CN114069384B - 介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质激光加速器及垂直腔面激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，介质激光加速器包括:垂直腔面激光器，所述垂直腔面激光器包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区具有与X轴方向平行的加速通道；反射镜，设于所述垂直腔面激光器发射激光的光路上，用于将所述垂直腔面激光器发射的激光以特定角度反射；饱和吸收镜，其对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，能够压缩激光的脉冲宽度并将压缩后的激光经所述反射镜反射回所述垂直腔面激光器。本发明能够在加速区获得更高的加速电场，提高介质激光加速器的加速梯度。

Description

介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光加速器，具体而言，涉及一种介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法。
背景技术
粒子加速器是人类探索微观世界的重要工具之一，目前世界各国共建造了200多台大型加速器装置，它们在生命科学、化学材料、高能物理、国防科技、医疗卫生等诸多领域都取得了令人振奋的成果。加速器装置普遍存在生产周期长，造价高昂的问题。以其他产生硬X射线的加速器装置为例，通常总预算均超过10亿美元，装置大小以公里为计量单位。庞大的尺寸、高昂的建造成本而限制了加速器面向更广泛的基础科学与工业应用。因此无论是在科研还是在民用加速器领域，加速器小型化、低成本化都是其发展的重要方向。
目前世界公认最有前景的两种加速器小型化技术方向是：介质激光加速器以及等离子体加速器。这两种加速器技术都能GeV/m甚至更高的加速梯度。同传统的射频加速器相比激光介质加速器具有两大不同，一是功率源的不同。射频加速器通常采用速调管、发射机作为加速器功率源，而激光介质加速器采用高功率短脉冲激光直接照射光栅(或光子晶体等)。二是加速结构所用材料不同。射频加速器通常采用无氧铜或其他金属材料，而介质加速器通常采用光学介质材料。由于采用激光器作为加速器的功率源，激光器相比速调管体积较小，成本较低，而介质材料相比于金属材料具有更高的击穿阈值，因此能够产生更高的加速梯度。
2020年Science报道了斯坦福大学激光介质加速器最新的研究成果，虽然其加速梯度只有30MeV/m，但首次实现了介质激光加速器的级联和芯片化，加速长度超过30um，意味着介质激光加速器的可以通过级联的方式获得高能电子束，是介质激光加速器研究的重要里程碑。此外，微型电子加速器还是一种新型的医疗设备可以实现体内病灶的精准放射治疗。
由上可见，基于强激光与带电粒子相互作用的激光介质加速器比基于传统加速器的方案具有很多独特优势，是加速器技术发展的重要技术方向之一。内源激光介质加速器与目前主流的介质激光加速器相比具有两大特点：1其结构简易，避免了复杂的外部光学系统；2光场由外部激励电流进行控制，能够实现电子束与光场相位的匹配控制，可以进行级联扩展。
据相关文献报道边缘发射的半导体激光器能实现近200mW的短脉冲激光激射，但由于其腔长较长，噪声水平较高，如要实现更高功率的短脉冲激光则需要外部半导体放大器或者谐振腔。因此，对于边缘发射的介质激光加速器而言，虽然其加速区采用介质材料具有极高的击穿阈值，但受限于半导体激光器本身的激光功率，采用边缘发射的介质激光加速结构其加速区的电场强度较小，难以获得更高的加速梯度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法，能够有效提高介质激光加速器的加速梯度。
一种介质激光加速器，定义一XYZ空间直角坐标系，其包括:垂直腔面激光器，其包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道；反射镜，设于所述垂直腔面激光器发射激光的光路上，用于将所述垂直腔面激光器发射的激光以特定角度反射；饱和吸收镜，其对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，能够压缩激光的脉冲宽度并将压缩后的激光经所述反射镜反射回所述垂直腔面激光器。
作为一种实施方式，所述垂直腔面激光器与所述反射镜之间设有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的偏振片。
