色散补偿光学设备以及半导体激光设备组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了色散补偿光学设备以及半导体激光设备组件。该色散补偿光学设备包括:第一透射型体积全息图衍射光栅以及第二透射型体积全息图衍射光栅。所述第一和第二透射型体积全息图衍射光栅彼此相对设置。在每个第一和第二透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角和一级衍射光的出射角的和为90°。
【专利说明】色散补偿光学设备以及半导体激光设备组件
【技术领域】
[0001]本公开涉及色散补偿光学设备以及包含该色散补偿光学设备的半导体激光设备组件。
【背景技术】
[0002]由基于模式同步方法驱动的钛/蓝宝石激光设备表示的超短脉冲激光设备生成时间宽度为飞秒到微微秒的激光脉冲。由于其高峰值功率,所以在施加给一种物质时,从超短脉冲激光设备中发射的激光脉冲造成与通常的连续振荡的激光设备的物理现象不同的物理现象。大部分物理现象被称为非线性光学现象,并且近年来广泛地用于处理生物显微镜和精细结构等等中。
[0003]从超短脉冲激光设备发射的激光脉冲通常由放大器放大,以便获得高峰值功率。在本文中,为了通过放大器获得大脉冲能量,已知一种方法(称为“啁啾脉冲放大”),在该方法中,入射到放大器上的激光的脉冲时间宽度扩大,然后在放大之后,再次压缩。而且,基于超短脉冲激光的波长色散的脉冲压缩和扩大单元(也称为“色散补偿光学设备”)用于进行啁啾脉冲放大。
[0004]尤其,一种使用半导体增益介质的半导体激光装置具有大约毫微秒的使用寿命,比诸如钛/蓝宝石激光设备和YAG激光设备的固态介质激光设备的使用寿命短。因此,如果由模式同步半导体激光装置所生成的大约微微秒的激光的脉冲直接由放大器放大,那么用于进行放大的载波数量在时间上受到限制,并且与放大连续光的情况相比,减小了放大效率。因此,期望色散补偿光学设备实现小型半导体激光设备组件,该组件生成具有高峰值功率的超短激光脉冲。
[0005]如图20中所示,色散补偿光学设备通常包括两个刻入式衍射光栅。然而,通过刻入式衍射光栅,不容易保证高衍射效率,并且色散补偿光学设备的吞吐量较低。例如,在400nm波段的入射波长处使用的可用刻入式衍射光栅的效率为大约75%。由于随着入射波长的减小,刻入式间距变小,所以逐渐难以制造刻入式衍射光栅,并且其衍射效率降低。此夕卜,在包括两个刻入式衍射光栅的色散补偿光学设备内,吞吐量降低为(75%)2?56%。另外,基于刻入式衍射光栅内的光栅之间的间距,生成高级衍射光,因此,用于获得具有高衍射效率的一级衍射光的条件受限制。而且,在刻入式衍射光栅内,衍射角取决于刻入的数量和波长。因此,在色散补偿光学设备的光学布置内的灵活度低。
【发明内容】
[0006]从Tsung-Yuan Yang 等人于 1985 年 7 月 I 日发表在 Applied Optics 第 24 卷第 13a 号上的非专利文献“Femtosecond laser pulse compression using volume phasetransmission holograms (使用体积相位透射全息图的飞秒激光脉冲压缩)”中,已经了解到通过两个透射型体积全息图衍射光栅(而非这种刻入式衍射光栅)构成色散补偿光学设备的技术。根据这个非专利文献报告,验证了使用透射型体积全息图衍射光栅进行脉冲压缩的原理。然而,未公开减小色散补偿光学设备的尺寸的最佳配置。
[0007]因此,期望提供一种能够减小其尺寸的色散补偿光学设备以及包含所述色散补偿光学设备的半导体激光设备组件。
[0008]根据本公开的第一模式,提供了一种色散补偿光学设备,其包括第一透射型体积全息图衍射光栅和第二透射型体积全息图衍射光栅。第一和第二透射型体积全息图衍射光栅彼此相对设置,并且在每个第一和第二透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角Φ in和一级衍射光的出射角的和为90°。换言之,关系表达式Φ?η+Φ_=90°成立。在本文中,入射角和出射角为相对于透射型体积全息图衍射光栅的激光入射面的法线形成的角度。这同样适用于以下描述。
