CN116667123B - 具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调q激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及被动调Q激光器技术领域，尤其涉及一种具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，包括偏振泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体。偏振泵浦源采用偏振VCSEL，偏振VCSEL发出的偏振泵浦光进入各向异性吸收的激光增益介质进行泵浦，偏振泵浦源与增益介质形成线性三镜耦合腔结构以提升泵浦效率，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供预定波长的光学增益，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现具有偏振特性的被动调Q脉冲输出。本发明利用晶片键合方法实现三个组件之间的芯片级半导体/固体的垂直集成，集成式被动调Q激光器具有偏振输出特征、芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及被动调Q激光器技术领域，尤其涉及一种具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器。
背景技术
高重复频率脉冲激光的应用场景覆盖了激光雷达、工业加工、生物医学和军事科研等领域。尤其是无人机和无人车等行业的迅速发展使得激光雷达成为了一个重要的研究领域和热点，对激光光源不断地提出新的要求。被动调Q技术是目前获得小型化、高重复频率、高峰值功率激光脉冲输出的最有效的方法之一。其利用可饱和吸收体对光场的非线性饱和吸收作用，控制谐振腔的损耗，完成工作物质的储能与释放，实现激光脉冲输出，具有无需外部驱动源控制、体积小、结构简单、制作成本低等优点。固体增益介质的具有微秒到毫秒量级的上能级寿命，比半导体增益介质的上能级寿命大几个数量级，适合制备高峰值功率、短脉宽的被动调Q激光器。然而，与半导体激光器不同的是，固体增益介质为晶体或玻璃组成，需要外部泵浦源进行泵浦，因此制造紧凑的芯片级高峰值功率激光器非常具有挑战性。
在很多芯片级半导体/固体垂直集成激光器的应用场景中，会要求输出的脉冲激光具有良好的偏振特性，尤其是在与偏振相关的激光功率放大级的设计以及非线性频率变换领域中。
然而，目前并无具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的相关研究被报道。
在常规非芯片级半导体泵浦固体激光器中实现被动调Q脉冲激光偏振输出的方法主要包括两种：
（1）通过在激光谐振腔内***偏振控制元件实现脉冲激光线偏振输出，包括起偏器、偏振关联的隔离器、偏振关联的合束器等（详见：中国专利公布号为CN1425938A，公布日为2003年06月25日，专利名称为“高功率脉冲光纤固体激光高效偏振装置”的发明专利申请）。在这种方法下，起偏器以及相关偏振器件的体积很难满足芯片级半导体/固体垂直集成的要求，还会带来很大的***损耗，并不适用。
（2）在腔轴上将可饱和吸收体按照布儒斯特角放置，使其同时作为可饱和吸收晶体与起偏器，实现线偏振的被动调Q脉冲输出（详见：Y. Shimony, Z. Burshtein, et al.Cr4+:YAG as passive Q-switch and Brewster plate in a pulsed Nd:YAG laser[J].IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 1995, 31(10), 1738-1741.）。将可饱和吸收体按照布儒斯特角放置同样不能满足芯片级半导体/固体垂直集成的要求，并不适用。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，满足芯片级半导体/固体垂直集成的要求，且具有偏振输出特性。
