CN116487996A - 一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器及光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导器激光器技术领域，具体提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器及光学设备，量子点增益芯片采用脊型弯曲波导结构，量子点增益芯片的前端面具有弯曲角度，平板波导光子滤波器由采用半波片HWP和偏振分束器PBS组合构成，非球面透镜将前端面输出的光聚焦到平板波导光子滤波器中，将量子点增益芯片与平板波导光子滤波器进行耦合集成构成等效谐振腔，通过脉冲能量调节和波导位移控制可以灵活制备不同切趾函数分布的平板波导光子滤波器，通过负反馈机制实现激光器的线宽压窄和噪声抑制，采用外部光反馈注入锁定技术和飞秒切趾平板波导光子滤波器实现主模式选择和高模式增益差。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器及光学设备。
背景技术
高功率光纤激光器因其具有低噪声、高光束质量、高相干性、以及结构紧凑的特点，在原子物理、频率转换和引力波探测等领域有着十分重要的应用价值。目前常用方案是基于主振荡功率放大（MOPA）结构实现单频种子源的多级能量放大，同时对多路MOPA结构的高功率光纤激光器进行光谱合束。光谱合束技术具有对子光束相位要求宽泛、结构简单稳定的优势，是克服热损伤、非线性效应和模式不稳定性限制，突破单个激光器功率极限，同时保持高光束质量的有效方法。光谱合束的种子源需要在确保窄线宽激光输出的前提下，实现尽可能高的边模抑制比(SMSR)，以抑制多级能量放大过程中自发发射光谱的背景噪声。此外，光谱合束需要一系列同一波段激光器作为种子源，以增加光谱合束范围，提升合束功率。种子源的光谱、光束质量和功率水平等特性将决定光谱合束的效果。因此，有必要进行种子源的线宽压缩和噪声抑制。
高功率光纤激光器的种子源方案主要包括固体激光器、光纤激光器和半导体激光器。虽然固体激光器和光纤激光器均可以实现千赫兹（kHz）量级的线宽，满足种子源的基本线宽性能要求，但它们同样存在一些缺点。首先，二者均需要额外的激光二极管（LD）泵浦。其次，固体激光器因受限于其较大的体积和相对较低的稳定性，对冲击和振动敏感。而光纤激光器具有较高的功耗、尺寸和成本，同时其波长范围受到增益光纤的放大自发发射光谱(ASE)的限制。而半导体激光器可以通过合理的激光器结构设计有效地避免上述问题，同时兼具有结构紧凑、高可靠性和高光电效率等优点，而受到广泛关注，但半导体激光器同样存在着需要改进和提升的地方。
目前常用的半导体激光器，如分布式反馈(DFB)和分布式布拉格反射(DBR)结构，二者的腔长通常较短，这将影响光子寿命并限制输出线宽。通过对波导、光栅结构、光场限制因子、线宽展宽因子和传输损耗等的优化，可以实现兆赫兹(MHz)或更低量级的线宽输出；但这需要复杂的外延与器件结构，以及由此带来的技术复杂性和高成本。而基于标准具、体光栅和衍射光栅等外腔半导体激光器结构，可以显著地缩小线宽，但受限于低集成度及其对环境振动的敏感性，会影响其可靠性和稳定性特性。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器及光学设备。
第一方面，本发明实施例中提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器，包括量子点增益芯片、平板波导光子滤波器、非球面透镜、温度控制器以及蝶形管壳，所述量子点增益芯片采用脊型弯曲波导结构，所述量子点增益芯片朝向所述平板波导光子滤波器的前端面具有弯曲角度，所述弯曲角度为钝角，所述平板波导光子滤波器由采用半波片HWP和偏振分束器PBS组合构成，所述非球面透镜将所述前端面输出的光聚焦到所述平板波导光子滤波器中，将所述量子点增益芯片与所述平板波导光子滤波器进行耦合集成构成等效谐振腔，所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器均设置在所述温度控制器上，采用所述蝶形管壳对所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器进行封装。
在一些可选的方案中，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面镀有高反射膜HR。
在一些可选的方案中，制备平板波导光子滤波器时，通过调整所述HWP的旋转角度和旋转速度，并实时控制激光脉冲能量，得到能量切趾分布结构的平板波导光子滤波器。
在一些可选的方案中，制备平板波导光子滤波器时，通过程序控制步进电机以调整波导的位移，得到斜切趾分布结构的平板波导光子滤波器。