[0009]此外,根据本公开的第二模式,提供了一种色散补偿光学设备,其包括第一透射型体积全息图衍射光栅和第二透射型体积全息图衍射光栅。第一和第二透射型体积全息图衍射光栅彼此相对设置,并且在每个第一和第二透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角φ?η和一级衍射光的出射角大致相等。具体而言,关系表达式0.95≤Φ?η/Φ- ≤1.00 成立。
[0010]而且,根据本公开的第三模式,提供了一种色散补偿光学设备,其包括透射型体积全息图衍射光栅和反射镜。激光的入射角Φ in和一级衍射光的出射角Φ—的和为90° ,或者在透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角Φ in和一级衍射光的出射角Φ out大致相等。从半导体激光装置发射的激光入射到透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射,以碰上反射镜。由反射镜反射的一级衍射光再次入射到所述透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后出射到系统的外部。
[0011]而且,根据本公开第一模式的半导体激光设备组件包括模式同步半导体激光装置以及根据本公开第一模式的色散补偿光学设备,从所述模式同步半导体激光装置中发射的激光入射到其上。
[0012]而且,根据本公开第二模式的半导体激光设备组件包括:模式同步半导体激光装置;第一色散补偿光学设备,从所述模式同步半导体激光装置中发射的激光入射到其上;半导体光放大器,从所述第一色散补偿光学设备出射的激光入射到其上;以及第二色散补偿光学设备,从所述半导体光放大器出射的激光入射到其上。
[0013]在根据本公开第一模式的色散补偿光学设备中,在每个透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角Φ in和一级衍射光的出射角ΦΜ?的和为90°。在根据本公开第二模式的色散补偿光学设备中,在每个透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角Φ in和一级衍射光的出射角大致相等。在根据本公开第三模式的色散补偿光学设备中,设置透射型体积全息图衍射光栅和反射镜。因此,能够提供小型色散补偿光学设备,其通过高衍射效率实现高吞吐量并且任意地设置衍射角。结果,允许提高色散补偿光学设备的光学设计的灵活度。此外,有助于调节色散补偿光学设备的群速度色散值(色散补偿量)。结果,允许提高构成色散补偿光学设备的光学元件的布置的灵活度。
[0014]如附图中所示,通过在下文中详细描述其最佳实施方式,本公开的这些和其他目标、特征以及优点更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】[0015]图1为第一实施方式的半导体激光设备组件的概念图;
[0016]图2A和图2B分别为透射型体积全息图衍射光栅的示意性局部剖视图和示出第一实施方式的半导体激光设备组件内的啁啾现象的略图;
[0017]图3A和图3B分别为第二和第三实施方式的色散补偿光学设备的概念图;
[0018]图4A和图4B分别为第四实施方式及其变型例的色散补偿光学设备的概念图;
[0019]图5A和图5B分别为用于描述在色散补偿光学设备内可能造成的问题的色散补偿光学设备的概念图以及第五实施方式的色散补偿光学设备的概念图;
[0020]图6为第六实施方式的半导体激光设备组件的概念图;
[0021]图7A和图7B为第七实施方式的色散补偿光学设备的概念图;
[0022]图8A和图SB为第八实施方式的色散补偿光学设备的波长选择单元的概念图;
[0023]图9为沿着第一实施方式中模式同步半导体激光装置的谐振器延伸的方向的示意性端面图;
[0024]图10为沿着与第一实施方式的模式同步半导体激光装置的谐振器延伸的方向垂直的方向的示意性剖视图;
[0025]图11为沿着第一实施方式的模式同步半导体激光装置的变型例的谐振器延伸的方向的示意性端面图;