本发明提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，包括采用晶片键合方法依次垂直集成的偏振泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体；其中，偏振泵浦源采用偏振VCSEL，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，偏振VCSEL发出的偏振泵浦光进入激光增益介质；将偏振VCSEL的一个DBR层作为第一反射层，第一反射层对偏振泵浦光的反射率大于99%，将偏振VCSEL的另一个DBR层作为第二反射层，第二反射层对偏振泵浦光的反射率在70%~98%之间；激光增益介质具有对偏振泵浦光的各向异性吸收特性；在激光增益介质面向VCSEL的表面镀有第三反射层，第三反射层对偏振泵浦光的反射率小于1%及对谐振光的反射率大于98%；在激光增益介质面向可饱和吸收体的表面镀有第四反射层，第四反射层对偏振泵浦光的反射率大于98%及对谐振光的反射率小于1%；可饱和吸收体具有对谐振光的各向异性吸收特性；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第五反射层，第五反射层对谐振光的反射率小于1%；在可饱和吸收体背离激光增益介质的表面镀有第六反射层，第六反射层对谐振光的反射率在50%~98%之间；第三反射层和第六反射层形成被动调Q激光器的谐振腔，用于激射预定波长的偏振光；第一反射层、第二反射层和第四反射层形成线性三镜耦合腔，用于泵浦激光增益介质，为谐振腔提供起振增益；第二反射层和第四反射层间形成F-P干涉腔，用于提高激光增益介质对偏振泵浦光的吸收率；偏振VCSEL发出的偏振泵浦光进入各向异性吸收的激光增益介质，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供光学增益，对谐振光进行起振，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现预定波长的被动调Q脉冲激光的偏振输出。
优选地，偏振VCSEL为表面光栅VCSEL、深线刻蚀VCSEL、光子晶体VCSEL、高对比度光栅VCSEL、晶格取向衬底VCSEL、双折射金属/介电偏振器VCSEL、量子点VCSEL或氧化物孔径VCSEL。
优选地，偏振VCSEL的有源区材料系为GaN基材料系、GaAs基材料系、InP基材料系、锑化物材料系或铅盐材料系。
优选地，在偏振VCSEL的表面集成微透镜，偏振泵浦光经微透镜进行会聚后进入激光增益介质中。
优选地，激光增益介质采用具有各向异性吸收的晶体，具体为Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:KGW晶体、Nd:YLF晶体、Yb:GALGO晶体、Yb:CaF2晶体、Yb:KGW晶体、Er:Yb:YAB晶体、Er:YAB晶体、Er:Cr:YSGG晶体或Nd:Ce:YAG晶体。
优选地，可饱和吸收体的材料为Cr4+:YAG材料、V3+:YAG材料、Co2+:LMA材料、Co2+:MgAl2O4材料、半导体可饱和吸收镜材料、碳纳米管材料或二维层状材料。
优选地，被动调Q激光器输出的被动调Q脉冲激光的预定波长为1.06μm或1.3μm，对应的偏振泵浦光的波长为808nm。
优选地，被动调Q脉冲激光的预定波长为1.5μm，对应的偏振泵浦光的波长为976nm。
与现有技术相比，本发明利用晶片键合方法实现泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体之间的芯片级半导体/固体的垂直集成，泵浦源采用偏振VCSEL，通过偏振VCSEL自身的偏振控制技术发出具有线偏振特性的泵浦光，采用线性三镜耦合腔结构泵浦各向异性的激光增益介质，结合可饱和吸收体的各向异性实现被动调Q脉冲激光的偏振输出，集成式被动调Q激光器具有偏振输出特性、芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的合体结构示意图；
图2是根据本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的分体结构示意图；
图3是根据本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的光路示意图；
图4是根据本发明实施例1提供的1%掺杂的Nd:YVO4晶体的偏振吸收光谱示意图；
图5是根据本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的一维阵列示意图；
图6是根据本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器的二维阵列示意图；
图7是根据本发明实施例2提供的Er,Yb:YAB（Er掺杂1.1%，Yb掺杂25%）晶体的偏振吸收光谱示意图。
