提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器

提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器
技术领域
1.本发明涉及被动调q激光器技术领域，尤其涉及一种提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器。


背景技术：

2.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。
3.但是被动调q技术对激光脉冲产生时刻、能量大小和峰值功率不可控，脉冲输出稳定性较差，主要表现为脉冲幅值的变化和脉冲之间周期的变化和抖动，同时在激光脉冲产生后，有时由于积累的上能级粒子没有完全跃迁，经常伴随子脉冲的产生，导致稳定性进一步变差。被动调q脉冲的不稳定性起源于q开关的开关速度以及q开关开启时间的不确定性、调q晶体的光致附生损耗、上能级粒子跃迁不完全等原因，需通加入主动控制方式来提高输出脉冲的稳定性。
4.然而目前并无人针对芯片级半导体/固体垂直集成激光器提出相关的主动控制方式，以提高其输出脉冲的稳定性。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种提升脉冲稳定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，并提高输出脉冲的稳定性。
6.本发明提供的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，包括泵浦源、激励源、激光增益介质、可饱和吸收体，泵浦源与激励源集成在同一个衬底上，并与激光增益介质、可饱和吸收体采用晶片键合方法依次垂直集成；泵浦源采用vcsel，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，泵浦源发出的泵浦光进入激光增益介质为谐振腔提供增益；将泵浦源的一个dbr层作为第一反射层，第一反射层对泵浦光的反射率大于99%，将泵浦源的另一个dbr层作为第二反射层，第二反射层对泵浦光的反射率在70%~98%之间；激励源采用vcsel，激励源发出与泵浦光波长不同的激励光，激励光的发射谱与可饱和吸收体的吸收谱匹配，激励光透过激光增益介质照射到可饱和吸收体上，用于对可饱和吸收体进行漂白；将激励源的一个dbr层作为第三反射层，第三反射层对激励光的反射率大于99%，将激励源的另一个dbr层作为第四反射层，第四反射层对激励光的反射率在70%~98%之间；激光增益介质采用对谐振光进行增益的材料；在激光增益介质面向泵浦源的表面镀有第五反射层，第五反射层对泵浦光和激励光的反射率小于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六反射层，第六反射层对泵浦光的反射率大于98%及对激励光与谐振光的反射率小于1%；可饱和吸收体采用对谐振光进行非线性饱和吸收的材料；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第七反射层，第七反射层对激励光和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八反射层，第八反射层对谐振光的反射率在50%~98%之间；第五反射层和第八反射层形成被动调q激光器的谐振腔，用于激射预定波长的脉冲激光；第一反射层、第二反射层和第六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；第二反射层和第六反射层间形成f-p干涉腔，用于提高激光增益介质对泵浦光的吸收率。
7.优选地，在泵浦源和/或激励源的表面集成微透镜，使泵浦光和/或激励光经微透镜聚焦后进入激光增益介质。
8.优选地，作为泵浦源的vcsel的有源区材料系与作为激励源的vcsel的有源区材料系分别采用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。
9.优选地，激光增益介质采用nd:yvo4晶体材料、nd:gdvo4晶体材料、nd:yag晶体材料、nd:kgw晶体材料、nd:ylf晶体材料、yb:galgo晶体材料、yb:caf2晶体材料、yb:kgw晶体材料、er:yb:yab晶体材料、er:yab晶体材料、er:cr:ysgg晶体材料或nd:ce:yag晶体材料。
10.优选地，可饱和吸收体采用cr
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:yag材料、v
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:yag材料、co
2+
:lma材料、co
2+
: 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。
11.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，对应的泵浦光的波长为808nm，对应的激励光的波长为980nm。
12.优选地，被动调q脉冲激光的预定波长为1.5μm，对应的泵浦光的波长为976nm，对应的激励光的波长为1.3μm。
13.与现有技术相比，本发明利用晶片键合方法实现泵浦源、激励源、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，具有输出特性、芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点；通过增设激励源对可饱和吸收体进行漂白，可以有效减弱q 开关的开关速度以及q 开关开启时间的不确定性，提高被动调q输出脉冲的稳定性。
附图说明
