平面工艺制作的定向输出微腔半导体激光器

光学微腔中偶极子自发辐射受到空间和频谱调制,能实现自发辐射增强或抑制效应,而且其有源区体积可以非常小,有利于极低阈值工作和极高的调制速率.在过去的二十多年来,垂直腔面发射激光器、回音壁模式(whispering-gallery mode)微腔激光器以及光子晶体微腔激光器三类光学微腔激光器的研究取得了很大的进展.回音擘模式微腔中,模式光线由于其在微腔界面的入射角大于全反射临界角而受到限制,是一种结构非常简单的光学微腔.微盘激光器作为典型的回音壁模式微腔激光器,可利用普通的边发射激光器外延片材料,采用半导体平面工艺制作,引起了人们很大的重视.但圆对称结构的微盘激光器易于实现回音壁模式的全反射限制,却难以得到定向的激光输出,限制了它的应用.人们往往采用局部破坏圆盘的对称性、整体变形以及消逝波耦合的输出波导实现微盘激光器的定向激光输出.在圆对称的微盘结构中,模式光线在微腔与空气界面上的入射角是恒定的,而在整体变形的圆盘中,如椭圆形微腔中,模式光线在界面的入射角则不断变化,并在某些位置上小于全反射临界角而折射出光学微腔,从而实现定向输出.这种变形微盘中模式光线往往具有混沌现象,因而吸引了人们的注意.     

InGaAsP/InP正方形微腔激光器

采用平面工艺制作的定向输出微腔半导体激光器是集成光学同路的理想光源.近十几年来,以微盘为代表的回音壁模式(whispering-gallery mode)微腔激光器引起人们很大的重视.但圆对称的微盘激光器缺乏定向的激光输出,人们往往利用输出波导与微盘实现消逝波耦合或通过改变微盘的对称性来实现定向输出.最近几年,多边形微腔如止三角形、正方形、长方形、六边形等多边形光学微腔也引起人们的重视.多边形光学微腔中也能有高Q值的类回音壁模式.而且由于不具有圆对称性,其模式特性有利于简单地实现定向光输出.     

混合式CO_2激光器

众所周知,TEACO_2激光器可以在高气压下产生大体积均匀辉光放电,从而获得很大的脉冲输出能量和很高的峰值功率.但是,正是由于TEACO_2激光器工作在高气压下,因此不可避免地使激光介质的增益线型被气压大大地展宽,其增益线宽可达4千兆赫/大气压.如果这样的增益介质放在一个2米长的光学谐振腔(其纵模间隔为75兆赫)中,计算表明有20多个不同频率的纵模的增益系数之差小于5%,这样就可以有很多不同频率的纵模同时振荡,它们还会产生拍频,使TEACO_2激光器的脉冲输出呈现很强的调制.这在诸如脉冲激光雷达、光泵远红外激光器的光泵源、激光同位素分离、非线性光学等很多重要的领域都是不希望的.     

被动调Q激光器中的纵模自然选择分析

提出了被动调Q激光器谐振腔中的相邻两个纵模之间的建立时间之差的解析表达式,并给出了可以有效预测小增益以及初始反转粒子数比阈值粒子数大若干倍情况下单频激光运转的概率的方法。为了证实理论预测,采用腔长11cm以Cr~(4+)∶YAG晶体被动调Q的Nd∶YAG激光系统进行了实验验证,实验结果很好地证明了根据相邻纵模建立时间差所分析出的单频运转的概率,以及在一定条件下被动调Q激光器能在无腔内选模元件的情况下稳定地输出单纵模脉冲。     

回音壁模式光学微腔识别细胞类型

回音壁模式是光子在一个准二维平面内运动,并不断地在微腔边界发生全反射而不折射出腔的一种光学模式,具有高的Q值和小的模式体积,对外部环境的变化极其敏感。利用回音壁模式可以使宽带荧光实现窄光谱的激光输出。利用掺杂DG(dragon green)荧光染料的聚苯乙烯微球作为回音壁模式光学微腔,通过细胞的吞噬功能,使荧光微球到达细胞内部,利用纳秒脉冲激光进行泵浦,实现了细胞内的回音壁模式激光输出。与在纯水环境中的激光输出相比,细胞内荧光微球回音壁模式的谐振峰发生了红移,且红移量与细胞类型有关,说明可以用回音壁模式实现细胞种类的无标记识别。     

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以...     