附图标记：偏振泵浦源1、第一反射层101、第二反射层102、激光增益介质2、第三反射层201、第四反射层202、可饱和吸收体3、第五反射层301、第六反射层302、线性三镜耦合腔4、谐振腔5、偏振泵浦光6、谐振光7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提出一种具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，包括偏振泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体，偏振泵浦源发出的偏振泵浦光进入激光增益介质，经线性三镜耦合腔结构泵浦各向异性的激光增益介质，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供预设波段的光学增益，通过设计合适的谐振腔的镀膜参数控制预设波长激光起振，经过可饱和吸收体调制腔内损耗后，实现预设波长被动调Q脉冲激光的偏振输出。
偏振泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体采用晶片键合技术实现芯片级的垂直集成。
偏振泵浦源采用偏振VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器），通过偏振VCSEL自身的偏振控制技术，发出具有线偏振特性的偏振泵浦光，偏振泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配，偏振泵浦源的偏振方向与激光增益介质的各向异性匹配。
偏振VCSEL发出的偏振泵浦光可以直接进入激光增益介质中，也可以经过偏振VCSEL表面集成的微透镜进行会聚后进入激光增益介质中。
偏振VCSEL为采用偏振控制技术的VCSEL，包括但不限于：
（1）表面光栅VCSEL，将表面光栅刻蚀到顶部发射、氧化限制的VCSEL的帽层中，得到偏振稳定输出的VCSEL。
（2）深线刻蚀VCSEL，在离GaAs VCSEL很近的地方刻蚀深沟槽，创造自由界面来引入压应变或张应变，使得线性偏振的TE发射被固定在与线刻蚀平行的方向上。
（3）光子晶体VCSEL，在P型DBR层上刻蚀光子晶体结构，改变激光器的折射率分布，来实现偏振控制。
（4）高对比度光栅VCSEL，利用高对比度亚波长光栅代替传统的VCSEL器件的P型DBR层，既能提供有效的光反馈，又能控制发射光的波长和偏振。
（5）双折射金属/介电偏振器VCSEL，在P型DBR层中引入了周期性金属/介电光栅，提供了一个相位差的正交偏振状态,导致相当大的反射率差异，实现偏振态的控制。
（6）晶格取向衬底VCSEL，利用应变层量子阱的光学各向异性增益实现偏振控制。
（7）量子点VCSEL，利用增益区的自组织量子点的光学各向异性，可以控制光输出呈线性偏振。
（8）氧化物孔径VCSEL，利用AlGaAs化合物氧化过程的各向异性来实现VCSEL的偏振稳定控制。
上述偏振VCSEL的几种实现方式均为现有技术，更详细的原理不再赘述。
偏振VCSEL的有源区材料系包括但不限于GaN基材料系、GaAs基材料系、InP基材料系、锑化物材料系以及铅盐材料系。
激光增益介质具有对偏振泵浦光的各向异性吸收特性，包括但不限于Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YAG、Nd:KGW、Nd:YLF、Yb:GALGO、Yb:CaF2、Yb:KGW、Er:Yb:YAB、Er:YAB、Er:Cr:YSGG、Nd:Ce:YAG等晶体材料。
可饱和吸收体具有对谐振光的各向异性吸收特性，包括但不限于Cr4+:YAG、V3+:YAG、Co2+:LMA、Co2+: MgAl2O4、半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管、二维层状材料等材料。
当被动调Q激光器输出1.06μm或1.3μm的被动调Q脉冲激光时，对应的偏振泵浦光的波长为808nm，激光增益介质选用为谐振腔提供1.06μm波长或1.3μm波长增益的材料，可饱和吸收体选用对1.06μm或1.3μm波长激光具有非线性饱和吸收作用的材料。
当被动调Q激光器输出1.5μm的被动调Q脉冲激光时，对应的偏振泵浦光的波长为976nm，激光增益介质选用为谐振腔提供1.5μm波长增益的材料，可饱和吸收体选用对1.5μm波长激光具有非线性饱和吸收作用的材料。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
实施例1
