2~4 μm中红外锑化物半导体激光器研究进展（特邀）

2~4 μm波段是非常重要的红外大气窗口,工作在这个波段的激光器在气体检测,医疗美容和工业加工领域具有十分巨大的应用价值。锑化物半导体材料低维结构具有窄禁带直接跃迁发光的独特优势,是实现中红外波段半导体激光器的理想材料体系。近年来,国内外锑化物半导体激光器研究不断取得重要进展,先后实现了量子阱发光的波长拓展、大功率单管和阵列激光器的室温连续激射,也实现了多波段的单模激光器的室温连续工作。锑化物半导体低维材料组分复杂、界面钝化性质特殊,材料外延和工艺制备技术难度较大。文中从锑化物半导体激光器的基本原理出发,综述了国内外研究现状,介绍了锑化物材料低维结构激光器的设计方案、关键制备技术的主要进展,分析了今后该类激光器性能优化的重点研发方向等。     

锑化物半导体激光器研究进展

锑化物半导体激光器是目前能够覆盖中红外波段的主要手段。锑化物半导体激光器经过多年的研究和发展,已经逐渐的走向成熟。由于在这个波段具有很多气体分子的吸收峰以及具有较高透过率的大气窗口,使得中红外锑化物半导体激光器在气体检测、材料加工以及自由空间光通信等领域具有重要的作用。     

2 μm GaSb基大功率半导体激光器研究进展

2 m波段GaSb基大功率激光器在诸多领域具有广阔的应用前景,如气体探测、医疗美容、激光加工等。基于功率提升,综述和讨论了2 m波段GaSb基激光器结构的发展过程,介绍了目前国内外的研究状况,讨论和分析了GaSb基激光器提升功率、效率的主要技术问题。并详细介绍了该领域近年来在传统激光器中引入的两种新结构,分析了其技术优势。指出目前2 m波段GaSb基大功率激光器面临瓶颈,并讨论了其发展趋势。     

500W级半导体激光器光纤耦合输出模块设计

为实现亮度均匀、形状对称、高对称光束质量的高功率半导体激光输出,提出了一种基于mini-bar芯片的高功率光纤耦合系统设计方案,使用Zemax设计了一套针对200 m/NA0.22多模光纤的500 W级光纤耦合输出系统。设计使用反射镜-条纹镜系统实现单列叠层微通道封装芯片快轴方向光束的尺寸压缩,并结合偏振合束技术在不改变光束束参积的条件下将功率提高一倍,并使用慢轴扩束系统压缩慢轴方向发散角,最后采用非球面透镜耦合进目标光纤。在设计的基础上采用4列叠层微通道封装的叠阵（每列包含5个mini-bar芯片）进行了等效验证实验,在注入电流为37 A时得到稳定输出功率506 W的小型化模块,亮度达10.3 MW/（cm2sr）,电光效率为43.0%。设计和实验共同表明,该光纤耦合模块可实现500 W稳定功率输出,可广泛应用在光纤/固体激光泵浦及工业加工等领域。     

3 μm光纤激光器的研究进展

3 μm波段的激光在激光医疗等领域发挥着重要的作用,同时鉴于光纤激光器的突出优点,使研究3 μm波段的光纤激光器具有极高的应用价值。本文从不同的掺杂稀土离子角度对3 μm波段光纤激光器的工作原理和研究状况进行了简要概述,介绍了几种不同离子掺杂的ZBLAN光纤激光器。最后分析了当前3 μm波段光纤激光器发展所面临的问题和今后的研究方向。     

2 μm波段掺铥光纤激光器的研究进展

1.引言 近年来,对于稀土掺杂光纤激光器的研究逐渐热门起来,相较于2μm波段普通固体激光器,掺铥光纤激光器具有结构简单,光束质量好,窄线宽等优点引起人们的广泛关注,其输出功率已经从当初的单包层亳瓦量级发展到双包层千瓦量级。目前IPG公司的150W掺铥光纤激光器已经实现产品化,并且在效率、小型化和常温工作等方面已经取得了不错的进展。     

半导体所制成高温连续激射2μm波段锑化物量子阱激光器

据www.cas.cn网站报道,近日,中国科学院半导体研究所纳米光电子实验室与超晶格国家重点实验室分子束外延(MBE)课题组合作,采用分子束外延技术生长制成InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱激光器,实现了高工作温度(T=80℃)下连续激射(激射波长为2μm,出光功率为63.7 mW),达到了国内领先水平。中红外2～3.5μm波段激光器在气体检测、环境监测、激光制导、红外对抗和激光雷达等诸多领域有着十分广泛而又重要的应用。与其它中红外波段传统半导体材料体系相比,窄带隙InGaAsSb锑化物材料与衬底晶格匹配,其禁带宽度可以覆盖1.7～4.4μm波段。锑化物光电器件的独特优势日益受到广泛重视,已经成为目前的国际前沿和热点研     