在一些可选的方案中，所述平板波导光子滤波器采用高反射结构，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面作为出光方向，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述后端面镀有低反射膜LR。
在一些可选的方案中，所述平板波导光子滤波器采用高反射结构，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面作为出光方向，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述后端面镀有低反射膜LR，采用激光能量调节与波导位移控制，通过组合所述HWP和所述PBS进行飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制波导位移的距离和速率，制备斜切趾分布结构的光子滤波器。
在一些可选的方案中，所述温度控制器包括热敏电阻、热沉、半导体制冷器TEC，所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器、所述非球面透镜以及所述热敏电阻均焊接在所述热沉上表面，所述热沉下表面与所述TEC焊接，所述量子点增益芯片、所述热敏电阻、所述TEC分别与所述蝶形管壳的引脚连接。
在一些可选的方案中，所述量子点增益芯片的结构采用量子阱结构或量子点结构。
第二方面，本发明实施例中提供一种光学设备，包括具有上述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明实施例中提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器及光学设备，包括量子点增益芯片、平板波导光子滤波器、非球面透镜、温度控制器以及蝶形管壳，所述量子点增益芯片采用脊型弯曲波导结构，所述量子点增益芯片朝向所述平板波导光子滤波器的前端面具有弯曲角度，所述弯曲角度为钝角，所述平板波导光子滤波器由采用半波片HWP和偏振分束器PBS组合构成，所述非球面透镜将所述前端面输出的光聚焦到所述平板波导光子滤波器中，将所述量子点增益芯片与所述平板波导光子滤波器进行耦合集成构成等效谐振腔，所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器均设置在所述温度控制器上，采用所述蝶形管壳对所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器进行封装。通过脉冲能量调节和波导位移控制可以灵活制备不同切趾函数分布的平板波导光子滤波器，而不受限于波段、周期等，也无需大量光刻版。通过负反馈机制实现激光器的线宽压窄和噪声抑制，采用外部光反馈注入锁定技术和飞秒切趾平板波导光子滤波器实现主模式选择和高模式增益差。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的另一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的又一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器的结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的再一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器的结构示意图。
附图标记：
量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102、非球面透镜103。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器，包括量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102、非球面透镜103、温度控制器（图中未示出）以及蝶形管壳（图中未示出），通过采用量子点增益芯片101和平板波导光子滤波器102耦合集成制备，通过等效谐振腔的高Q值以实现主模式选择和增益最大化，同时利用光学负反馈机制进行激光器的线宽压缩和噪声抑制，具体地，量子点增益芯片101采用脊型弯曲波导结构，量子点增益芯片101朝向平板波导光子滤波器102的前端面具有弯曲角度，弯曲角度可以为钝角。
选频器件可以选择平板波导光子滤波器102，通过飞秒激光能量调节和波导位移控制实现切趾平板波导光子滤波器102，本发明实施例给出了斜切趾和能量切趾两种结构。具体地，平板波导光子滤波器102由采用半波片HWP和偏振分束器PBS组合构成，非球面透镜103将量子点增益芯片101的前端面输出的光聚焦到平板波导光子滤波器102中，将量子点增益芯片101与平板波导光子滤波器102进行耦合集成构成等效谐振腔，从平板波导光子滤波器102的反射中心到量子点增益芯片101前端面到的这段光束路径等效于等效法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）谐振腔的腔长。激光器的等效腔可认为由一个有源增益区和一个无源外腔的组合。平板波导光子滤波器102的布拉格带隙实现模式选择和光学反馈，进入等效谐振腔的光经平板波导光子滤波器102反馈后返回量子点增益芯片101，这部分光返回量子点增益芯片101使被锁定模式实现增益放大。
