基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器

摘要

本发明公开了一种基于砷化镉可饱和吸收材料的半导体外腔锁模激光器。依次由可连续、直接工作于中红外波段的半导体激光器、砷化镉薄膜、衍射光栅、透镜和反射镜构成；其中半导体激光器经透镜准直、衍射光栅衍射最终聚焦在砷化镉薄膜与反射镜构成的物理组合结构上，形成锁模脉冲；用于实现锁模脉冲输出的砷化镉薄膜厚度控制在30nm‑1μm，该可饱和吸收体工作波长覆盖2‑6微米的红外区域。本发明可以在中红外波段直接实现超快、高稳定、波长可调谐的锁模脉冲输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种外腔锁模半导体激光器，尤其是一种基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器。涉及属于半导体激光器外腔锁模技术及非线性光学领域。

背景技术

红外脉冲激光源是非线性光学领域中研究活跃的前沿课题，在通讯、医学、超精细加工、高密度信息存储、时间分辨光谱学等诸多领域都有广泛应用价值。目前，量子级联激光器和带间级联激光器可以直接工作于中红外波段，具有体积小、效率高、结构简单、价格便宜、便于调谐等优点。外腔半导体激光器为实现大连续调谐范围提供了一种可能的途径。它的原理是利用连续改变激光器外延腔的腔长从而连续改变激光的波长或频率。通常这类激光器工作在连续光输出模式下。要实现超短脉冲激光输出，半导体外腔激光器可通过主动锁模实现，但这种方式实现的脉冲输出通常结构复杂、稳定度差、同时调制频率与腔频精确对准，操作过程复杂。采取直接调制的方式，所能获得的最窄脉冲宽度受到限制。而被动锁模由于无需外部电控器件、生成的脉冲更短，是应用广泛的获得高峰值超快脉冲的有效手段。其中，半导体可饱和吸收体的选择直接决定了锁模脉冲的特性。可饱和吸收体表现在低入射光强时吸收损耗大,而高入射光强时由于吸收体被漂白而损耗小。通过这种对光的强度选择特点来实现锁模。目前市面上常见的被动锁模饱和吸收体材料有：半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)、石墨烯等。半导体可饱和吸收镜(SESAM)一般适用于3微米以下波段。新型的碳纳米管和石墨烯等低维可饱和吸收材料虽然具有宽带的可饱和吸收特性，却难以实现灵活调控。

砷化镉材料与石墨烯类似，具有零带隙、线性色散关系的能带结构，理论上其光吸收范围可以跨越整个中红外光谱范围。作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收光谱范围宽、重复性好、波形稳定等优势。

发明内容

本发明目的是，提出一种基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器。使用零带隙、线性能量色散关系工作在2-6微米的三维狄拉克半金属材料作为激光器被动锁模的可饱和吸收材料，采用波长可调谐、频率稳定、窄线宽的半导体激光器外腔被动锁模结构实现中红外波段被动锁模脉冲输出。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，依次由可连续、直接工作于中红外波段的半导体激光器、砷化镉薄膜、衍射光栅、透镜和反射镜构成；其中半导体激光器经透镜准直、衍射光栅衍射最终聚焦在砷化镉薄膜与反射镜构成的物理组合结构上，形成锁模脉冲；使用零带隙、线性能量色散关系的砷化镉作为激光器被动锁模所需的可饱和吸收材料，用于实现锁模脉冲输出的砷化镉薄膜厚度控制在30nm-1μm，该可饱和吸收体工作波长覆盖2-6微米的红外区域。

采用半导体外腔结构实现一种波长可调谐、频率稳定、窄线宽的被动锁模激光器。

使用工作波长覆盖2-6微米红外区域的连续输出的，能够在室温下连续工作的中红外半导体激光器作为激光源，同时提供腔内增益。

采用工作于宽带中红外波段衍射光栅，用于外腔激光器工作波长选择。

采用中红外波段高透射率的透镜，用作半导体激光器输出光束的准直与聚焦。

可饱和吸收材料主要采用分子束外延法制备砷化镉薄膜，将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上，反射镜可以直接在砷化镉表面沉积生长。

砷化镉薄膜可饱和吸收体通过精确控制材料的生长时间、速率、温度和掺杂元素浓度等条件来设计并调整该可饱和吸收体的非线性光学参数，常见的掺杂元素有Cr、In、Na或K。

所述的中红外半导体激光器为注入区由InAs,AlSb,GaSb超晶格材料构成,可以在室温下连续工作的中红外量子级联激光器、带间级联激光器。

砷化镉材料在中红外波段具有超快可饱和吸收特性，用于实现锁模脉冲输出。这种基于砷化镉可饱和吸收材料的半导体外腔锁模激光器可以在中红外波段直接实现超快、高稳定、波长可调谐的锁模脉冲输出。

