被动式饱和箝位输出光强连续可调的碲镉汞光限幅器

摘要

本发明公开了一种被动式饱和箝位输出光强连续可调的碲镉汞光限幅器，该光学限幅器包括：一对分布布拉格反射镜形成的F－P光学谐振腔和置于F－P光学谐振腔中间的作为吸收层的HgCdTe光电二极管及施加于HgCdTe光电二极管的直流稳压电源。本发明的优点是：1.由于吸收层采用HgCdTe光电二极管，通过控制施加于HgCdTe光电二极管的反向偏压来达到双光子吸收系数的人为调控；通过F－P光学谐振腔来增大双光子吸收材料的等效吸收长度，从而实现在一定范围内对大功率激光器的输出光强精确连续可调和饱和箝位。2.由于吸收波长可通过HgCdTe材料中Cd组分来调节，因此，这种光学限幅器可以在整个红外光学波段都能实现光学限幅要求。

说明书

技术领域

本发明涉及被动式半导体光学限幅器，具体是指可实现对大功率激光器的输出光强连续可调和饱和箝位的碲镉汞(HgCdTe)光限幅器。

背景技术

光学限幅器件具有在较低的入射光强下，其输出强度随入射光强呈线性关系变化，而在较高的入射光强下其输出光强箝位在一个固定饱和值的特点。随着大功率可调谐脉冲激光器技术的不断发展，为保护精密光学器件和人眼免受其损伤，迫切需要有与之相适应的光学限幅器。同时，光限幅器也是光学稳幅和光学通信领域的重要应用光学元件之一。光限幅器有主动式和被动式之分，相对于主动式光限幅器，被动式光限幅器因只涉及到一束入射光就可实现光强调制，因此这种限幅器被证明是一种更有效的限幅方式。被动式限制光强可调光限幅器不仅能够满足对输出光强进行限制，而且可通过对材料的双光子吸收的人为调控而对输出光强进行调制，具有很快的响应速度，因此可以在简化仪器结构的同时，提高能量的利用率和系统的信噪比，为仪器的小型化、轻量化和增强器件功能提供有效的技术途径。

传统的被动式光限幅器有二种结构：

1)基于改变吸收体积的限幅结构

基于改变双光子吸收体积的限幅结构是实现输出光强可调的最典型的限幅器，该限幅器结构为一个具有大的双光子吸收系数的半导体材料，入射光正入射在限幅器表面，通过调节吸收层的厚度而改变双光子吸收。但由于双光子吸收是效率很低的非线性吸收过程，且与光吸收材料相互作用的长度成线性关系，因此若实现其对光强的调节必须要有很长的吸收长度，而从器件的实际应用角度来看，简单靠提高双光子吸收长度来实现光强调节和输出饱和并不是一种有效可行的方案。

2)基于光学谐振腔与双光子吸收材料结合结构

这种结构是将双光子吸收材料放在光学谐振腔中间，通过光束在谐振腔中的振荡来改变光束在双光子吸收材料中的吸收等效长度，以此提高双光子吸收的效率。其中，光学谐振腔由F-P谐振腔组成。这种方法虽然有效地增加了材料的双光子吸收长度，但其输出光强仍然保持在固定值而没有满足其输出光强连续可调的特性。

发明内容

基于上述光限幅器由于结构上存在的问题，而限制了它们的实际应用。本发明的目的是要提出一种可对大功率激光器的输出光强连续可调和饱和箝位的HgCdTe限幅器。

本发明的技术方案是将HgCdTe光电二极管置于光学谐振腔中间作为吸收层，通过人为调控HgCdTe光电二极管的反向电压而实现对入射激光的饱和箝位和光强连续可调。

本发明的HgCdTe光学限幅器包括：一对分布布拉格反射镜形成的F-P光学谐振腔和置于F-P光学谐振腔中间的作为吸收层的HgCdTe光电二极管及施加于HgCdTe光电二极管的直流稳压电源。

所说的分布布拉格反射镜的两相对镜面上镀有(HL)m或(LH)m介质膜，其中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，m为高、低折射率膜层交替叠层的次数，膜层光学厚度为λ₀/4。反射镜衬底材料为Ge或Si，高折射率膜层为PbTe或Ge材料，低折射率膜层为ZnSe或SiO材料。