利用本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，实现1.06μm波段的芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的偏振输出。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器包括偏振泵浦源1、激光增益介质2和可饱和吸收体3。
偏振泵浦源1选用表面光栅结构的偏振VCSEL，偏振VCSEL所发出的偏振泵浦光6的波长为808nm，有源区采用InGaAlAs/AlGaAs应变量子阱结构，将偏振VCSEL的P型DBR层作为第一反射层101，对于808nm的偏振泵浦光6呈高反射率（反射率R＞99%），将偏振VCSEL的N型DBR层作为第二反射层102，对于808nm的偏振泵浦光6呈部分反射率（70%＜反射率R＜98%）。
图2所示的偏振泵浦源1为底发射结构的偏振VCSEL，当泵浦源1采用顶发射结构的偏振VCSEL时，将N型DBR层作为第一反射层101，将P型DBR层作为第二反射层102。
无论是底发射结构的偏振VCSEL还是顶发射结构的偏振VCSEL，P型DBR层与N型DBR层的位置可以互换。
激光增益介质2选用Nd:YVO4晶体，具有线偏振特性的808 nm偏振泵浦光6直接耦合进入Nd:YVO4晶体中，Nd:YVO4晶体的吸收谱能够与808nm的偏振泵浦光6进行很好的匹配，偏振泵浦光6的偏振方向与Nd:YVO4晶体的π偏振的吸收方向一致（如图4所示），为谐振腔5提供1.06μm谐振光7的起振增益。Nd:YVO4晶体相对于Nd:YAG晶体具有更短的上能级寿命，易于实现更高重复频率的脉冲输出。
在激光增益介质2面向偏振泵浦源1的表面镀有第三反射层201，第三反射层201对于808nm的偏振泵浦光6呈高透过率（反射率R＜1%）且对于1.06μm的谐振光7呈高反射率（R＞98%）。
在激光增益介质2面向可饱和吸收体3的表面镀有第四反射层202，第四反射层202对于808nm的偏振泵浦光6呈高反射率（反射率R＞98%）且对于1.06μm的谐振光7呈高透过率（反射率R＜1%）。
第一反射层101、第二反射层102和第四反射层202形成用于泵浦结构的线性三镜耦合腔4，线性三镜耦合腔4用于泵浦激光增益介质2，为谐振腔5提供起振增益。
通过合理配置第二反射层102的反射率可以平衡偏振泵浦源1的增益与损耗。
第二反射层102和第四反射层202形成Fabry–Pérot干涉腔，可以提高激光增益介质2对偏振泵浦光6的吸收效果。
可饱和吸收体3选用Cr4+:YAG晶体，Cr4+:YAG晶体具有各向异性的吸收性能，使其[010]晶轴方向与偏振泵浦光6的偏振方向平行，实现1.06 μm被动调Q激光的偏振控制。
在可饱和吸收体3面向激光增益介质2的表面镀有第五反射层301，第五反射层301对于1.06μm的谐振光7呈低反射率（反射率R＜1%）。
在可饱和吸收体3背离激光增益介质2的表面（即面向出光口的表面）镀有第六反射层302，第六反射层302对于1.06μm的谐振光7呈部分反射率（50%＜反射率R＜98%）。
第三反射层201和第六反射层302形成被动调Q激光器的谐振腔5，为被动调Q激光器提供谐振反馈，激射1.06μm的脉冲激光。
偏振泵浦光6泵浦Nd:YVO4晶体后，为谐振腔5提供起振增益，经过Cr4+:YAG晶体调制谐振腔5的腔内损耗后，实现具有偏振输出特性的1.06μm被动调Q脉冲的输出。
本发明实施例1的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器可以布置多个形成激光器阵列，例如布置成图5所示的一维阵列和图6所示的二维阵列。
实施例2
利用本发明实施例1提供的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，实现1.5μm波段的芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的偏振输出。
实施例2与实施例1的区别在于激光增益介质选用Er,Yb:YAB晶体，可饱和吸收体选用Co2+:MgAl2O4晶体。
采用表面光栅结构的偏振VCSEL，偏振泵浦光的波长为976nm，有源区为InGaAs/GaAsP应变量子阱结构。
976nm的偏振泵浦光能够与Er,Yb:YAB晶体的吸收谱进行很好的匹配，976nm的偏振泵浦光的偏振方向与Er,Yb:YAB晶体的偏振的吸收方向一致，如图7所示。