作为一种实施方式，所述加速区通过两个芯片键合形成，所述加速通道的至少其中一侧的芯片上形成有光栅；当仅一侧的芯片上形成有光栅时，另一侧的芯片上仅形成一个不含光栅的凹槽。
作为一种实施方式，所述有源区的半导体材料包括InGaAs半导体材料，所述垂直腔面激光器的入射光为波长为1um的红外激光，入射光的光路上设置有起偏镜。
作为一种实施方式，所述垂直腔面激光器的谐振腔内的电场强度E为：
其中，Iout为所述垂直腔面激光器的输出光强，Pout为所述垂直腔面激光器的输出激光功率，S为所述垂直腔面激光器的出光截面，/>Γ为所述垂直腔面激光器的反射镜的反射率，/>Iin为所述谐振腔内表面的光强,n为折射率，μ0为真空介电常数，c为真空光速。
本发明还提供了一种垂直腔面激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，所述垂直腔面激光器为以上所述的垂直腔面激光器。
作为一种实施方式，所述加速区通过两个芯片键合形成，至少其中一侧的芯片上形成有光栅；当仅一侧的芯片上形成有光栅时，另一侧的芯片上仅形成一个不含光栅的凹槽。
作为一种实施方式，所述有源区的半导体材料包括InGaAs半导体材料，所述垂直腔面激光器的入射光为波长为1um的红外激光，入射光的光路上设置有起偏镜。
一种上述的垂直腔面激光器的制备方法，所述加速区通过两个芯片键合形成，两个芯片上均形成有光栅，其中，在制备其加速区时包括如下步骤：采用气相外延沉积技术生长第一片芯片，其包括第一限制层及顶部反射镜；在所述第一限制层上进行光刻胶匀胶，然后进行光刻，获得预设的掩膜，以暴露出与所述加速通道宽度和长度相当的位置；进行湿法刻蚀或干法刻蚀出一刻蚀槽，刻蚀深度为0.35λ±0.05λ，λ为入射光的波长，然后去胶，并在第一限制层上制作定位标记；采用气相外延沉积技术生长第二片芯片，其包括底部反射镜及有源区；在有源区的上层继续生长一层第二限制层，并在第二限制层上刻蚀深度为L的第二光栅，然后在第二限制层上制作定位标记，其中L＝2(n-1)±0.1λ＝0.5λ±0.1λ，λ为入射光的波长，n为限制层折射率；根据定位标志将第一芯片和第二芯片键合，获得包含所述加速通道的加速区，所述加速通道仅一侧设置有光栅。
作为一种实施方式，在所述第一限制层上制作所述定位标记之后，进一步包括步骤：根据所述定位标志，在所述刻蚀槽中进行二次光刻得到位于所述刻蚀槽底部的第一光栅；从而所述加速区的加速通道的两侧均设置有光栅。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.结构简易，VECSEL芯片采用垂直结构，能够在激光谐振腔内获得更高的加速电场，有效提高介质激光加速器的加速梯度。
2.VECSEL芯片发射的激光经过偏振片后，具有特定的偏振方向，再由反射镜反射至可饱和吸收镜(SESAM)。通过可饱和吸收镜压缩激光的脉冲宽度，可以获得更短脉冲的锁模飞秒激光，之后短脉冲激光反射回VECSEL芯片中进行进一步的谐振放大，有效提高电子束在VECSEL芯片的加速区中获得能量加速，提高了介质激光加速器的加速梯度。
附图说明
图1为本发明的介质激光加速器的结构示意图。
图2为本发明的介质激光加速器的VECSEL芯片的结构示意图。
图3为加速区电场分布图。
图4为加速区电子束加速效果图。
图5为加速结构参数优化结果。
图6为激光在加速区谐振腔中的传输矩阵的对应位置示意图。
附图标号说明：介质激光加速器1、VECSEL 10、反射镜20、饱和吸收镜30、偏振片40、输出耦合器50。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明一种介质激光加速器、垂直腔面激光器(VECSEL)及其制备方法作进一步详细描述。
请参考图1，为了便于说明，定义一XYZ空间直角坐标系，本发明的介质激光加速器1用于加速从一辐射源发出的电子，其主要包括垂直腔面激光器(VECSEL)10、反射镜20、以及饱和吸收镜30。图1为方便观察，省略了辐射源和用于向VECSEL 10提供红外激光的光源，可以理解的是，辐射源和光源采用现有的即可。辐射源产生的激光经由VECSEL 10加速，反射镜20设于VECSEL10发射激光的光路上，能够将VECSEL 10发射的激光以特定角度反射并使激光进入饱和吸收镜30，饱和吸收镜30对弱光具有较高的吸收率，对强光有较高的透射率，也即对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，导致激光的脉冲前沿被压缩，从而获得更短脉冲的锁模飞秒激光。压缩后的短脉冲激光经原光路反射回VECSEL 10中，进行进一步的谐振放大，使电子束在VECSEL的加速区中获得能量加速。可以理解的，介质激光加速器1可包括一外壳，反射镜20以及饱和吸收镜30可位于外壳内也可位于外壳外部，VECSEL 10位于外壳内部且外壳内部优选呈真空状态。光源可设置在外壳外，也可在外壳内。
