垂直腔的光场调控及其应用（特邀）

垂直腔是激光器、探测器、滤波器、传感器等器件的核心结构,垂直腔的光场分布对激光器、滤波器、传感器等的性能具有重要的影响。垂直腔的结构影响垂直腔的光场分布,从而影响基于垂直腔的器件设计、制作以及其性能。近年来,人们围绕垂直腔的构建及其光场调控做了大量的研究,在理论基础以及器件应用等方面取得了显著进展。首先,介绍了传统上/下分布布拉格反射镜垂直腔的色散特性,和其光场调控的方法以及它们在激光器和滤波器等领域的应用;其次,介绍了基于一维和二维高折射率差亚波长光栅基复合腔的色散特性,和它们在新型激光器和单片集成多波长滤波器阵列等领域的应用;最后,对文章进行总结并展望了垂直腔的新应用。     

单纵模耦合腔半导体激光器

八十年代,高数据速率长距离光纤传输和相干光通信的发展,推动了单频半导体激光器的研究,主要的研究工作有分布反馈(DFB)式激光器、解理耦合腔(C~3)激光器和外腔式激光器。连续工作条件下,DFB激光器的线宽光功率乘积约为30MHz·mW,线宽最窄已达4MHz;C~3激光器的线宽功率乘积为2.5～3MHz·mW,10mW     

FFT模拟腔镜畸变情况下高能CO2激光器输出模场

为了研究横流气体激光器因谐振腔腔镜倾斜、中心热变形以及增益介质的横向流动而产生的非均匀增益对激光模场分布的影响,采用快速傅里叶变换算法模拟了高能CO2激光器的输出模场。结果表明,这些因素都会导致模场分布畸变。通过腔镜冷却、改善腔镜材料、增大反射率以及适当调节腔镜倾斜方向可改善非均匀增益对模场的影响。     

分布反馈激光器光谱线宽分析

分析了分布反馈激光器(DFB)光谱线宽。长腔DFB激光器具有很窄的光谱线宽,如果在腔中心引进相移,那么光谱线宽会进一步变窄。引言:分布反馈(DFB)激光器有可能应用在相干光学通信系统和光纤传感器中,这是因为DFB激光器纵模稳定。对于这样应用,激光源的光谱纯度是很重要的;然而,对于DFB激光器,过去只报导了几个实验结果。本文报导了我们给出的DFB激光器光谱     

色散管理光纤锁模激光器在近零色散域的非线性优化

目前,飞秒激光脉冲因脉冲宽度窄和峰值功率高的特点被广泛运用在多种领域中。其中,色散管理光纤锁模激光器因其特有的腔内呼吸机制使输出的激光脉冲能量更高,光谱更宽、脉宽更窄。使用啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器能够实现真正的全光纤结构,提升激光器的紧凑性和稳定性,因此基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器具有更加实际的应用意义。采用数值模拟的方法,研究了基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的掺镱光纤锁模激光器中单模光纤在腔内的不同分布对脉冲动力学过程和输出脉冲参数的影响。系统分析了谐振腔内净色散值不同时,腔内单模光纤的分布对脉冲在腔内的动力学过程的影响。模拟结果表明,在腔内净色散值为负时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤越短,光纤激光器维持稳定单脉冲运行的最大泵浦强度更高且输出光谱更宽,从而能够获得脉宽更窄的去啁啾脉冲;腔内净色散值越接近零时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤长度对输出脉冲参数作用的影响越显著;腔内净色散值为正时,单模光纤在腔内的分布对输出脉冲影响逐渐减弱,优化单模光纤分布提升锁模激光器性能并不明显。最后,提出了一种通过改变单模光纤在腔内的分布来提高激光器输出性能的优化方法。     

分布反馈谐振腔拉曼自由电子激光振荡器获得成功

中国科学院上海光机所王明常副研究员的自由电子激光器课题组,首次研制出具有分布反馈谐振腔的拉曼自由电子激光振荡器。该谐振腔满足布拉格条件成为分布反馈腔,取代传统的激光器反射镜,解决了反射镜阻挡电子束同轴通过和大功率激光损伤两个关键技术问题。     

两用CW染料激光器

环形腔和三镜折迭腔CW染料激光器各有其特点,前者单模转换效率高,线宽窄,适用于高分辨率光谱分析;后者转换效率高,操作简便,适用于大功率而对线宽要求不太严格的场合,例如作光敏治癌的光源。根据两种激光腔的结构和特点,适当选择元件参数,以不增加设备为前提,可在环形腔上实现三镜折迭腔染料激光的运转,做到一机两用。我们在激光-血卟啉光敏治癌研究中,起初用环形腔染料激光器作治疗光源,发现存在两个问题:一是只用双折射滤光片选频时,激光器输出两束光,为了在泵浦光功率很低时得到较强的单束激光,需用一平面全反射镜将两束光“合并”(图1)。但发现这“单束”光的功率比原来两束光功率之和小;其二是用上述方法得到的单束光不稳定,不便与光导纤维之间的光耦合。为了解决这些问题,本文利用原环形腔染料激光器系统和元件,设计了一个环形腔和三镜腔两用的染料激光器,见图1。     