有益效果，本发明提供的基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器与现有技术相比，采用直接工作于中红外波段的量子级联激光器、带间级联激光器，砷化镉材料作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收光谱范围宽、重复性好、波形稳定等优势，与石墨烯一样，具有零带隙、线性色散关系的能带结构，理论上其光吸收范围可以跨越整个中红外光谱范围,因此该发明可以在红外波段实现稳定、高度可重复并且波长可调控的脉冲输出。基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器具有集成度高、稳定性高、工作波长可调谐、更容易获得高重复频率超短脉冲等优点。

附图说明

图1为实施例1基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。

图2为实施例2基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。

图3为实施例3基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。

图4为实施例4基于砷化镉薄膜的外腔锁模激光器的结构图。

图中：1、一端全透一端半反半透的中红外量子级联激光器，2、准直透镜，3、中红外衍射光栅，4、准直透镜，5、砷化镉薄膜可饱和吸收体，6、金镜，7、带间级联激光器，8、一端全透一端全反的量子级联激光器，9、半反半透镜，10、两端全透的中红外量子级联激光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

所述的中红外量子、带间级联激光器是注入区由数字化分级破隙型的I InAs/AlSb/GaSb超晶格材料构成,可以在室温下连续工作的中红外半导体激光器。

使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为激光器被动锁模所需的可饱和吸收材料(5)，该可饱和吸收体工作波长覆盖2-6微米的红外区域，用于实现锁模脉冲输出。主要采用分子束外延法制备砷化镉薄膜，将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上。通过精确控制材料的生长时间、速率和温度等条件来设计并调整该可饱和吸收体的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的红外光学开关器件，其中对砷化镉薄膜样品进行掺杂，掺杂元素有Cr、In、Na或K。

砷化镉薄膜分子束外延生长的具体条件如下：镉源和砷源纯度：～99.999％(5N)；腔室压强：～10-8mbar；衬底温度：～170℃；生长速率：～1nm/分钟。

使用工作波长覆盖2-6微米红外区域的连续输出的半导体激光器作为激光源，同时提供腔内增益。采用工作于宽带中红外波段衍射光栅，用于外腔激光器工作波长选择。采用中红外波段高透射率的透镜，用作半导体激光器输出光束的准直与聚焦。

具体实施例1：基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，结构如图1所示。由一端全透一端半反半透的中红外量子级联激光器(1)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀半反半透膜下端镀全透膜的中红外量子级联激光器(1)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与金镜(6)组合结构上，经金镜反射后原路返回，锁模激光最终由中红外量子级联激光器(1)上端出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀1μm的金膜。

具体实施例2：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器结构，如图2所示。由一端全透一端半反半透的中红外带间级联激光器(7)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀半反半透膜下端镀全透膜的中红外带间级联激光器(7)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与金镜(6)组合结构上，经金镜反射后原路返回，锁模激光最终由中红外带间级联激光器(7)上端出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和金镜(6)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀1μm的金膜。

实施例3：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器结构，如图3所示。由一端全透一端全反的中红外量子级联激光器(8)、平凸准直透镜(2)、中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和一面全透一面半反半透的平面镜(10)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，上端镀全反膜下端镀全透膜的中红外量子级联激光器(8)下端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与半反半透镜(9)组合结构上，经平面镜反射后原路返回，锁模激光最终由平面镜半反半透面出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和半反半透镜(9)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀半反半透膜。

实施例4：，基于砷化镉材料的半导体外腔锁模激光器，结构如图4所示。由中红外衍射光栅(3)、平凸准直透镜(2)、两端全透的中红外量子级联激光器(10)、平凸准直透镜(4)、砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)半反半透镜(9)组合依次连接构成一个中红外半导体激光器线性外腔结构，两端镀全透膜的中红外量子级联激光器(10)后端口发光经平凸准直透镜(2)准直，准直光经中红外衍射光栅(3)衍射，平凸准直透镜(4)聚焦在砷化镉可饱和吸收体(5)与半反半透镜(9)组合结构上，经平面镜反射后原路返回，锁模激光最终由平面镜半反半透面出射；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体(5)和半反半透镜(9)的连接方式采用组合结构，即采用分子束外延生长可将砷化镉样品直接生长在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜作为可饱和吸收体，厚度控制在30nm-1μm，云母衬底具有良好的透射率，最后使用电子束蒸发在砷化镉表面蒸镀半反半透膜。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施实例相同或近似的结构，而得到的其它结构设计，均在本发明的保护范围之内。