14.图1是根据本发明实施例1提供的提升脉冲稳定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提供的提升脉冲稳定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提供的提升脉冲稳定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cr
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:yag晶体的吸收光谱示意图；图5是根据本发明实施例1提供的提升脉冲稳定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提供的提升脉冲稳定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提供的为co
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:mgal2o4晶体的吸收光谱示意图。
15.附图标记：泵浦源1、第一反射层101、第二反射层102、激励源2、第三反射层201、第四反射层202、激光增益介质3、第五反射层301、第六反射层302、可饱和吸收体4、第七反射层401、第八反射层402、线性三镜耦合腔5、谐振腔6、泵浦光7、激励光8、谐振光9。
具体实施方式
16.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。
17.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。
18.本发明提出一种提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，包括泵浦源、激励源、激光增益介质和可饱和吸收体，泵浦源与激励源相邻集成在同一个衬底上，并与激光增益介质、可饱和吸收体采用晶片键合方法依次垂直集成，实现半导体/固体被动调q激光器芯片级的垂直集成。
19.泵浦源采用vcsel（vertical cavity surface emitting laser，垂直腔面发射激光器），泵浦源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。泵浦源发出的泵浦光进入激光增益介质，其发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配。
20.激励源也采用vcsel，与泵浦源集成在同一块衬底上，发出与泵浦光波长不同的激励光，并具有一定的发散角。激励源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。激光增益介质对激励光不吸收或具有极低的吸收率，使激励光可以透过激光增益介质进行传输，最后照射到可饱和吸收体上。激励光的发射谱与可饱和吸收体的吸收谱匹配，激励光可以将可饱和吸收体“漂白”至“透明”，并保证“透明”区域与被动调q激光器的谐振腔的光轴在空间上重叠。
21.泵浦光与激励光可以直接进入激光增益介质中，也可以在激励源的表面、激励源的表面集成微透镜，使泵浦光与激励光经微透镜聚焦后进入激光增益介质，另外，也可以单独在激励源的表面或激励源的表面集成微透镜，使泵浦光或激励光经微透镜聚焦后进入激光增益介质。
22.激光增益介质采用对谐振光进行增益的材料，激光增益介质为被动调q激光器的谐振腔提供起振增益，包括但不限于nd:yvo4、nd:gdvo4、nd:yag、yb: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。
23.可饱和吸收体采用对谐振光进行非线性饱和吸收的材料，包括但不限于cr
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:yag、v
3+
:yag、co
2+
:lma、co
2+
: mgal2o4、半导体可饱和吸收镜（sesam）、碳纳米管、二维层状材料等材料。
24.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，泵浦源选择输出波长为808nm的vcsel，激励源选择输出波长为980nm的vcsel，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。
25.当被动调q激光器输出1.5μm的被动调q脉冲激光时，泵浦源选择输出波长为976nm的vcsel，激励源选择输出波长为1.3μm的vcsel，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。
26.当被动调q激光器输出其他波段的被动调q脉冲激光时，泵浦源与激励源选择对应输出波长的vcsel，激光增益介质与可饱和吸收体选择对应的材料即可。
27.以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
28.实施例1利用本发明实施例1提供的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，提高1.06μm波段的芯片级垂直集成式被动调q激光器的脉冲稳定性。
29.如图1-图3所示，本发明实施例提供的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器包括：泵浦源1、激励源2、激光增益介质3和可饱和吸收体4。
30.泵浦源1选用输出波长为808nm的vcsel，即泵浦光7的波长为808nm，有源区采用ingaalas/algaas应变量子阱结构，将808nm的vcsel的p型dbr层作为第一反射层101，对于808nm的泵浦光7呈高反射率（反射率r＞99%），将808nm的vcsel的n型dbr层作为第二反射层102，对于808nm的泵浦光7呈部分反射率（70%＜反射率r＜98%）。
