同，在此不再重复赘述。

左准直透镜5和右准直透镜6为两个准直透镜，由他们组合构成准直组件对增益芯片1出射的光执行准直变为平行光。同时根据实际需要可以适当增加准直透镜的数量，以提高了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；

增益芯片1发出的宽带光由其端面b出射，入射到左准直透镜5上，经过左准直透镜5的光汇聚于右准直透镜6的左侧焦点上，如此，光经过右准直透镜6后变为平行光；又因为采用双透镜进行准直，调节容差会增加，因此系统的稳定性会提升；由右准直透镜6出射的平行光垂直入射至超表面窄带反射镜3的超表面上，由于超表面窄带反射镜3上微纳结构的集群性相干振荡，这种局域振荡会与入射光相互作用对目标波长进行反射，非目标波长会透射出去，反射的目标波长的光先后经过右准直透镜6、左准直透镜5和增益芯片1的端面b，进入增益芯片1最后在增益芯片1的端面 a反射回来，由此，在增益芯片1的端面a与左准直透镜5、右准直透镜6 以及超表面之间构成谐振腔，结合增益芯片1对目标光反复进行谐振放大，最终形成激射，激射光由超表面一端输出，另外通过调整增益芯片1端面a 增反膜的反射率，端面a也可以作为激光输出端。

进一步地，本发明实施例提供一种激光输出光谱的测定系统，用以测定本发明激光器的光谱特性。

如图5所示，测试系统主要由窄线宽外腔激光器、聚焦透镜、3dB耦合器、光谱仪、功率计组成，其中，

窄线宽外腔激光器采用实施例1中的窄线宽外腔激光器；聚焦透镜用于收集由超表面窄带反射镜3背面透射的能量，输入到光纤中，3db耦合器的作用是将由光纤收集到的能量分为两部分，分别传输到光谱仪和功率计中，其中光谱仪用于直接观察光谱特性，功率计用于检测输出光的功率。

测试系统安装时，首先将3dB耦合器与光谱仪、功率计连接好，然后调节窄线宽外腔激光器得到输出激光，调节顺序为：

1)在增益芯片1上加电流，调节至100mA附近，接着放入聚焦透镜，调节聚焦透镜的角度和高度，使得功率计能量最高；

2)放入准直透镜2，调节准直透镜2角度和高度，使得功率计能量最高；

3)放入超表面窄带反射镜3，调节角度，主要是Y,Z轴的调节，同时观测光谱仪光谱，直到观测到目标波长的激射。

激射后可以通过调节电流源大小观测激光器的阈值电流，以及饱和电流；可以通过光谱仪和功率计观测激光器输出的稳定性以及输出功率的大小。

图6为光谱测试结果，其中横坐标为波长，纵坐标为光谱能量，可以看出消光比在55dB左右，品质因数1万以上。

同样的原理对测试系统稍加调整即可对实施例2-4的窄线宽外腔激光器进行光谱测定。

进一步地，本发明实施例还提供一种超表面窄带反射镜的制作工艺流程，主要使用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)沉积材料，采用电子束(Electron Beam Lithography,EBL)曝光超表面器件，最后通过感应耦合等离子体刻蚀设备(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀，得到所需的超表面结构，从而得到超表面窄带反射镜。

如图7(a)所示，采用双面抛光硅基底7，首先使用PECVD在衬底硅表面依次沉积1.6um的二氧化硅(SiO₂)8和0.58um的氮化硅(Si₃N₄)9，其中SiO₂材料作为隔离层，Si₃N₄材料作为功能层。

如图7(b)所示，基片清洗烘干后，旋涂光刻胶10(优选正性光学抗蚀剂，如ZEP-520)，对光刻胶进行前烘，由于正性光刻胶曝光部分显影后会溶解出去，对小面积版图而言，减少了曝光时间。

如图7(c)所示，采用EBL将版图转至光刻胶上，曝光时间约5-10min。曝光完成后，在二甲苯、异丙醇中先后进行显影、定影，之后使用后用氮气枪吹干器件表面。此时被曝光部分的光刻胶被溶解，版图结构转移至光刻胶10上。

如图7(d)所示，采用ICP刻蚀除去部分或全部未被光刻胶保护的表层Si₃N₄，刻蚀时间为27s，刻蚀深度约75nm，选用气体SF₆+C₄F₈。之后，采用去胶液去除表层光刻胶，最后用去离子水冲洗，氮气枪吹干器件。

至此，超表面窄带反射镜制作完成。

本文提出一种基于超表面结构作为窄带反射镜同时选择波长的窄带外腔激光器，简化了制作工艺，降低了激光器对外界环境的敏感度。

本发明采用超表面窄带反射镜作为窄带反射镜和波长选择器，由超表面窄带反射镜、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；激光波长主要由超表面谐振波长决定，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；通过调整超表面结构使其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；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。另外将超表面结构的特性应用在外腔激光器制作上，为超表面的应用提供了一种新的思路。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

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，包括增益芯片、准直组件和超表面窄带反射镜，其中，

所述增益芯片的一端为光出射端，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、所述增益芯片的一端入射至所述增益芯片的另一端外侧；所述增益芯片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，由所述增益芯片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，结合所述增益芯片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所述的基于超表面窄带反射镜的窄线宽外腔激光器，其特征在于，还包括代替所述增益芯片的另一端外侧增反膜作为反射镜的第二反射镜，并且所述增益芯片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芯片的另一端外侧；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，结合所述增益芯片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。

4.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，调整所述增益芯片另一端外侧的增反膜的反射率，激射光透过所述增益芯片另一端输出，不透过所述超表面输出。

5.如权利要求1-4任一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，所述增益芯片的带宽覆盖所述超表面窄带反射镜的谐振波段。

6.如权利要求1-4任一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，所述准直组件是单个准直透镜或多个准直透镜的组合。

7.如权利要求2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。

8.如权利要求 2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，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。