[0026]图12为沿着第一实施方式的模式同步半导体激光装置的另一变型例的谐振器延伸的方向的示意性端面图;
[0027]图13为在从上面观看时,第一实施方式的模式同步半导体激光装置的又一变型例的脊状条纹结构的示意图;
[0028]图14为示出在透射型体积全息图衍射光栅内空间色散相对于一级衍射光的出射角(衍射角)小_的依赖性(1(^_/(1入的曲线图;
[0029]图15为示出计算公式(12)中取决于折射率调制度Λ η的项sin2的结果的曲线图;
[0030]图16为示出在固定衍射光栅部件的厚度L、折射率调制度Λ η、以及构成色散补偿光学设备的波长λ的情况下,改变入射光的光谱宽度时衍射效率η的改变的曲线图;
[0031]图17Α和图17Β为用于描述制造第一实施方式的模式同步半导体激光装置的方法的基板等的示意性局部剖视图;
[0032]图18Α和图18Β为继图17Β之后的用于描述制造第一实施方式的模式同步半导体激光装置的方法的基板等等的示意性局部剖视图;
[0033]图19为继图18Β之后的用于描述制造第一实施方式的模式同步半导体激光装置的方法的基板等的示意性局部端面图;以及
[0034]图20为包括两个刻入式衍射光栅的普通色散补偿光学设备的概念图。
【具体实施方式】
[0035]在后文中,参照视图,根据实施方式描述本公开。然而,本公开不限于这些实施方式,并且这些实施方式中的各种数值和材料用于进行示例的目的。要注意的是,按照以下顺序进行描述。
[0036]1、描述根据本公开第一到第三模式的色散补偿光学设备以及根据本公开第一和第二模式的半导体激光设备组件的各个方面
[0037]2、第一实施方式(根据本公开第一模式的色散补偿光学设备以及根据本公开第一和第二模式的半导体激光设备组件)
[0038]3、第二实施方式(第一实施方式的变型例)
[0039]4、第三实施方式(第一实施方式的另一变型例)
[0040]5、第四实施方式(第一实施方式的又一变型例)
[0041]6、第五实施方式(第一、第二以及第四实施方式的变型例)
[0042]7、第六实施方式(根据本公开第二模式的色散补偿光学设备)
[0043]8、第七实施方式(根据本公开第三模式的色散补偿光学设备)
[0044]9、第八实施方式(第一到第七实施方式的变型例)
[0045]10、第九实施方式(第一到第八实施方式的变型例)
[0046](描述根据本公开第一到第三模式的色散补偿光学设备以及根据本公开第一和第二模式的半导体激光设备组件的各个方面)
[0047]根据本公开第一或第二模式的色散补偿光学设备以及根据本公开第一模式的半导体激光设备组件的根据本公开第一或第二模式的色散补偿光学设备必要时统称为“本公开的色散补偿光学设备等等”。
[0048]在根据本公开第一模式的色散补偿光学设备中,从通过透射型体积全息图衍射光栅增大角色散的角度来看,在从半导体激光装置发射的激光所入射的第一透射型体积全息图衍射光栅内,一级衍射光的出射角理想地大于激光的入射角Φ?η。在这种情况下,在从第一透射型体积全息图衍射光栅中发射的一级衍射光所入射的第二透射型体积全息图衍射光栅内,一级衍射光的出射角可小于激光的入射角Φ?η。要注意的是,在第一透射型体积全息图衍射光栅内激光的入射角Φ in和在第二透射型体积全息图衍射光栅内一级衍射光的出射角(衍射角)Φ out理想地相等,并且在第一透射型体积全息图衍射光栅内的一级衍射光的出射角(衍射角)和在第二透射型体积全息图衍射光栅内的一级衍射光的入射角Φ?η理想地相等。这同样适用于本公开(A)到(E)的色散补偿光学设备等等,在后文中会进行描述。
[0049]此外,在根据本公开的第二模式的色散补偿光学设备中,从有助于调节色散补偿光学设备内的群速度色散值(色散补偿量)的角度来看,激光的入射角Φ?η和一级衍射光的出射角的和理想地为90°。