本发明的HgCdTe光学限幅器的工作原理是：通过调节施加在HgCdTe光电二极管上的电压可轻易改变其p-n结空间电荷区的电场强度。p-n结本身可在空间电荷区形成强电场，当对p-n结施加反向偏压时，反向偏压将与空间电荷区的内建电场叠加，当施加的反向偏压使该区域的电场强度达到足够强时，能带发生较大倾斜，对于电子而言相当于材料的有效带隙减小，即Franz-Keldysh效应出现，这导致空间电荷区的双光子吸收系数发生明显变化，外偏压越强能带将越倾斜，材料的有效带隙变化越大，相应的双光子吸收变化越明显。而结区外由于场强很弱，能带基本不发生变化，所以双光子吸收系数没有发生变化。通过调节外偏压就可以人为调控空间电荷区的双光子吸收。由于HgCdTe光电二极管是放在光学谐振腔中，通过光束在谐振腔中的来回振荡可保证双光子吸收长度，从而提高双光子吸收的效率，实现在一定范围内对大功率激光器的饱和箝位输出光强精确连续可调。这也正是本发明的光学限幅器较传统光学限幅器的最大优势所在。此类光学限幅器件可在光学通信、保护人眼和光学器件免受大功率激光损伤、抑制输出激光噪声等方面具有广泛应用前景。

附图说明

图1为本发明的HgCdTe光学限幅器的结构示意图。

图2本发明的HgCdTe光学限幅器的吸收层p-n结内电场强度与双光子吸收系数的关系图。

具体实施方式

下面以入射波长7920nm为设计波长，结合附图对本发明的光学限幅器的具体

实施方式作详细说明：

本发明的HgCdTe光学限幅器的谐振腔1由一对分布布拉格反射镜2组成，两相对镜面上镀有(HL)m或(LH)m介质膜3，反射镜衬底材料为Ge，H为高折射率膜层SiO，L为低折射率膜层PbTe，其折射率分别为2.35和5.55，m为高、低折射率膜层交替叠层的次数，m＝2，膜层光学厚度为λ₀/4，谐振腔长为7.92mm。将HgCdTe光电二极管4放在谐振腔中，并使光电二极管的p-n结中的空间电荷区5为谐振腔中心位置，以使光限幅达到最好效果。对7920nm入射波长，此谐振腔结构透射光线宽为2.3nm，中心波长为7920nm，见图1。

HgCdTe光电二极管4作为光吸收材料是限幅器的关键部分，它是一种窄禁带半导体材料，光吸收主要发生在红外波段，可通过调节Cd组分得到近、中、远红外波段的光限幅吸收。对应本例，使入射基频光子能量为HgCdTe带隙的60％，则相应的Cd组分为0.305。制备方法是采用分子束外延方法生长在以GaAs为衬底的CdTe缓冲层上，形成p型外延层，在其表面注入硼离子，形成n⁺型突变n⁺-p结，再在其表面淀积CdTe钝化层，以尽量降低表面复合。为满足大功率脉冲激光光束的限幅，n⁺-p结的有效面积应大于激光光斑直径，此处取为2×2cm。

HgCdTe光电二极管的电极引出导线经负载电阻6与直流稳压电源7联接，负载电阻对HgCdTe光电二极管起保护作用，外加稳压直流电源对n⁺-p结形成反向偏压方式。因n⁺-p结处于反偏时相对负载电阻输入阻抗很大，可认为直流电源输出外电压全部加在空间电荷区，通过控制外偏压，可以改变施加在n⁺-p结上的电场强度，当电场强度使材料的能带倾斜到一定程度时，Franz-Keldysh效应的出现对材料的有效带隙进行调制，入射光子相对于材料的有效带隙发生变化，实现了对材料的二阶吸收系数的人为调控，光限幅器的输出光强相应发生变化。F-P谐振腔使吸收材料对入射光的吸收效率增强。

在设计的过程中，由于光学吸收损耗材料n⁺-p结可承受的击穿电压有限，过强的外偏压将导致n⁺-p结的击穿，大的反向电流使空间电荷区的场强不再增强，因此过大反向偏压无法再对输出光强进行人为调控。因此，在此例中根据击穿电场强度，外偏压最大不应该超过-1V，此时在n⁺-p结处的电场强度已大于30kV/cm，双光子吸收系数已相对零偏压条件下增加了7倍。所以采用本发明，可以使得光限幅器的限幅能力调谐5倍左右。