通过抑制多级能量放大过程中自发发射光谱的背景噪声，使激光在多级功率放大后仍能保持较高的SMSR（中文边模抑制比，英文：Side-Mode Suppression Ratio ），因此选择切趾结构的平板波导光子滤波器102作为频率选择元件，并对切趾分布进行调制。制备平板波导光子滤波器102时，通过调整HWP的旋转角度和速度，并实时控制激光脉冲能量，以实现能量切趾分布结构的平板波导光子滤波器102。通过程序控制步进电机以调整波导的位移，实现斜切趾分布结构的平板波导光子滤波器102。同样为了消除内腔效应的影响，对平面波导的后端面和前端面进行研磨抛光，使两个端面与竖直平面呈现一定倾角。
本实施例中，量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102均设置在温度控制器上，采用蝶形管壳对所述量子点增益芯片101、所述平板波导光子滤波器102进行封装，具体地，本实施例中温度控制器包括热敏电阻、热沉、半导体制冷器TEC，量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102、非球面透镜103以及热敏电阻均焊接在所述热沉上表面，热沉下表面与TEC焊接，量子点增益芯片101、热敏电阻、TEC分别与蝶形管壳的引脚连接。
本实施例中，根据种子源的要求和增益芯片的性能，通过表征量子点增益芯片101增益内不同增益下的激光器性能，验证该方案在整个增益谱范围内满足光谱合束种子源的性能需求。通过优化芯片和滤波器的结构参数，可以进一步提高激光器的性能。
在一种实施例中，在量子点增益芯片101的前端面镀有抗反射膜AR，在量子点增益芯片101远离平板波导光子滤波器102的后端面镀有高反射膜HR，以降低增益芯片内腔模式对选频的影响，达到降低阈值和增加输出功率的目的。通过外部腔结构和频率选择元件的匹配，在激光器增益达到一定值时，可以在增益芯片101增益范围内的任何波长下实现激光输出。
实施例1
结合图1所示，高边模抑制比窄线宽外腔激光器包括量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102、非球面透镜103，量子点增益芯片101采用脊型弯曲波导结构，在量子点增益芯片101的脊波导靠近平板波导光子滤波器102的前端面附近弯曲成钝角，并在前端面镀有抗反射膜AR，在量子点增益芯片101远离平板波导光子滤波器102的后端面镀有高反射膜HR，以降低量子点增益芯片101内腔模式对选频的影响，达到降低阈值和增加输出功率的目的。非球面透镜103将量子点增益芯片101的前端面输出的光聚焦到平板波导光子滤波器102中，将量子点增益芯片101与平板波导光子滤波器102进行耦合集成构成等效谐振腔，通过外部腔结构和频率选择元件的匹配，在激光器增益达到一定值时，可以在量子点增益芯片101增益范围内的任何波长下实现激光输出。
实施例2
结合图2所示，实施例2与实施例1的区别在于：平板波导光子滤波器102的结构发生了改变。采用激光能量调节与波导位移控制，通过组合半波片HWP和偏振分束器PBS实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制波导位移的距离和速率，制备得到具有斜切趾分布结构的平板波导光子滤波器102。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：激光器的出光方向、平板波导光子滤波器102结构与量子点增益芯片101的镀膜发生了改变。平板波导光子滤波器102选择高反射率结构。将量子点增益芯片101的背离平板波导光子滤波器102方向作为出光方向。量子点增益芯片101的前端面镀有抗反射膜AR，量子点增益芯片101的后端面镀有低反射膜LR。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：激光器的出光方向、光子滤波器102结构与量子点增益芯片101的镀膜发生了改变。光子滤波器102选择高反射率结构。将量子点增益芯片101的背离光子滤波器402方向作为出光方向。采用激光能量调节与波导位移控制，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述后端面镀有低反射膜LR，采用激光能量调节与波导位移控制，通过组合所述HWP和所述PBS进行飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制波导位移的距离和速率，制备斜切趾分布结构的光子滤波器。
