CN109713565B

CN109713565B - 波长快速调谐的半导体纳米线激光器

Info

Publication number: CN109713565B
Application number: CN201910108196.9A
Authority: CN
Inventors: 郭欣; 许培臻; 童利民
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-02-03
Filing date: 2019-02-03
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2039-02-03
Also published as: CN109713565A

Abstract

本发明公开了一种波长快速调谐的半导体纳米线激光器，包括泵浦光源、泵浦光源聚焦透镜、成像相机、光谱仪、显微物镜、半导体纳米线和半导体纳米线的支撑物，半导体纳米线置于显微物镜的视场范围内，泵浦光源聚焦透镜能够将泵浦光源的输出光聚焦到半导体纳米线上；还包括加热激光光源和加热激光聚焦透镜，加热激光聚焦透镜能够将加热激光光源的输出光聚焦到半导体纳米线上，加热激光光源的输出光的波长大于半导体纳米线的共振波长且位于半导体纳米线的强吸收谱内；半导体纳米线输出的激光信号由显微物镜收集并分别导引到成像相机和光谱仪，其中，导引到成像相机的激光信号进行实物成像，导引到光谱仪的激光信号进行光谱成像。

Description

波长快速调谐的半导体纳米线激光器

技术领域

本发明涉及一种对输出波长进行调谐的半导体纳米线激光器，属于激光技术领域。

背景技术

作为纳米尺度相干光源，近年来，半导体纳米线激光器吸引了越来越多的基础理论及工程应用领域的关注，在光学传感、信号传输、光学成像、片上通信及量子光学等领域有着广泛的应用前景，得到了持续的关注和研究。

半导体纳米线(或纳米棒、纳米带)，因其具有良好的单晶结构、光滑的表面粗糙度、均匀的直径、相对高的折射率、强的光场约束以及低的光学传输损耗等特性，使得其成为理想的光学纳米波导。此外，半导体纳米线具有高的光学增益，利用纳米线的平整端面形成天然的法布里-珀罗腔，在外加泵浦的情况下即可实现激光输出。再者，种类丰富的半导体材料可以获得不同种类的半导体纳米线激光器，实现从紫外到近红外光波长的输出。

波长的可调谐性是半导体纳米线激光器非常重要的一个特性，可广泛应用于成像、生物/化学传感、光通信等领域。目前，利用不同种类的纳米线以及不同的结构，可实现不同波长的激光输出和波长调谐。具体方法有：①通过构建一个环形腔，并调节腔的长度和位置以实现波长调谐；②利用半导体纳米线的压电极化效应，通过拉伸的方法改变纳米线的等效折射率，进而改变回音壁模式的纳米线激光器的输出波长；③通过拉伸的方法，改变单根硫化镉纳米线的工作腔长，实现激光模式的调谐和选择；④利用游标卡尺效应，在纳米线的两端构建两个环形腔，通过调节环形腔的大小，实现不同模式的激光输出。

然而，上述方法存在操作可重复性不高、调谐速率低、调谐范围小、调谐不可逆等缺点，从实用的角度考虑，有必要给出一种简单、稳定、方便、可重复性高、室温工作、波长调谐范围宽、波长调谐速度快的半导体纳米线激光器，来推进波长可调谐半导体纳米线激光器走向实用化的进程。

发明内容

本发明的目的是提供一种波长快速调谐的半导体纳米线激光器，它能够快速调谐半导体纳米线激光器输出波长。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明波长快速调谐的半导体纳米线激光器包括泵浦光源、泵浦光源聚焦透镜、成像相机、光谱仪、显微物镜、半导体纳米线和半导体纳米线的支撑物，半导体纳米线置于显微物镜的视场范围内，泵浦光源聚焦透镜能够将泵浦光源的输出光聚焦到半导体纳米线上；并且，还包括加热激光光源和加热激光聚焦透镜，所述加热激光聚焦透镜能够将加热激光光源的输出光聚焦到所述半导体纳米线上，所述加热激光光源的输出光的波长大于半导体纳米线的共振波长且位于半导体纳米线的强吸收谱内；半导体纳米线输出的激光信号由显微物镜收集并分别导引到成像相机和光谱仪，其中，导引到成像相机的激光信号进行实物成像，导引到光谱仪的激光信号进行光谱成像。

进一步地，本发明还包括信号发生器和信号时延器，所述信号发生器的第一路输出信号为能够用于控制加热激光光源的输出光的触发信号，所述信号发生器的第二路输出信号为能够用于控制信号时延器的输出信号的触发信号，所述信号发生器的第一路输出信号的脉冲频率与所述信号发生器的第二路输出信号的脉冲频率相等，所述信号时延器的输出信号为能够用于控制泵浦光源的输出光的触发信号。