LD抽运的双频固体激光器的光谱和频差特性研究

研究了LD抽运的、频差可调的双频Nd:YVO4微片激光器的光谱特性。对于荧光谱宽固定的激光增益介质,输出激光的光谱特性主要与抽运功率、抽运位置和谐振腔长等参数相关;通过控制相关参数,可以调整输出激光不同波长频谱峰之间的相对频差。实验结果表明,当LD抽运电流为14.5A时,抽运光与谐振腔模达到良好的匹配,输出稳定的双纵模双频激光,相应的频差可超过90GHz;改变抽运参数相应频差在92.22~94.24GHz之间变化;增加谐振腔的腔长时,输出的激光纵模间隔减少并可输出三纵模,其中两频峰之间的最小频差可达到26.50GHz。     

超短腔染料激光器的频率牵引特性

比较了激光增益介质不同增宽类型对激光纵模频率牵引的影响;实验测量了超短腔染料激光器(SCDL)多纵模运转时输出的光谱,分析其频率牵引特性.通过频率牵引特性曲线可测定SCDL的腔长.     

基于超高Q值封装CaF2晶体盘腔的级联受激布里渊散射光产生

回音壁模式光学微腔是一种研究非线性光学现象的理想平台。在1 550 nm波段下成功实现了在CaF₂晶体微腔中产生五阶级联的受激布里渊散射激光。所用的CaF₂晶体微腔直径为12.6 mm,同时有着超高的品质因子,最高可以达到。实验中发现,当大尺寸晶体腔与绝热的锥形光纤进行耦合时,能够激发出多个谐振模式,保证了能够方便地选择不同的谐振波长来匹配受激布里渊散射频移。可以消除在匹配微腔的自由频谱范围和布里渊频移时对微腔尺寸精准控制的需要。为了解决在微腔和波导耦合时的环境震动影响,还设计了一个可以精密耦合调节的封装平台,可以保证谐振腔和波导稳定的在氮气保护气体氛围中被耦合密封起来。产生的级联布里渊激光和设计出的稳定封装平台可以用于后续的应用开发,例如多波长布里渊激光器产生和基于布里渊激光的陀螺仪研发等。     

单频蓝光激光器的实现

在多纵模工作状态下,腔内倍频激光器往往存在很大的倍频光输出功率噪声,影响了其应用。文中用激光二极管(LD)泵浦Nd∶YAG晶体,采用三镜V形腔结构及扭摆腔技术,有效地解决了蓝光噪声问题。利用LBO内腔倍频技术,实现了稳定的单频蓝激光输出。在3.5 W的泵浦功率下,最大单频蓝光输出为105 mW,光-光转化效率为3.5%。实验结果表明,采用扭摆腔技术是实现473 nm蓝光单频高效运转的有效方案,可以有效地解决蓝光噪声问题。     

一种新颖的自反馈光注入单频窄线宽光纤激光器

报道一种基于自反馈光注入的单频窄线宽光纤激光器。激光器采用线形腔结构,用高掺杂Er3+光纤作为增益介质,利用输出信号光分束反馈与腔内振荡激光干涉,形成折射率光栅与增益光栅共同作用选择纵模,获得稳定的1 549.85 nm单频窄线宽激光输出。在975 nm单模激光二极管(LD)抽运下,激光器的抽运阈值光功率为13 mW。当抽运光功率为112 mW时,最大输出信号光功率为30.6 mW,对应的光-光转换效率为27.3%,斜率效率为30.2%,信噪比大于50 dB。采用延时自外差方法测量线宽,当使用30 km单模光纤延迟线时,测量得到激光器的3 dB线宽为4.0 kHz。     

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式（WGM）光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。     

非线性增益对半导体激光器单纵模行为的影响

本文从多纵模多横模速率方程出发,研究了增益的非线性对半导体激光器单纵模行为的影响,并与线性增益的计算和实验进行了比较。结果表明:第三级非线性增益对非激射模式进一步的抑制作用总是更加促进了单纵模化的过程,特别是在腔长较长时将得出与线性增益的考虑完全相反的结论。实验也表明腔长较长的确可以得到输出功率更大的单纵模激光器,如再适当地减小条宽,将进而可以得到单模(单频)工作。但这两种增益考虑都得出有源层厚度不宜太薄,端面反射率加大都将有利于单纵模工作的共同结论。     

LD光纤耦合泵浦单频双向连续固体环形激光器

分析了用于激光陀螺的固体激光器的特点,采用LD光纤耦合泵浦,对四镜8字形腔的连续固体环形激光器进行了实验研究。使用具有光阑功能的F?蛳P标准具选模,实现了基横模单纵模运转,实验获得了单频双向连续输出,并测量了其双向输出功率特性,单路输出功率稳定性100 s内为0.4%,在单模输出0.2 mW时,1.5 s内线宽约为4 kHz。分析表明获得窄线宽是固体激光器用于陀螺的首要要求,还表明使用均匀加宽增益的连续固体环形激光器能实现单频双向运转。     