[0050]而且,在包括以上期望配置的本公开的色散补偿光学设备等等中,激光可入射在第一透射型体积全息图衍射光栅上并且作为一级衍射光出射。而且,激光可入射在第二透射型体积全息图衍射光栅上,以被衍射并作为一级衍射光出射到系统的外面。为了方便起见,以上形式称为“本公开的色散补偿光学设备等(Α)”。从有助于`将色散补偿光学设备设置和插入现有光学系统内的角度来看,入射到第一透射型体积全息图衍射光栅上的激光和从第二透射型体积全息图衍射光栅中出射的激光理想地几乎彼此平行(即,从第一透射型体积全息图衍射光栅出射的激光理想地平行,从而允许入射到第二透射型体积全息图衍射光栅上)。这同样适用于本公开的色散补偿光学设备等(B)、(C)、以及(D),在后文中会进行描述。
[0051]在本公开的色散补偿光学设备等(A)内,可进一步设置彼此平行的第一和第二反射镜,并且从第二透射型体积全息图衍射光栅发射的激光可撞上第一反射镜以被反射,然后撞上第二反射镜以被反射。为了方便起见,以上形式称为“本公开的色散补偿光学设备等等(B)”。而且,第二反射镜所反射的激光可几乎位于摄入第一透射型体积全息图衍射光栅的激光的延长线上,或者射入第一透射型体积全息图衍射光栅的激光和从第二透射型体积全息图衍射光栅出射的激光可彼此平行。因此,有助于将色散补偿光学设备设置和插入现有光学系统内。本公开的色散补偿光学设备等(B)为单路径型色散补偿光学设备。在本文中,措辞“由第二反射镜反射的激光可几乎位于”表示,第二反射镜的中心位于入射到第一透射型体积全息图衍射光栅上的激光脉冲的光谱的波长中心所衍射的角度的延长线上。
[0052]此外,在本公开的色散补偿光学设备等(A)内,可进一步设置第一和第二反射镜,并且从第一透射型体积全息图衍射光栅出射的激光可撞上第一反射镜以被反射,撞上第二反射镜以被反射,并且入射到第二透射型体积全息图衍射光栅上。为了方便起见,以上形式称为“本公开的色散补偿光学设备等(C)”。本公开的色散补偿光学设备等(C)为单路径型色散补偿光学设备。要注意的是,从调节群速度色散值(色散补偿量)的角度来看,聚光单元(透镜)理想地设置在第一透射型体积全息图衍射光栅和第一反射镜之间,并且聚光单元(透镜)理想地设置在第二反射镜和第二透射型体积全息图衍射光栅之间。
[0053]此外,在包括以上期望配置的本公开的色散补偿光学设备等中,第一透射型体积全息图衍射光栅可设置在基板的第一表面上,并且第二透射型体积全息图衍射光栅可设置在基板的第二表面上,第二表面与第一表面相对。为了方便起见,以上形式称为“本公开的色散补偿光学设备等(D)”。本公开的色散补偿光学设备等(D)为单路径型色散补偿光学设备。基板的实例可包括玻璃,其包括诸如石英玻璃的光学玻璃,BK7以及塑料材料(例如,PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯树脂、基于丙烯酸的树脂、基于非晶形聚丙烯的树脂、包含AS树脂的基于苯乙烯的树脂)。
[0054]此外,在包括以上理想配置的本公开的色散补偿光学设备等中,可进一步设置反射镜,并且激光可入射到第一透射型体积全息图衍射光栅上,以被衍射,然后作为一级衍射光出射。而且,激光可入射到第二透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为一级衍射光出射,撞上反射镜。反射镜所反射的激光可再次入射到第二透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为一级衍射光出射。而且,激光可再次入射到第一透射型体积全息图衍射光栅上,以被衍射然后出射到系统的外面。为了方便起见,以上形式称为“本公开的色散补偿光学设备等(E)”。本公开的色散补偿光学设备等(E)为双路径型色散补偿光学设备。
[0055]在包括上述各种期望配置和形式的本公开的每个色散补偿光学设备等等中,可通过改变这两个透射型体积全息图衍射光栅之间的距离(包括光学距离)而改变群速度色散值(色散补偿量)。在本文中,在本公开的色散补偿光学设备等(D)内,为了改变这两个透射型体积全息图衍射光栅之间的距离,仅期望改变基板的厚度。然而,群速度色散值(色散补偿量)实际上为固定值。此外,在本公开的色散补偿光学设备等(E)内,第二透射型体积全息图衍射光栅和反射镜之间的距离可改变。而且,在根据本公开的第三模式的色散补偿光学设备内,可通过改变透射型体积全息图衍射光栅和反射镜之间的距离而改变群速度色散值(色散补偿量)。为了改变该距离,仅仅期望使用已知的移动单元。