进一步地，本发明所述泵浦光源的输出光与加热激光光源的输出光之间的脉冲时延差大于0且小于1s。

进一步地，本发明所述泵浦光源的输出光的脉冲频率与所述加热激光光源的输出光的脉冲频率相等。

进一步地，本发明所述半导体纳米线的支撑物为石棉、光纤探针、碳化硅或金刚石。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中，半导体纳米线激光器的输出波长与半导体纳米线的温度成线性关系，利用加热激光聚焦透镜可将加热激光光源的输出光聚焦到半导体纳米线16上，实现对半导体纳米线激光器工作温度的快速控制，从而实现输出波长的快速调谐；(2)通过控制泵浦光源和加热激光光源之间输出光的频率以及时延，使其频率相等、时延可调，可实现对半导体纳米线激光器工作温度的精确控制，从而实现输出波长的精确调谐；(3)利用加热激光光源对半导体纳米线进行加热的过程是可逆的，不会破坏或改变半导体纳米线的结构，实现半导体纳米线激光器输出波长的可逆调谐；(4)本发明中的半导体纳米线激光器工作在室温，可避免造价高昂、结构复杂的制冷系统，方便后期进行器件集成；(5)本发明半导体纳米线激光器在光学传感、信号传输、光学成像、片上通信及量子光学等领域均有很大的实用价值。

附图说明

图1是本发明波长快速调谐的半导体纳米线激光器的结构示意图；

图中，1-信号发生器、2-信号时延器、3-信号发生器的第一路输出信号、4-信号发生器的第二路输出信号、5-信号时延器的输出信号、6-泵浦光源、7-加热激光光源、8-泵浦光源聚焦透镜、9-加热激光聚焦透镜、10-成像相机、11-光分束器、12-光谱仪、13-滤波片、14-显微物镜、15-半导体纳米线的支撑物、16-半导体纳米线、17-半导体纳米线输出的激光信号、18-泵浦光源的输出光、19-加热激光光源的输出光。

图2是直径为400nm，长度10μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₁变化而变化的结果图。

图3是直径为500nm，长度12μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₂变化而变化的结果图。

图4是直径为500nm，长度13μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₃变化而变化的结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明波长快速调谐的半导体纳米线激光器主要包括泵浦光源6、泵浦光源聚焦透镜8、成像相机10、光谱仪12、显微物镜14、半导体纳米线16和用于支撑半导体纳米线的支撑物15，半导体纳米线16置于显微物镜14的视场范围内，泵浦光源聚焦透镜8能够将泵浦光源的输出光18聚焦到半导体纳米线16上。此外，本发明还包括加热激光光源7和加热激光聚焦透镜9，加热激光聚焦透镜9能够将加热激光光源7的输出光19聚焦到半导体纳米线16上，能够快速控制半导体纳米线16的温度，进而快速控制半导体纳米线激光器的输出波长。加热激光光源7的输出光19的波长大于半导体纳米线16的共振波长且位于半导体纳米线16的强吸收谱内；半导体纳米线16输出的激光信号17由显微物镜14收集并分别导引到成像相机10和光谱仪12，其中，导引到成像相机10的那部分激光信号用于进行实物成像，导引到光谱仪12的那部分激光信号用于进行光谱成像。

如图1所示，作为优选方案，本发明波长快速调谐的半导体纳米线激光器还可以进一步包括信号发生器1和信号时延器2，信号发生器1的第一路输出信号3为能够用于控制加热激光光源7的输出信号19的触发信号，信号发生器1的第二路输出信号4为能够用于控制信号时延器2的输出信号5的触发信号，信号发生器1的第一路输出信号3的脉冲频率与信号发生器1的第二路输出信号4的脉冲频率相等，信号时延器2的输出信号5为能够用于控制泵浦光源的输出光18的触发信号。

当本发明泵浦光源的输出光18与加热激光光源的输出光19之间的脉冲时延差大于0且小于1s时，可实现对半导体纳米线激光器在可调输出波长范围内进行精确调控，实现特定波长的输出。

当本发明泵浦光源的输出光18的脉冲频率与加热激光光源的输出光19的脉冲频率相等时，可实现在特定波长下，激光功率的最大和稳定输出。

本发明半导体纳米线支撑物5的材料优选为石棉、光纤探针、碳化硅或金刚石。

下面结合具体实施例及附图进一步描述本发明及其技术效果。

实施例1

本实施例中，将CdS半导体纳米线悬空，利用355nm脉冲激光器对CdS半导体纳米线进行泵浦，实现激光输出，利用CO₂脉冲激光器(激光输出波长：10.6μm)对CdS半导体纳米线进行快速温度控制，实现半导体纳米线激光器的输出波长的快速调谐，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器的输出重复频率相等，为200Hz，355nm脉冲激光器的脉宽为3.5ns，泵浦功率密度为10kW/cm²，CO₂脉冲激光器的脉宽为500μs，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器之间的脉冲时延为τ₁。