1.55 μm半导体光纤环形激光器

就不同的光电子应用来说，由半导体增益介质和一个扩展腔构成的复合腔激光器具有几个引人注目的特性。对于相干通信来说，这种激光器可以作为连续波、单频和窄线宽光源，而在高数字速率通信和信号处理应用中，这种激光器又可以用作产生超短光脉冲的锁模激光器。     

23.6W高效率2 μm激光器

报道了一台高重复频率高效率2μm激光器.理论计算了1.064μm激光抽运Ⅱ类相位匹配KTP晶体的角度调谐曲线,得出KTP晶体按φ=0°,θ=54°切割可获得近简并波长的2μm激光输出.使用1.064μm Nd∶YAG模块作为抽运源,抽运内腔式双晶体走离补偿双谐振光参量振荡器(DROPO),在7 kHz声光调Q频率下,获得23.6 W的2.12μm激光输出,808 nm激光二极管(LD)出光获得2μm激光的斜率效率超过19%.     

锑化物中红外单模半导体激光器研究进展

锑化物材料因为其天然的禁带宽度较小的优势,是2~4 m波段半导体光电材料和器件研究的理想体系。近年来,国内外在锑化物大功率半导体激光器方面的研究取得了很大的进展,实现了大功率单管、阵列激光器的室温工作。然而,由于锑化物材料与常见的半导体单模激光器制备工艺的不兼容性,只有少数几个研究单位和公司掌握了锑化物单模激光器的制备技术。文中介绍了锑化物单模激光器常用的侧向耦合分布反馈激光器的基本原理,分析了其设计的关键技术,回顾了锑化物单模激光器的设计方案和制备技术,并针对国内外锑化物单模激光器主要研究内容进行了总结。     

3~4 μm锑化物带间级联激光器研究进展(特邀)

3~4m波段中红外激光器在工业气体检测、医学医疗和自由空间光通信等诸多领域具有十分重要的应用。目前锑化物半导体带间级联激光器是实现中红外3~4 m波段的理想方案。带间级联激光器（Interband Cascade Laser,ICL）可以看做是通过电子和空穴复合产生光子的传统二极管激光器以及通过引入多个级联区来提高电子注入效率的子带间量子级联激光器（Quantum Cascade Laser,QCL）的融合。文中概要介绍了带间级联激光器的基本工作原理,阐述了国际上主要研究单位包括俄克拉荷马大学、美国海军实验室、德国伍兹堡大学等带间级联激光器的发展历史,介绍了国内单位包括中国科学院半导体所研制成功带间级联激光器的性能,分析了该类激光器设计制备技术难点和及性能进一步提升优化的技术方案。     

双波长1.0 μm调Q和1.5 μm增益开关脉冲光纤激光器

采用铒镱共掺光纤,实现了一种双波长1.0μm调Q和1.5μm增益开关脉冲光纤激光器。实验装置是一个双环腔结构,两环的公共端共用一段铒镱共掺光纤。1.0μm调Q脉冲通过未抽运铒镱共掺光纤的可饱和吸收效应产生。而铒镱共掺光纤对1.0μm调Q脉冲的再吸收会周期性调制铒离子的反转粒子数,从而产生重复频率相等的1.5μm增益开关脉冲。随着抽运功率的增加,这两种脉冲的重复频率从5.4kHz增加到11.7kHz。1.5μm脉冲相对1.0μm脉冲有一定的延迟,并且延迟时间随着抽运功率的增大而不断减小。在最大抽运功率处,1.0μm脉冲宽度、单脉冲能量和最大平均输出功率分别是5.3μs、402.6nJ和4.7mW,而对于1.5μm脉冲,分别是4.6μs、374.4nJ和4.4mW。     

4.5 W中红外3.1 μm光纤气体激光器

在突破了高功率泵浦激光高效稳定耦合关键技术的基础上,利用～30 W的窄线宽1.5μm光纤激光放大器泵浦一段～8m长、充有300Pa乙炔的空芯光纤,实现了4.5 W的3.1μm波段中红外激光输出,这是目前中红外光纤气体激光器的最高输出功率,对应的光光转换效率(相对于泵浦源功率)约为14%。实验结果表明,光纤气体激光器具备输出高功率中红外激光的潜力。     