期望的群速度色散值取决于从模式同步半导体激光组件出射的激光脉冲的特征。而且,激光脉冲的特征基于模式同步半导体激光装置的配置和结构、半导体激光设备组件的配置、结构以及驱动方法(例如,施加到载波植入区域(增益区域)的电流量、施加到可饱和吸收区域(载波非植入区域)的反向偏压、驱动温度)等完全确定,并且基于群速度色散值(色散补偿量),这些特征可能造成向上啁啾现象(在该现象中,在脉冲持续时间内,波长从长波变成短波(即,频率增大))和向下啁啾现象(在该现象中,在脉冲持续时间内,波长从短波变成长波(即,频率减小))。要注意的是,无啁啾表示波长在脉冲的持续时间内未改变的现象(频率未改变的现象)。而且,通过适当地选择色散补偿光学设备的群速度色散值的值,可延长/压缩激光的脉冲时间宽度。具体而言,如果群速度色散值的值相对于表示上啁啾现象的激光脉冲设为正值或负值,那么可延长/压缩激光的脉冲时间宽度。此外,如果群速度色散值的值相对于表示下啁啾现象的激光脉冲设为正值或负值,那么可压缩/延长激光的脉冲时间宽度。在透射型体积全息图衍射光栅所衍射和出射的一级衍射光中,长波长元件的光路长度与短波长元件的光路长度不同。而且,如果长波长元件的光路比短波长元件的光路更长,那么形成负群速度色散值。换言之,将群速度色散值设置为负值。另一方面,如果长波长元件的光路比短波长元件的光路更短,那么形成正群速度色散值。换言之,将群速度色散值设为正值。因此,为了实现长波长元件的光路长度和短波长元件的光路长度,仅仅期望设置光学部件。
[0056]在表格I中显示上啁啾现象等和群速度色散值之间的关系,作为一个实例。要注意的是,在表格I中,具有上啁啾现象的激光由“上啁啾激光”表示,具有下啁啾现象的激光由“下啁啾激光”表示,并且没有啁啾的激光由“无啁啾激光”表示。
[0057]表格I
【权利要求】
1.一种色散补偿光学设备,包括: 第一透射型体积全息图衍射光栅;以及 第二透射型体积全息图衍射光栅,其中 所述第一透射型体积全息图衍射光栅和所述第二透射型体积全息图衍射光栅彼此相对设置,以及 在每个所述第一透射型体积全息图衍射光栅和所述第二透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角和一级衍射光的出射角的和为90°。
2.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,其中 在从半导体激光装置出射的激光所入射的所述第一透射型体积全息图衍射光栅内,所述一级衍射光的所述出射角大于所述激光的所述入射角。
3.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,其中 所述激光入射到所述第一透射型体积全息图衍射光栅上以被被衍射,然后作为所述一级衍射光出射, 进而,所述激光入射到所述第二透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射到系统的外部。
4.根据权利要求3所述的色散补偿光学设备,进一步包括: 第一反射镜;以及 第二反射镜,其中 所述第一反射镜和所述第二反射镜彼此平行设置,以及 从所述第二透射型体积全息图衍射光栅出射的激光碰上第一反射镜以被反射,然后又碰上第二反射镜以被反射。
5.根据权利要求4所述的色散补偿光学设备,其中 由所述第二反射镜反射的激光大致位于射入所述第一透射型体积全息图衍射光栅的激光的延长线上。
6.根据权利要求3所述的色散补偿光学设备,进一步包括: 第一反射镜;以及 第二反射镜,其中 从所述第一透射型体积全息图衍射光栅出射的激光碰上第一反射镜以被反射,并且然后,所述激光又碰上所述第二反射镜以被反射,之后入射到所述第二透射型体积全息图衍射光栅上。
7.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,其中 所述第一透射型体积全息图衍射光栅设置在基板的第一表面上,以及所述第二透射型体积全息图衍射光栅设置在所述基板的第二表面上,所述第二表面与所述第一表面相对。