由于加速区中电矢量的振荡方向应当与电子束运动方向一致，所以在VECSEL 10的激光谐振腔中形成的激光光束应为X方向偏振。由于受激辐射中增益激光的偏振方向受到激励激光的影响，因此可以通过控制外部光注入的偏振方向对VECSEL的激励激光进行控制。本实施例中，在VECSEL 10的入射光的光路上还可设置起偏镜，以筛选和控制进入VECSEL 10的激光的偏振方向，本实施例中，光源和VECSEL 10之间还设置有输出耦合器50(反射镜)，起到大反射的作用，在输出耦合器50的两端分别为出射脉冲(来自光源)和反射脉冲，反射脉冲具有较大的脉冲峰值。在VECSEL 10与反射镜20之间设有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的偏振片40，可以理解的，在其他实施例中，也可以通过起偏镜等多种方式获得对光束的偏振效果。
下面详细介绍VECSEL 10的详细结构，请参考图2，一较佳实施例中，VECSEL 10至少包括有源层(有源区)和加速区。加速区设于有源层的Z轴方向前方。此外，还包括分别位于有源层和加速区的Z轴方向前方和后方的项部反射镜和底部反射镜。项部和底部的反射镜优选为分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)。有源层整体均由用于在电极通电时产生激光的半导体材料，例如但不限于InGaAs(铟镓砷)半导体材料构成。有源层的主延伸平面平行与XY轴定义的平面，加速区具有与X轴方向平行的加速通道，电子由加速通道的X轴方向后方进入通道，被加速后由加速通道的Z轴方向前方射出。
加速通道的其中一侧形成有光栅，光栅为沿Z轴方向刻蚀而成。光栅可通过光刻和湿法腐蚀的方法形成。为满足电子加速相位的要求，光栅常数为激光波长，即满足下式：A+B＝λ，其中A、B分别为光栅一个周期中的两个部分的尺寸，A为光栅突起部分在X轴方向的宽度(光栅尺厚度)，B为光栅刻蚀槽在X轴方向的宽度(光栅尺间隔)，λ为激光波长。
本实施例中，加速通道采用单边结构，其原因在于在键合芯片时，其中一个芯片上一蚀刻一个凹槽不含光栅加速结构，因此仅需要在Y方向上有精度控制，能够有效降低键合工艺的难度。
可以理解的，在其他实施例中，也可在加速通道的两侧均蚀刻光栅加速结构。
请参考图3至图5，为了验证本发明的VECSEL 10的加速效果，以1um红外激光作为加速激光，可根据激光的功率、波长、DBR反射率确定加速区加速电场的强度。详细参数见表一：
光强为激光器输出功率与出光截面之比，即其中S为发光截面，Iout为输出光强。结合激光器DBR反射镜的反射率，Iout＝(1-Γ)Iin，可以得到激光器谐振腔内表面的光强Iin，而光强与电场强度之间具有以下关系/>因此可以得到，谐振腔内(DBR边界出)的电场强度为/>以此电场强度作为带电粒子束仿真计算的输入激光，可以得到加速区电场分布图及电子束加速效果，如图3和图4所示。由于加速区的电场强度与光栅104尺厚度A、宽度相关w，因此对这两个参数进行扫描，可以获得加速能量解域中的最大值。根据传输矩阵法，可以对加速器光场进行计算。请同时参考图6所示，激光在谐振腔中的传输矩阵可以表示为T＝BT·CT。其中，B为光栅区传递函数，C为电子束通道传递函数。
激光介质的吸收及损耗可以表示为其中nL，nH为不同介质的折射率，kL,kH为对应介质中的波矢。则根据传输矩阵和介质吸收特性可以得到B,C区域的传输矩阵：
若A为有源区波函数表达式，E0为有源区激光电场强度，而D区域的光场分别的表达式为：
从上述实施例可以得知，刻蚀的电子通道对谐振腔中激光分布没有造成破坏性影响，因光栅结构的周期性，光强沿X轴方向和Y方向均成周期分布。由于在一个光栅周期内，Bi-1与Bi对激光的衰减不同，因此电子加速效果在一个周期内呈现两个不同的加速梯度，如图4所示。本发明通过降低激励激光的脉冲宽度、提高激光峰值功率的方式，在加速区获得更高的加速电场，提高了介质激光加速器的加速梯度。并且，本发明的介质激光加速器结构简易，VECSEL芯片采用垂直结构，能够在激光谐振腔内获得更高的加速电场，有效提高介质激光加速器的加速梯度。VECSEL芯片发射的激光经过偏振片后，具有特定的偏振方向，再由反射镜反射至可饱和吸收镜(SESAM)。通过可饱和吸收镜压缩激光的脉冲宽度，可以获得更短脉冲的锁模飞秒激光，之后短脉冲激光反射回VECSEL芯片中进行进一步的谐振放大，有效提高电子束在VECSEL芯片的加速区中获得能量加速，提高了介质激光加速器的加速梯度。
