谐振腔及应用该谐振腔的绝热激光器的制作方法

本申请属于激光器技术领域，具体涉及一种谐振腔及应用该谐振腔的绝热激光器。

背景技术：

谐振腔为光波在来回反射从而提供光能反馈的空腔，其作为激光器的必要组成部分，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出谐振腔外，沿轴线运动的光子将在谐振腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，从而产生激光。

参图1所示为现有技术中常用激光器的谐振腔，包含第一反射结构10'、增益结构20'、及第二反射结构30'。增益结构20'所用的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，这种材料的折射率会随着温度的升高而增大，因此在不同温度的情况下，谐振腔中增益结构的有效折射率也会发生变化，从而谐振腔的光程会改变，导致激光器波长随着温度漂移。

因此针对上述问题，有必要提供一种谐振腔及应用该谐振腔的绝热激光器。

技术实现要素：

本申请一实施例提供一种谐振腔，所述谐振腔包括对应设置的第一反射结 构和第二反射结构，所述第一反射结构和第二反射结构之间设置有增益单元，增益单元的外侧设置有包层，所述增益单元包括对光线进行放大的波导结构和对光程进行补偿的温度补偿结构，所述温度补偿结构位于波导结构的中间和/或波导结构侧边，所述波导结构和温度补偿结构分别采用正温度系数材料和负温度系数材料制成，所述温度补偿结构通过对光程进行补偿来维持射出谐振腔的光线的波长保持不变。

一实施例中，所述波导结构和温度补偿结构满足A*Δn₁+B*Δn₂＝0，其中，Δn₁＝d_n1/d_T和Δn₂＝d_n2/d_T分别为波导结构和温度补偿结构的温度系数，n₁和n₂分别为波导结构和温度补偿结构的折射率，A和B分别为光在波导结构和温度补偿结构中所占的能量比。

一实施例中，所述A和B正比于材料折射率*电场的平方。

一实施例中，所述波导结构为狭缝波导结构，A和B通过增益单元中的波导结构宽度、狭缝宽度、波导高度、及材料折射率模拟计算得到。

一实施例中，所述波导结构的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物正温度系数材料，温度补偿结构的材料为聚合物负温度系数材料。

一实施例中，所述第一反射结构为宽带反射结构，第二反射结构为窄带反射结构，宽带反射结构对应的波长为中心波长±10nm，窄带反射结构对应的波长为中心波长±0.1nm。

一实施例中，所述第一反射结构为宽带反射膜，所述第二反射结构为窄带光栅反射结构。

一实施例中，所述第一反射结构或第二反射结构的材料为氧化硅。

一实施例中，所述增益单元的有效折射率大于包层的折射率。

本申请另一实施例提供一种绝热激光器，所述绝热激光器包括上述的谐振腔。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

增益单元中的波导结构和温度补偿结构分别选用正温度系数材料和负温度 系数材料，采用负温度系数材料作为补偿能使得谐振腔在不同温度下保持波长稳定；

谐振腔增益单元的有效折射率不会变化，进而光程保持不变，激光器的输出波长不会随着温度漂移。

附图说明

图1是现有技术中谐振腔的结构示意图；

图2是本申请第一实施方式中谐振腔的结构示意图；

图3是本申请第一实施方式中包层的结构示意图；

图4是本申请第一实施方式中波导结构的示意图；

图5是本申请第二实施方式中谐振腔的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分扩大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

本文使用的例如“左”、“右”、“左侧”、“右侧”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“右侧”的单元将位于其他单元或特征“左侧”。因此，示例性术语“右侧”可以囊括左侧和右侧这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

当元件或层被称为与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当部件被称为“直接连接在另一部件或层上”时，不能存在中间部件或层。

参图2所示，介绍本申请谐振腔100的第一实施方式。该谐振腔从左向右依次包括第一反射结构110、增益单元120、以及第二反射结构130，其中，增益单元120包括波导结构121、位于波导结构的中间和波导结构侧边的温度补偿结构122。其中，波导结构用于对光线进行放大，温度补偿结构用于对光程进行补偿，温度补偿结构通过对光程进行补偿来维持射出谐振腔的光线的波长保持不变。

增益单元120的外侧还设有包层，包层包覆增益单元的四周但不包覆其两端，结合图3所示，在本实施方式中包层包括包覆增益单元120的包覆层140和位于增益单元120下方的衬底150，增益单元120的有效折射率大于包覆层140和衬底150的折射率，光在增益单元120中传导时是基于全反射原理，包覆层140和衬底150用于对增益单元120中的光进行限制。

本实施方式中波导结构121和温度补偿结构122分别采用正温度系数材料和负温度系数材料制成，且在不同温度下谐振腔的输出波长保持不变。

本申请中激光器谐振腔的原理是运用两种材料相结合保证激光器谐振腔的光程(光程＝折射率*距离)不变，本实施方式在距离一定的情况下就需要保证折射率在不同的温度下保持不变。