高能激光器抗失调谐振腔的输出特性

在脉冲TEA CO2 激光器中采用角隅反射镜作为全反镜,平行平面镜作为输出镜组成新型激光谐振腔。本文重点研究了角隅谐振腔气体激光器的抗失调特性,并与平凹腔气体激光器进行了对比。在平面输出镜失调角同为6角分时,实验结果表明若平凹腔激光器的单脉冲输出能量下降47% ,角隅腔激光器的单脉冲输出能量仅下降8%,且近场光斑光强分布没有明显变化。当砷化镓输出镜透过率分别为71%、40%和30%时,角隅腔激光器的单脉冲输出能量分别为6. 46J、4. 6J和3. 4J。使用模式仪测量,其结果表明:角隅腔激光器近场光强分布均匀。     

稳定腔激光模式理论的再研究

为了完善和发展激光器谐振腔的模式理论,要求对稳定腔激光器模式理论进行再研究。采用一种解析方法对稳定腔激光模式的光场分布进行了求解,得出稳定腔激光模行波光场分布的一种解析表达式,并用图视的方法给出了一台平-凹谐振腔Nd:YAG激光器的几个低阶模光强分布的计算结果,以此深化了对稳定谐振腔激光模式理论的认识。     

飞速发展的半导体激光器

评述半导体激光器的发展动态, 包括应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器、可见光激光器、增益耦台型分布反馈激光器及高功率激光器列阵等。     

台面尺寸对垂直腔面发射激光器电学特性的影响

采用求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法,计算了不同台面大小的台面结构垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布.结果表明,台面尺寸对垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布有重要影响.在一定的外加电压下,随着台面尺寸减小,有源层中心处的注入电流密度、载流子浓度和结压降急剧减小,垂直腔面发射激光器性能恶化.     

自由电子激光器近共心谐振腔准直误差分析

随着自由电子激光器的发展,射频自由电子激光器多由放大器结构改进为振荡器结构。其谐振腔多采用近共心腔。这种腔反射镜的曲率中心几乎重合,这样使得腔内的高斯光束分布尽量复盖电子束的空间分布,在空间上匹配,以维持光束和电子束的相互作用。由于近共心谐振腔具有较高的准直灵敏度,反射镜的调整误差将会影响到腔内光束和电子束空间上的匹配,从而降低自由电子激光器的增益。因而,对于自由电子激光器近共心谐振腔的的准直误差容限的分析,具有实际的意义。     

一体化Y型腔正交偏振氦氖激光器的温度场仿真与实验

为了研究一体化Y型腔正交偏振氦氖激光器腔内温度场分布对其输出频差稳定性的影响,利用ANSYS有限元软件建立了该激光器的热力学模型。详细介绍了材料热参数的处理、激光器增益区热载荷的施加和换热系数的计算方法,通过仿真得到了该激光器腔体在稳态和瞬态情况下的温度场分布。采用红外热像仪设备拍摄得到腔体表面的实际温度值,与仿真结果对比,表明二者的温度值差异小于1%,建立的仿真模型准确可靠。激光器启动后,热量逐步从增益区向非增益区传导。当激光器温度分布稳定时,腔体存在明显的温度梯度分布,其中表面区域温度梯度最大;表面温度最高点位于阴极附近,最低点位于远离增益区的子腔体下表面。两子腔表面温度差值为0.05℃,引起的频差漂移为0.067 MHz。研究表明:激光器两子腔随时间变化产生的温度差值仍是制约激光器输出频差稳定性的主要因素,为下一步提高频差稳定性和优化激光器几何结构设计提供了指导。     

分布反馈激光器温度与电流控制研究

为了精密控制分布反馈激光器的温度与电流, 采用数字信号处理芯片, 设计了分布反馈激光器驱动装置。通过该装置设定激光器温度和电流的参考电压, 经数模转换, 再通过温度和电流驱动模块, 馈入并驱动分布反馈激光器, 进行了实验验证。结果表明, 40min内温度变化极差与标准差分别不超过5mK和0.7mK, 电流变化极差与标准差不超过40μA和6μA; 驱动半导体光放大器, 关断时间小于1μs, 具有良好的瞬间响应特性; 该装置具有较高的温度和电流稳定性, 流控模块具有良好的瞬态特性, 能够精密控制分布反馈激光器的温度和电流。该控制装置可用于光腔衰荡光谱研究, 控制分布反馈激光器并驱动光放大器来关断激光。     