应当理解的是，由于位于VECSEL 10内部的加速区需通过电子束，因此加速区为隧道结构，对于隧道结构的芯片，目前只有双芯片键合技术能够实现。因此，本实施例的VECSEL 10的加速区通过两个芯片，即第一片芯片和第二片芯片键合形成，其具体制备方法如下所述。
步骤1、制备第一片芯片，具体包括步骤：
步骤11、采用气相外延沉积技术，进行芯片生长，形成第一限制层及顶部DBR，第一限制层的材为InGaAs；
步骤12、完成后将芯片翻转，使第一限制层朝上，在第一限制层上进行光刻胶匀胶；
步骤13、采用电子束曝光的方式进行光刻，获得合适掩膜，以暴露出与所述加速通道宽度和长度相当的位置；
步骤14、进行湿法刻蚀或干法刻蚀出一刻蚀槽，刻蚀深度为0.35λ±0.05λ，λ为入射光波长，本实施例中，刻蚀深度为350nm；
步骤15、去胶，并在第一限制层上进行定位标记。
步骤2、制备第二片芯片，具体包括步骤：
步骤21、采用气相外延沉积技术，进行芯片生长，制备底部DBR及有源区；
步骤22、在有源区的上层继续生长一层第二限制层，其材料为InGaAs；
步骤23、在第二限制层上进行光刻胶匀胶，制备光栅所需的掩膜；
步骤24、对限制层进行平行于Z轴方向的刻蚀，刻蚀深度为L＝2(n-1)±0.1λ＝0.5λ±0.1λ的光栅，其中λ为入射光的波长，n为限制层折射率。本实施例中，刻蚀深度为500nm；
步骤25、去胶并在第二限制层上标记定位。
步骤3、在完成第一芯片和第二芯片的制备后，根据定位标志将两个芯片键合。由于两个芯片的材质均为InGaAs，因此可以将两个芯片直接进行键合键合完成后，即可获得包含隧道结构的垂直腔面激光器芯片。
在上述实施例的变形例中，可在第一片芯片的第一限制层的刻蚀槽中进行二次光刻，得到位于加速通道另一侧的光栅，从而使得加速区的加速通道的+Z侧和-Z侧均有光栅，且结构对称，其加速效果更好。也即，在执行完步骤15之后，根据第15步骤制作的定位标志，在刻蚀槽中进行二次光刻，得到光栅，蚀刻方向沿Z轴进行。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。

Claims (6)

1.一种介质激光加速器，其特征在于，定义一XYZ空间直角坐标系，包括:
垂直腔面激光器，其包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道，所述加速区通过两个芯片键合形成，所述加速通道的至少其中一侧的芯片上形成有光栅；当仅一侧的芯片上形成有光栅时，另一侧的芯片上仅形成一个不含光栅的凹槽；
反射镜，设于所述垂直腔面激光器发射激光的光路上，用于将所述垂直腔面激光器发射的激光以特定角度反射；
饱和吸收镜，其对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，能够压缩激光的脉冲宽度并将压缩后的激光经所述反射镜反射回所述垂直腔面激光器。
2.根据权利要求1所述的介质激光加速器，其特征在于，所述垂直腔面激光器与所述反射镜之间设有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的偏振片。
3.根据权利要求1所述的介质激光加速器，其特征在于，所述有源层的半导体材料包括InGaAs半导体材料，所述垂直腔面激光器的入射光为波长为1um的红外激光，入射光的光路上设置有起偏镜。
4.根据权利要求3所述的介质激光加速器，其特征在于，所述垂直腔面激光器的谐振腔内的电场强度E为：
Iout＝(1-Γ)Iin；
其中，Iout为所述垂直腔面激光器的输出光强，Pout为所述垂直腔面激光器的输出激光功率，S为所述垂直腔面激光器的出光截面，/>Γ为所述垂直腔面激光器的反射镜的反射率，/>Iin为所述谐振腔内表面的光强,n为折射率，μ0为真空介电常数，c为真空光速。
5.一种垂直腔面激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，其特征在于，包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道，所述加速区通过两个芯片键合形成，所述加速通道的至少其中一侧的芯片上形成有光栅；当仅一侧的芯片上形成有光栅时，另一侧的芯片上仅形成一个不含光栅的凹槽。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面激光器，其特征在于，所述有源层的半导体材料包括InGaAs半导体材料，所述垂直腔面激光器的入射光为波长为1um的红外激光，入射光的光路上设置有起偏镜。
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