增益池在光泵 CF_4 16μm 激光器中的应用

一、引言近年来,激光分离同位素、非线性光学、光泵激光器、相干检测等许多应用,都对调频CO_2激光器提出了单纵模的要求。一般的调频 TEACO_2激光器的增益曲线为宽度约3GHz 的平滑曲线,因而可以存在很多纵模。这些纵模都是自发辐射,它们产生的几率大致相等,又因相邻纵模增益差别小于5%,     

LDA抽运腔内LBO和频激光器噪声特性分析

实验采用激光二极管阵列(LDA)端面抽运Nd∶YVO4晶体,腔内产生1064 nm和1342 nm双波长振荡,通过非线性晶体LBO的I类相位匹配产生连续输出的593.5 nm和频光。在不同的实验条件下,测量并分析了噪声特性,并用法布里-珀罗干涉仪和光束轮廓仪分别测量了593.5 nm激光在低噪声与高噪声状态下的纵模结构与横模模式。结果表明:I类相位匹配的和频光噪声情况与其纵模结构密切相关,而抽运功率和谐振腔微调对和频光的纵模结构有很大影响。激光输出在多纵模结构不稳定时的噪声要高于多纵模结构稳定时的噪声。并且激光输出为高阶横模模式时,也会引起激光噪声的增大。     

光学微腔的应用和发展前景

随着激光技术的不断发展,高Q值光学微腔受到广泛关注,其应用领域不仅局限于传统光学,在量子信息和集成量子芯片方面更是有广阔的应用前景。简要分析了两种不同类型光学微腔(回音壁模式光学微腔和光子晶体缺陷腔)的原理、发展历程以及相对于传统光学谐振腔的优势。同时数值模拟出了不同结构光学微腔的模式分布。基于其特殊优势,介绍回音壁模式光学微腔在激光技术、生物探测以及量子物理领域的重要应用,并且预测光子晶体微腔将在集成光学、微电子技术等领域具有巨大的发展前景。     

外腔面发射激光器自发辐射谱的热特性

热效应是限制外腔面发射激光器(VECSEL)输出功率和光束质量的主要原因。为了优化VECSEL增益芯片有源区量子阱的设计,降低激光器的热效应,提高斜效率和输出功率,采用光致荧光谱方法,对设计波长980nm VECSEL自发辐射谱的热特性进行了实验研究。取得了不同热沉温度下边发射和面发射谱随温度的变化数据。结果表明,反映有源区量子阱自身特性的边发射谱峰值波长随温度升高的红移速率是0.5nm/K,而受到增益芯片多层结构调制的面发射谱峰值波长随温度升高的红移速率只有0.1nm/K;由于受到VECSEL增益芯片中微腔的限制,面发射谱分离为多个模式,分别与微腔的腔模对应。可见对量子阱的发射波长及微腔腔长做预偏置优化处理,可以显著改善激光器的输出性能。     

离轴抽运对模式增益和光束质量的影响

在激光二极管端面抽运固体激光器中,抽运光轴线与几何腔轴之间存在一定的偏离,使基模振荡光轴线相对几何腔轴也有一定的偏离,影响激光器性能.引入偏离因子来描述抽运光轴线的偏离量和抽运功率对振荡光偏离量的影响,对模式增益和光束质量随偏离因子的变化规律做了理论分析和模拟,并以光纤耦合半导体激光器端面抽运Nd:YAG固体激光器进行了相应实验.理论与实验结果表明:在抽运功率一定时,抽运光的偏离量越小,偏离因子越小,则低阶模模式增益越大,在模式竞争中占据优势,输出激光的光束质量越好.因此,要获得高增益和光束质量较好的低阶模输出,除保证恰当的谐振腔结构外,控制抽运光的形状和偏离量也是一个重要的手段.     

二极管泵浦全固态紧凑型单频绿光激光器

报道了利用激光二极管(LD)端面泵浦Nd∶YVO4+KTP晶体组件,在没有插入任何选频元件情况下得到532 nm单频绿光输出的实验研究。论文从非线性晶体的光谱接受带宽、增益介质的增益带宽和非线性转换效率等方面综合分析,利用激光器在增益和非线性转换效率较大时,处于非线性晶体光谱接受带宽范围内的、与增益曲线中心频率相邻的其他纵模由于其与中心频率处振荡纵模的和频作用,增加其非线性损耗从而被抑制的原理,在LD工作电流为900 mA时得到66 mW波长为532 nm的单频绿光输出,稳定性为0.99%。实验结果表明,该结构类型激光器提供了实现高稳定性、小功率、低成本单频激光器的一种有效方法。