31.激励源2选用输出波长为980nm的vcsel，即激励光8的波长为980nm，有源区采用ingaas/gaasp应变量子阱结构，将980nm的 vcsel的p型dbr层作为第三反射层201，对于808nm的泵浦光7呈高反射率（反射率r＞99%），将980nm的vcsel的n型dbr层作为第四反射层202，对于808nm的泵浦光7呈部分反射率（70%＜反射率r＜98%）。
32.980nm的vcsel与808 nm的vcsel相邻集成在同一块衬底上，980nm的vcsel发出的激励光8具有一定的发散角，可以透过激光增益介质3进行传输，最后照射到可饱和吸收体4上。
33.图2所示的泵浦源1与激励源2为底发射结构的vcsel，当泵浦源1与激励源2采用顶发射结构的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。
34.无论泵浦源1与激励源2采用底发射结构的vcsel还是采用顶发射结构的vcsel，n型dbr层与p型dbr层的位置可以互换。
35.激光增益介质3选用nd:yag晶体，808nm的泵浦光7直接耦合进入nd:yag晶体中，nd:yag晶体的吸收谱能够与808nm的泵浦光7进行很好的匹配，为谐振腔6提供1.06μm谐振光9的起振增益。
36.在激光增益介质3面向泵浦源1的表面镀有第五反射层301，第五反射层301对于808nm的泵浦光7和980nm的激励光8呈高透过率（反射率r＜1%）且对于1.06μm的谐振光呈高反射率（r＞98%）。
37.在激光增益介质3面向可饱和吸收体4的表面镀有第六反射层302，第六反射层302对于808nm的泵浦光7呈高反射率（反射率r＞98%）且对于980nm的激励光8、1.06μm的谐振光呈高透过率（反射率r＜1%）。
38.第一反射层101、第二反射层102和第六反射层302形成用于泵浦结构的线性三镜耦合腔5，线性三镜耦合腔5用于泵浦激光增益介质3，为谐振腔6提供起振增益。
39.通过合理配置第二反射层102的反射率可以平衡泵浦源1的增益与损耗。
40.第二反射层102和第六反射层302形成fabry
–
p
é
rot干涉腔，可以提高激光增益介质3对泵浦光7的吸收效果。
41.可饱和吸收体4选用cr
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:yag晶体，激励源发出的980nm的激励光8具有一定的发散角，透过nd:yag晶体（激光增益介质3）后照射到cr
4+
:yag晶体上，图4为cr
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:yag晶体的吸收光谱，980nm的激励光8可以将cr
4+
:yag晶体“漂白”至“透明”，并保证“透明”区域与激光器谐振腔的光轴在空间上重叠。
42.在可饱和吸收体4面向激光增益介质3的表面镀有第七反射层401，第七反射层401对于1.06μm的谐振光呈高透过率（反射率r＜1%）。
43.在可饱和吸收体4背离激光增益介质3的表面（即面向出光口的表面）镀有第八反射层402，第八反射层402对于1.06μm的谐振光呈部分反射率（50%＜反射率r＜98%）。
44.第五反射层301和第八反射层402形成被动调q激光器的谐振腔6，为被动调q激光器提供谐振反馈，激射1.06μm的脉冲激光。
45.泵浦光7泵浦nd:yag晶体后，为谐振腔6提供起振增益，经过cr
4+
:yag晶体调制谐振腔6的腔内损耗后，实现具有输出特性的1.06μm被动调q脉冲的输出。
46.nd:yag晶体为谐振腔6提供起振增益后，经过cr
4+
:yag晶体调制谐振腔6的腔内损耗，980nm的激励源2为cr
4+
:yag晶体施加一段
ꢀ“
主动的透明时间”，在此时间范围内，谐振腔6的损耗急剧减小，增益与消耗的差值变大，被动调q激光器输出1.06 μm的被动调q脉冲。通过控制“主动的透明时间”的长短和频率，可以有效减弱q开关的开关速度以及q开关开启时间的不确定性，提高1.06 μm的被动调q脉冲的稳定性。
47.本发明实施例1的提升脉冲稳定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。
48.实施例2利用本发明实施例2提供的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，提高1.5μm波段的芯片级半导体/固体垂直集成被动调q激光器的脉冲稳定性。
49.实施例2与实施例1的区别在于泵浦源选用输出波长为976nm 的vcsel，有源区为ingaas/gaasp应变量子阱结构；激励源选用输出波长为1.3μm的vcsel，有源区为inasp/ingaasp应变量子阱结构；激光增益介质选用er,yb:yab晶体，可饱和吸收体选用co
2+
:mgal2o4晶体。
50.激励源发出1.3μm激励光具有一定的发散角，在透过er,yb:yab晶体后照射到co
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:mgal2o4晶体上，图7为co
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:mgal2o4晶体的吸收光谱，1.3μm的激励光8可以将co
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:mgal2o4晶体“漂白”至“透明”，并保证“透明”区域与被动调q激光器的谐振腔6的光轴在空间上重叠。
51.er,yb:yab晶体为谐振腔6提供起振增益后，经过co
2+
:mgal2o4晶体调制谐振腔6的腔内损耗，1.3μm的激励源2为co
2+
:mgal2o4晶体施加一段
ꢀ“