设定光在波导结构121中所占的能量比为A，波导结构121的折射率为n₁，T为波导结构121的温度(即增益单元120的温度)，温度系数Δn₁＝d_n1/d_T，Δn₁＞0；

设定光在温度补偿结构122中所占的能量比为B，温度补偿结构122的折射率为n₂，T为温度补偿结构122的温度(即增益单元120的温度)，温度系数Δn₂＝d_n2/d_T，Δn₂＜0。

根据“折射率在不同的温度下保持不变”可以得出：

A*Δn₁+B*Δn₂＝0。

因此，本申请中只需选择相应的材料并形成增益单元后，使得温度系数Δn₁、Δn₂和A、B满足条件A*Δn₁+B*Δn₂＝0即可。

满足条件A*Δn₁+B*Δn₂＝0时，增益单元中光线的有效折射率不会发生变化，从而光程不会发生改变，使用该增益单元的激光器的波长不会发生漂移。

具体地，本实施方式中的能量比A和B正比于材料折射率*电场的平方，其是通过模拟计算得到。参图4所示为波导结构121的示意图，该波导结构为狭缝波导结构，在获知波导结构宽度w1、狭缝宽度w2、波导高度h1、及材料折射率后，可以通过模拟计算得到上述能量比A和B。

本实施方式中波导结构121选用Ⅲ-Ⅴ族化合物正温度系数材料，温度补偿结构122选用聚合物负温度系数材料，采用负温度系数材料作为补偿能使得谐振腔在不同温度下保持波长稳定。

本申请中所指的Ⅲ-Ⅴ族化合物为常用的半导体材料，其由在化学周期表里三价元素(例如铝、镓、铟、铊)以及五价元素(例如氮、磷、砷、锑、铋)组成的，例如砷化镓等。

应当理解的是，本申请中以包覆层和衬底作为增益单元的包层，在其他实施方式中也可以全部设置为包覆层，只要是满足能够实现光在增益单元中基于全反射原理进行传导的外侧结构均属于本申请中包层所保护的范围。

参图5所示，介绍本申请谐振腔200的第二实施方式。其包括第一反射结构210、增益单元220、以及第二反射结构230，其中，第一反射结构210和增益单元220设置于衬底240上，且第一反射结构210和增益单元220的外侧设有包覆层(未图示)。本实施方式中的增益单元220与第一实施方式中的增益单元120结构相同，同样包括波导结构、位于波导结构的狭缝和/或波导结构侧边的温度补偿结构，波导结构采用正温度系数材料用于对光线进行放大，温度补偿结构采用负温度系数材料用于对光程进行补偿，温度补偿结构通过对光程进行补偿来维持射出增益单元的光线的波长保持不变。

本实施方式中第一反射结构210和第二反射结构230为平面或曲面反射镜，两者均由低温度系数材料制作，例如氧化硅等。

进一步地，第一反射结构210和第二反射结构230的其中一个为窄带的反射镜，而另一个为宽带的反射镜。

如本实施方式中第一反射结构210为宽带反射结构，其位于增益单元220的左侧；第二反射结构230为窄带反射结构，其位于增益单元220的右侧。本实施方式中宽带反射结构为一反射膜，对应的波长为中心波长±10nm，窄带反射结构为二氧化硅反射结构，对应的波长为中心波长±0.1nm。

进一步地，在本申请的其他实施方式中，在由正温度系数材料形成的波导结构和由负温度系数材料形成的温度补偿结构之间还设有过渡结构。过渡结构能够起到过渡光波在波导结构和温度补偿结构传输的作用。

优选地，过渡结构为增透膜与模斑转换器中的一个或多个的组合，增透膜能够提高光波在增益单元中的透射效果，模斑转换器能够提高光波在波导结构中的耦合度。具体地，过渡结构可以为一层或多层增透膜、或者一个或多个模斑转换器，也可以为增透膜和模斑转换器的组合等。

应当理解的是，本申请各实施方式中的谐振腔可以用于绝热激光器中，从而实现不同温度下保持波长稳定的效果，当然，该谐振腔不仅限于用于激光器中，也可以用于其他需满足“不同温度下保持折射率不变”的各种光学元器件中，此处不再一一举例进行说明。

本申请通过上述实施方式，具有以下有益效果：

增益单元中的波导结构和温度补偿结构分别选用正温度系数材料和负温度系数材料，采用负温度系数材料作为补偿能使得谐振腔在不同温度下保持波长稳定；

谐振腔增益单元的有效折射率不会变化，进而光程保持不变，激光器的输出波长不会随着温度漂移。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。