Co2+:MgAl2O4晶体具有各向异性的吸收性能，凭此可实现1.5 μm被动调Q光的偏振控制。偏振泵浦光泵浦Er,Yb:YAB晶体后，为谐振腔提供起振增益，经过Co2+:MgAl2O4晶体调制谐振腔的腔内损耗后，实现具有偏振输出特性的1.5μm被动调Q脉冲的输出。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，包括采用晶片键合方法依次垂直集成的偏振泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体；其中，
偏振泵浦源采用偏振VCSEL，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，偏振VCSEL发出的偏振泵浦光进入激光增益介质；将偏振VCSEL的一个DBR层作为第一反射层，第一反射层对偏振泵浦光的反射率大于99%，将偏振VCSEL的另一个DBR层作为第二反射层，第二反射层对偏振泵浦光的反射率在70%~98%之间；
激光增益介质具有对偏振泵浦光的各向异性吸收特性；在激光增益介质面向VCSEL的表面镀有第三反射层，第三反射层对偏振泵浦光的反射率小于1%及对谐振光的反射率大于98%；在激光增益介质面向可饱和吸收体的表面镀有第四反射层，第四反射层对偏振泵浦光的反射率大于98%及对谐振光的反射率小于1%；
可饱和吸收体具有对谐振光的各向异性吸收特性；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第五反射层，第五反射层对谐振光的反射率小于1%；在可饱和吸收体背离激光增益介质的表面镀有第六反射层，第六反射层对谐振光的反射率在50%~98%之间；
第三反射层和第六反射层形成被动调Q激光器的谐振腔，用于激射预定波长的偏振光；
第一反射层、第二反射层和第四反射层形成线性三镜耦合腔，用于泵浦激光增益介质，为谐振腔提供起振增益；
第二反射层和第四反射层间形成F-P干涉腔，用于提高激光增益介质对偏振泵浦光的吸收率；
偏振VCSEL发出的偏振泵浦光进入各向异性吸收的激光增益介质，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供光学增益，对谐振光进行起振，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现预定波长的被动调Q脉冲激光的偏振输出。
2.根据权利要求1所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，偏振VCSEL为表面光栅VCSEL、深线刻蚀VCSEL、光子晶体VCSEL、高对比度光栅VCSEL、晶格取向衬底VCSEL、双折射金属/介电偏振器VCSEL、量子点VCSEL或氧化物孔径VCSEL。
3.根据权利要求1或2所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，偏振VCSEL的有源区材料系为GaN基材料系、GaAs基材料系、InP基材料系、锑化物材料系或铅盐材料系。
4.根据权利要求3所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，在偏振VCSEL的表面集成微透镜，偏振泵浦光经微透镜进行会聚后进入激光增益介质中。
5.根据权利要求1所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，激光增益介质采用具有各向异性吸收的晶体，具体为Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:KGW晶体、Nd:YLF晶体、Yb:GALGO晶体、Yb:CaF2晶体、Yb:KGW晶体、Er:Yb:YAB晶体、Er:YAB晶体、Er:Cr:YSGG晶体或Nd:Ce:YAG晶体。
6.根据权利要求1所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，可饱和吸收体的材料为Cr4+:YAG材料、V3+:YAG材料、Co2+:LMA材料、Co2+: MgAl2O4材料、半导体可饱和吸收镜材料、碳纳米管材料或二维层状材料。
7.根据权利要求1所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，被动调Q激光器输出的被动调Q脉冲激光的预定波长为1.06μm或1.3μm，对应的偏振泵浦光的波长为808nm。
8.根据权利要求1所述的具有偏振输出特性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，其特征在于，被动调Q脉冲激光的预定波长为1.5μm，对应的偏振泵浦光的波长为976nm。
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