2 μm固体激光器的注入锁定

为了获得满足2 μm相干多普勒激光雷达使用的激光光源,进行了注入锁定固体激光器的实验研究。种子激光器采用双端镀腔膜的Tm,Ho:YLF微片晶体,在低温液氮环境下,获得单纵模稳频激光输出。从激光器采用有利于单纵模运转的环形腔结构,并利用熔融石英声光调Q获得脉冲输出。通过注入锁定,实验获得激光输出波长为2.067 μm,在重复频率大于20 Hz时,激光器的最终单脉冲输出能量2 mJ,脉冲宽度为146 ns。实验论证了注入锁定系统激光器作为雷达光源的可行性,并理论分析了种子注入时环形腔内的初始光场分布。     

1.7 μm全光纤锁模脉冲掺铥光纤激光器研究

1.7 μm超短脉冲光纤激光器在生物成像和材料加工等领域具有重要的应用前景,受到了科学家们的极大关注。基于非线性偏振旋转锁模技术,实验搭建了全光纤结构的1.7 μm锁模脉冲掺铥光纤激光器。通过在激光器内加入光纤滤波器抑制掺铥光纤中的长波激光发射,同时采用纤芯泵浦的方式有效获得了1.7 μm波段的增益。激光器输出脉冲的光谱中心波长为1733 nm,3 dB带宽为6.3 nm。锁模脉冲的重复频率为19.56 MHz,平均功率为1.4 mW。同时,数值模拟了脉冲在激光器的腔内演化。文中提出的1.7 μm全光纤锁模激光器有利于进一步提高1.7 μm激光源的稳定性和集成度,在生物成像等领域具有重要的应用价值。     

1 μm调Q脉冲光纤激光器的高频驱动器

声光调制器驱动器是脉冲光纤激光器中的重要部分,如何提高与完善驱动电路的性能指标成为决定输出激光品质的一个重要因素。该文提出了低功耗,输出功率稳定可调的声光调Q驱动器方案。它通过2ASK调制来控制射频功率的输出,进而控制声光Q开关的时间和重复频率;并具有2 W的射频功率输出、20~200 kHz的重复频率、10 ns(1个射频驱动振荡周期)内的声光Q开关响应时间的优良性能。     

22 μm波段多波长可调谐光纤激光器研究

设计了一种基于马赫-曾德(M-Z)光纤干涉滤波器的可调谐多波长掺铥环形光纤激光器,M-Z光纤滤波器由两个3 d B耦合器级联构成,通过光纤耦合器接入环形腔中,并利用Sagnac光纤反射镜实现反射式滤波。实验利用一个发射功率为250 m W的1573 nm光纤激光器作为泵浦源,通过一个1570/2000 nm波分复用器(WDM)注入一段4 m长单模掺铥光纤(TDF)中获得2μm波段光增益。环形腔内加入偏振控制器(PC)调节腔内损耗,实现了2μm波段可调谐多波长输出,观测到最多3个波长激光。     

2.8 μm中红外同步泵浦锁模光纤激光器

2.8μm波段中红外光纤激光器在激光医疗领域具有重要的应用,受到广泛关注。研究并实现了2.8μm同步泵浦锁模脉冲光纤激光器。自主研制了大功率单模976nm皮秒脉冲激光器并以此作为泵浦源,以掺铒氟化物光纤环形腔作为谐振器,通过纤芯同步泵浦的方式,在交叉相位调制作用下实现了2.8μm同步泵浦锁模脉冲激光器的制备。锁模脉冲的中心波长为2784.7nm,重复频率为6.534 MHz,脉冲宽度接近光电探测器极限。所提方案不需要在谐振器内插入任何中红外主动或被动调制器,具有系统稳定性好和易于实现全光纤化等优势。     

1.7 μm超快光纤激光器研究进展（特邀）

超快光纤激光器具有紧凑性高、光束质量佳、散热性好等优点,是一种极具发展潜力的激光光源。工作波长作为超快光纤激光器的重要参数,在一定程度上决定了激光器的应用领域。近年来,得益于1.7 μm波段的独特光谱特性,1.7 μm波段超快光纤激光器在生物医学、聚合物加工、光学成像等领域具有重要的应用价值。因此,研制高性能的1.7 μm波段超快光纤激光器成为激光领域的研究热点之一。文中综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展,对目前获得1.7 μm波段超短脉冲的不同方式进行总结,分析其技术特点;同时,介绍了笔者所在课题组报道的1.7 μm波段耗散孤子超快光纤激光器及其放大系统的研究成果,概述了其工作原理、技术难点;最后,对1.7 μm波段超快光纤激光的应用前景及发展趋势进行了展望。     

实现2 μm固体激光器的注入锁定

2μm固体激光器具有处于人眼安全波段和较低的大气消光比等优点,已成为固体激光雷达的首选光源.将输出单纵模、窄线宽、频率稳定的种子激光注入到环形腔中进行放大,可以获得满足激光雷达使用的激光光源.我们使用双端镀膜的Tm,Ho∶YLF微片作为种子激光器,在低温条件下,获得15 mW