在一些实施例中，温度控制器包括热敏电阻、热沉、半导体制冷器TEC，量子点增益芯片101、平板波导光子滤波器102、非球面透镜103以及热敏电阻均焊接在热沉上表面，热沉下表面与TEC焊接，量子点增益芯片101、所述热敏电阻、TEC分别与蝶形管壳的引脚连接。
在一些实施例中，所述量子点增益芯片101的结构采用量子阱结构或量子点结构。
本发明的目的是研制高功率光纤激光器光谱合束所需要的单频种子源，具体通过集成宽增益的增益芯片和具备飞秒切趾结构的平板波导光子滤波器来制备半导体激光器，进而实现一种高集成度和低成本的种子源方案。通过脉冲能量调节和波导位移控制可以灵活制备不同切趾函数分布的平板波导光子滤波器，而不受限于波段、周期等，也无需大量光刻版。通过负反馈机制实现激光器的线宽压窄和噪声抑制，采用外部光反馈注入锁定技术和飞秒切趾平板波导光子滤波器实现主模式选择和高模式增益差。
第二方面，本发明实施例中提供一种光学设备，包括具有上述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器。
本发明实施例提供的光学设备，通过表征量子点增益芯片增益内不同增益下的激光器性能，验证该方案在整个增益谱范围内满足光谱合束种子源的性能需求。通过优化芯片和滤波器的结构参数，可以进一步提高激光器的性能。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，包括量子点增益芯片、平板波导光子滤波器、非球面透镜、温度控制器以及蝶形管壳，所述量子点增益芯片采用脊型弯曲波导结构，所述量子点增益芯片朝向所述平板波导光子滤波器的前端面具有弯曲角度，所述弯曲角度为钝角，所述平板波导光子滤波器由采用半波片HWP和偏振分束器PBS组合构成，所述非球面透镜将所述前端面输出的光聚焦到所述平板波导光子滤波器中，将所述量子点增益芯片与所述平板波导光子滤波器进行耦合集成构成等效谐振腔，所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器均设置在所述温度控制器上，采用所述蝶形管壳对所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器进行封装。
2.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面镀有高反射膜HR。
3.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，制备平板波导光子滤波器时，通过调整所述HWP的旋转角度和旋转速度，并实时控制激光脉冲能量，得到能量切趾分布结构的平板波导光子滤波器。
4.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，制备平板波导光子滤波器时，通过程序控制步进电机以调整波导的位移，得到斜切趾分布结构的平板波导光子滤波器。
5.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述平板波导光子滤波器采用高反射结构，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面作为出光方向，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述后端面镀有低反射膜LR。
6.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述平板波导光子滤波器采用高反射结构，所述量子点增益芯片远离所述平板波导光子滤波器的后端面作为出光方向，所述前端面镀有抗反射膜AR，所述后端面镀有低反射膜LR，采用激光能量调节与波导位移控制，通过组合所述HWP和所述PBS进行飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制波导位移的距离和速率，制备斜切趾分布结构的光子滤波器。
7.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述温度控制器包括热敏电阻、热沉、半导体制冷器TEC，所述量子点增益芯片、所述平板波导光子滤波器、所述非球面透镜以及所述热敏电阻均焊接在所述热沉上表面，所述热沉下表面与所述TEC焊接，所述量子点增益芯片、所述热敏电阻、所述TEC分别与所述蝶形管壳的引脚连接。
8.根据权利要求1所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器，其特征在于，所述量子点增益芯片的结构采用量子阱结构或量子点结构。
9.一种光学设备，其特征在于，包括具有如权利要求1至8中任一项所述的高边模抑制比窄线宽外腔激光器。
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