主动的透明时间”，在此时间范围内，谐振腔6的损耗急剧减小，增益与消耗的差值变大，被动调q激光器输出1.5μm的被动调q脉冲。通过控制“主动的透明时间”的长短和频率，可以有效减弱q开关的开关速度以及q开关开启时间的不确定性，提高1.5μm被动调q脉冲的稳定性。
52.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。
53.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。

技术特征：
1.一种提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，其特征在于，包括泵浦源、激励源、激光增益介质、可饱和吸收体，泵浦源与激励源集成在同一个衬底上，并与激光增益介质、可饱和吸收体采用晶片键合方法依次垂直集成；泵浦源采用vcsel，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，泵浦源发出的泵浦光进入激光增益介质；将泵浦源的一个dbr层作为第一反射层，第一反射层对泵浦光的反射率大于99%，将泵浦源的另一个dbr层作为第二反射层，第二反射层对泵浦光的反射率在70%~98%之间；激励源采用vcsel，激励源发出与泵浦光波长不同的激励光，激励光的发射谱与可饱和吸收体的吸收谱匹配，激励光透过激光增益介质照射到可饱和吸收体上，用于对可饱和吸收体进行漂白；将激励源的一个dbr层作为第三反射层，第三反射层对激励光的反射率大于99%，将激励源的另一个dbr层作为第四反射层，第四反射层对激励光的反射率在70%~98%之间；激光增益介质采用对谐振光进行增益的材料；在激光增益介质面向泵浦源的表面镀有第五反射层，第五反射层对泵浦光和激励光的反射率小于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六反射层，第六反射层对泵浦光的反射率大于98%及对激励光与谐振光的反射率小于1%；可饱和吸收体采用对谐振光进行非线性饱和吸收的材料；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第七反射层，第七反射层对激励光和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八反射层，第八反射层对谐振光的反射率在50%~98%之间；第五反射层和第八反射层形成被动调q激光器的谐振腔，用于激射预定波长的脉冲激光；第一反射层、第二反射层和第六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；第二反射层和第六反射层间形成f-p干涉腔，用于提高激光增益介质对泵浦光的吸收率。2.根据权利要求1所述的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，其特征在于，在泵浦源和/或激励源的表面集成微透镜，使泵浦光和/或激励光经微透镜聚焦后进入激光增益介质。3.根据权利要求1或2所述的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，其特征在于，作为泵浦源的vcsel的有源区材料系与作为激励源的vcsel的有源区材料系分别采用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1所述的提升脉冲稳定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nd:yvo4晶体材料、nd:gdvo4晶体材料、nd:yag晶体材料、nd:kgw晶体材料、nd:ylf晶体材料、yb:galgo晶体材料、yb:caf2晶体材料、yb:kgw晶体材料、er:yb:yab晶体材料、er:yab晶体材料、er:cr:ysgg晶体材料或nd:ce:yag晶体材料。5.根据权利要求1所述的提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调q激光器，其特征在于，可饱和吸收体采用cr
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:yag材料、v
3+
:yag材料、co
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:lma材料、co
2+
: 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。6.根据权利要求1所述的提升脉冲稳定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，对应的泵浦光的波长为808nm，对应的激励光的波长为980nm。7.根据权利要求1所述的提升脉冲稳定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，对应的泵浦光的波长为976nm，对应的激励光的波长为1.3μm。

技术总结
本发明涉及被动调Q激光器领域，尤其涉及一种提升脉冲稳定性的芯片级垂直集成式被动调Q激光器，底部具有两个集成在同一衬底上的VCSEL，发出两种不同波长的激光，其中一个作为泵浦源，采用线性三镜耦合腔结构泵浦激光增益介质，为谐振腔提供起振增益；另一个作为激励源，在某个时间段发出激励光后透过激光增益介质照射到可饱和吸收体上，将其漂白，为可饱和吸收体施加一段“主动的透明时间”，通过控制“主动的透明时间”的长短和频率，可以有效减弱Q开关的开关速度以及Q开关开启时间的不确定性，提高被动调Q输出脉冲的稳定性。泵浦源、激励源、激光增益介质、可饱和吸收体之间利用晶片键合技术实现芯片级半导体/固体的垂直集成。成。成。


技术研发人员：付鑫鹏 付喜宏 张俊 彭航宇 宁永强
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/9/7