图2显示的是直径为400nm、长度10μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₁变化而变化的结果图。图2中可见，时延τ₁为0-0.5ms范围内，CO₂脉冲激光器处在“开”的状态，对CdS半导体纳米线进行持续加热，CdS半导体纳米线激光器的激光输出波长从519nm调谐到543.0nm，调谐速率为48,000nm/s。

实施例2

本实施例中，将CdS半导体纳米线悬空，利用355nm脉冲激光器对CdS半导体纳米线进行泵浦，实现激光输出，利用CO₂脉冲激光器(激光输出波长：10.6μm)对CdS半导体纳米线进行快速温度控制，实现半导体纳米线激光器输出波长的快速调谐，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器的输出重复频率相等，为200Hz，355nm脉冲激光器的脉宽为3.5ns，泵浦功率密度为10kW/cm²，CO₂脉冲激光器的脉宽为500μs，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器之间的脉冲时延为τ₂。

图3显示的是直径为500nm，长度12μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₂变化而变化的结果图。图中可见，时延τ₂为0.5-1ms范围内，CO₂脉冲激光器处在“关”的状态，CdS半导体纳米线温度快速下降，CdS半导体纳米线激光器的激光输出波长从543nm调谐到519nm，调谐速率为48,000nm/s。

实施例3

本实施例中，将CdS半导体纳米线悬空，利用355nm脉冲激光器对纳米线进行泵浦，实现激光输出，利用CO₂脉冲激光器(激光输出波长：10.6μm)对CdS半导体纳米线进行快速温度控制，实现半导体纳米线激光器输出波长的快速调谐，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器的输出重复频率相等，为200Hz，355nm脉冲激光器的脉宽为3.5ns，泵浦功率密度为10kW/cm²，CO₂脉冲激光器的脉宽为500μs，355nm脉冲激光器与CO₂脉冲激光器之间的脉冲时延为τ₃。

图4显示的是直径为500nm，长度13μm的CdS半导体纳米线的激光输出波长随时延τ₃变化而变化的结果图。图4中可见，在时延τ₃为1.5-4.5ms范围内，CO₂脉冲激光器处在“关”的状态，CdS半导体纳米线温度缓慢下降，CdS半导体纳米线激光器的激光输出波长从519.1nm调谐到518.6nm。

Claims

1.一种波长快速调谐的半导体纳米线激光器，包括泵浦光源（6）、泵浦光源聚焦透镜（8）、成像相机（10）、光谱仪（12）、显微物镜（14）、半导体纳米线（16）和半导体纳米线的支撑物（15），半导体纳米线（16）置于显微物镜（14）的视场范围内，泵浦光源聚焦透镜（8）能够将泵浦光源（6）的输出光（18）聚焦到半导体纳米线（16）上；其特征在于：还包括信号发生器（1）、信号时延器（2）、加热激光光源（7）和加热激光聚焦透镜（9），所述信号发生器（1）的第一路输出信号（3）为能够用于控制加热激光光源（7）的输出光（19）的触发信号，所述信号发生器（1）的第二路输出信号（4）为能够用于控制信号时延器（2）的输出信号（5）的触发信号，所述信号发生器的第一路输出信号（3）的脉冲频率与所述信号发生器的第二路输出信号（4）的脉冲频率相等，所述信号时延器的输出信号（5）为能够用于控制泵浦光源的输出光（18）的触发信号；所述泵浦光源的输出光（18）与加热激光光源（7）的输出光（19）之间的脉冲时延差大于0且小于1 s；所述加热激光聚焦透镜（9）能够将加热激光光源（7）的输出光（19）聚焦到所述半导体纳米线（16）上，所述加热激光光源（7）的输出光（19）的波长大于半导体纳米线（16）的共振波长且位于半导体纳米线（16）的强吸收谱内；半导体纳米线（16）输出的激光信号（17）由显微物镜（14）收集并分别导引到成像相机（10）和光谱仪（12），其中，导引到成像相机（10）的激光信号进行实物成像，导引到光谱仪（12）的激光信号进行光谱成像。

2.根据权利要求1所述的波长快速调谐的半导体纳米线激光器，其特征在于：所述泵浦光源的输出光（18）的脉冲频率与所述加热激光光源的输出光（19）的脉冲频率相等。

3.根据权利要求1或2所述的波长快速调谐的半导体纳米线激光器，其特征在于：所述半导体纳米线的支撑物（15）为石棉、光纤探针、碳化硅或金刚石。