低掺杂铒纤上分布反馈布拉格光纤激光器的制作

采用准分子激光器成功地在低掺杂普通铒纤上制作出5 cm的光纤光栅分布反馈布拉格(DFB)激光器,铒纤的峰值吸收率为5 dB/m,在100 mW,980 nm抽运光条件下,光纤激光器的输出功率为50μW,边模抑制比为50 dB。使用耦合模理论分析了一段5 cm带相移的分布反馈布拉格光纤激光器输出光强同腔内损耗及相移量的关系,计算结果表明,光纤腔内的损耗对激光器的输出具有非常重要的影响,大的损耗对应获得最大功率的光栅耦合强度相应减小,因此,在低掺杂铒纤上制作分布反馈布拉格激光器必须正确估计光纤激光器的腔内损耗,选择合适的光栅耦合强度,可以获得较大的输出功率。     

氧化物隔离条形双异质结激光器

近年来半导体激光器的研制工作有了很大的进展。特别是在光导纤维通讯和光信息处理方面半导体激光器得到了越来越广泛的应用。为了有效地耦合到低损耗单模光纤中并达到易于调制的目的,实现基横模和单纵模操作是人们所期望的。因而,近年来国外对半导体激光器模式问题的研究日益增多。据文献报导,有的研究者研制了新的器件结构来实现激光器的单模运转,有的在腔面蒸抗反射膜;有的采用外腔控制;也有的采用深扩Zn的方法来稳定激光器的横模,而短腔激光器易于实现单纵模工作。为此,我们研究了不同深度扩Zn对半导体激光器模式的影响,也对短腔激光器进行了一些实验工作,初步观察到了一些现象。     

2μm波段DBR光纤激光器的超稳腔PDH稳频技术

报道一种可用于超稳腔Pound-Drever-Hall(PDH)稳频的2μm波段分布Bragg反射（DBR）光纤激光器及其频率锁定结果。该绝热封装的光纤激光器配备主动温度控制和压电陶瓷（PZT）频率调谐装置,可满足超稳腔PDH稳频应用。通过周期极化铌酸锂（PPLN）晶体倍频,采用PDH稳频技术将研制的1950 nm光纤激光器频率稳定到了1μm波段超稳腔频率参考上。针对DBR光纤激光器中PZT频率调谐机制只反馈调节腔长,容易在稳频过程中产生激光器跳模进而导致频率失锁的问题,笔者提出并演示了一种对DBR光纤谐振腔实施基于超稳腔频率参考的实时温度控制方案,并采用该方案实现了对DBR光纤激光器超过4周的长期频率锁定。该方案对于实现DBR光纤激光器的长期频率锁定具有较高的参考价值。     

短腔InGaAsP注入式激光器:模谱和单纵模功率与腔长之关系

给出了描述InGaAsP注入式激光器中单模(单频)功率的下限和上限与腔长关系的简单表达式。发现,单模功率的下限与腔长成正比,而其上限却与腔长成反比。因此,短腔激光器在阈值以上很宽的电流及功率范围内,对获得单模输出是一个合适的结构。通过短腔设计还能改善模式的温度稳定性。理论结果与我们最近对甚短腔(50～75μm)条形InGaAsP激光器所得实验结果一致。在较宽的电流范围内这些激光器呈现出一致的单模输出。     

窄线宽激光技术研究进展（特邀）

激光线宽作为表征激光相干性的重要参数,自激光技术诞生以来就备受人们关注。窄线宽激光器由于光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点,被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量,以及微波光子信号处理等领域。随着现代信息技术的发展,窄线宽激光器作为这些应用的核心光源,在固有的线宽、噪声等参数得到进一步优化的同时也被期望拥有一些新的性能,如参数的极致调控、时频超稳、波长调谐,以及波长扫描等。激光本征线宽源于自发辐射噪声,激光器线宽压缩的发展历程是研究人员与自发辐射噪声对抗的历程。纵观窄线宽激光的发展历史,激光腔构型从简单的两个反射镜构成的单主腔、多布拉格反射面（DBR）构成的单主腔、分布反馈（DFB）结构构成的单主腔,到激光单主腔加固定单外腔,再到波长自适应分布弱反馈激光构型,其核心思想都是利用反馈信号对自发辐射噪声进行抑制。本文以激光主腔构型的演化发展为叙述脉络,总结窄线宽激光技术的研究进展,对比激光谐振腔构型在激光线宽压缩、噪声抑制思想上的异同,最后重点介绍新近发展的波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器,对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行分析和讨论。     

光纤耦合模块中光纤焊接技术的研究

大功率半导体激光器列阵的光纤耦合模块对光纤焊接的要求很高,在焊接避免使用有机粘接剂和有助焊剂的金属焊膏,因为其在激光器工作时易挥发出有机物质。这些有机物会污染激光器腔面,致使激光器工作时腔面温度过高。附着在腔面的有机物就会被碳化,影响激光器的出光率,甚至还会导致激光器烧毁。文章介绍用电场辅助焊接的方法,使光纤在硅片的V型槽中固定,在焊接中不使用助焊剂和有机粘接剂,取得了良好效果,减少了激光器腔面的污染,从而提高了半导体激光器光纤耦合模块的寿命。测试结果表明,剪切强度最大可达35MPa。