8.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,进一步包括: 反射镜,其中 所述激光入射到所述第一透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射, 进而,所述激光入射到所述第二透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射,碰上所述反射镜, 被所述反射镜反射的激光再次入射到所述第二透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射,以及 所述激光被再次入射到所述第一透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后出射到系统的外部。
9.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,其中 通过改变这两个透射型体积全息图衍射光栅之间距离而改变群速度色散值。
10.根据权利要求1所述的色散补偿光学设备,其中 发射所述激光的半导体激光装置包括模式同步半导体激光装置。
11.一种色散补偿光学设备,包括: 第一透射型体积全息图衍射光栅;以及 第二透射型体积全息图衍射光栅,其中 所述第一透射型体积全息图衍射光栅和所述第二透射型体积全息图衍射光栅彼此相对设置,以及 在每个所述第一透射型体积全息图衍射光栅和所述第二透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角和一级衍射光的出射角大致相等。
12.根据权利要求11所述的色散补偿光学设备,其中 所述激光的所述入射角和所述一`级衍射光的所述出射角的和为90°。
13.一种色散补偿光学设备,包括: 透射型体积全息图衍射光栅;以及 反射镜,其中 在所述透射型体积全息图衍射光栅内,激光的入射角和一级衍射光的出射角的和为90°,或者所述激光的所述入射角和所述一级衍射光的出射角大致相等, 从半导体激光装置发射的所述激光入射到所述透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,然后作为所述一级衍射光出射,碰上所述反射镜,被所述反射镜反射的所述一级衍射光再次入射到所述透射型体积全息图衍射光栅上以被衍射,并出射到系统的外部。
14.根据权利要求13所述的色散补偿光学设备,其中 通过改变这两个透射型体积全息图衍射光栅之间距离而改变群速度色散值。
15.一种半导体激光设备组件,包括: 模式同步半导体激光装置;以及 从所述模式同步半导体激光装置发射的激光射入的、根据权利要求1所述的色散补偿光学设备。
16.根据权利要求15所述的半导体激光设备组件,其中 所述模式同步半导体激光装置具有可饱和吸收区域。
17.根据权利要求16所述的半导体激光设备组件,其中 所述模式同步半导体激光装置具有层压结构体,在所述层压结构体内,由GaN基化合物半导体形成的并且具有第一导电类型的第一化合物半导体层、由GaN基化合物半导体形成的第三化合物半导体层以及由GaN基化合物半导体形成的并且具有与所述第一导电类型不同的第二导电类型的第二化合物半导体层依次层压。
18.一种半导体激光设备组件,包括: 模式同步半导体激光装置; 第一色散补偿光学设备,从所述模式同步半导体激光装置发射的激光入射到所述第一色散补偿光学设备上; 半导体光放大器,从所述第一色散补偿光学设备出射的激光入射到所述半导体光放大器上;以及 第二色散补偿光学设备,从所述半导体光放大器出射的激光入射到所述第二色散补偿光学设备上。
19.根据权利要求18所述的半导体激光设备组件,其中 所述第一色散补偿光学设备包括根据权利要求1所述的色散补偿光学设备。
20.根据权利要求18所述的半导体激光设备组件,其中 所述第二色散补偿光学设备包括根据权利要求1所述的色散补偿光学设备。
【文档编号】G02B27/44GK103515839SQ201310244679
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2012年6月26日
【发明者】河野俊介, 仓本大, 齐藤公博, 小林诚司 申请人:索尼公司