一种抗辐射窄线宽外腔激光器、光学设备

1.本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种抗辐射窄线宽外腔激光器、光学设备。


背景技术：

2.空间辐照环境中的带电粒子会导致光电子器件工作异常甚至失效,会大大影响航天器的可靠性和寿命。通过在光电子器件表面增加防辐射屏蔽来提高其抗辐射能力，但是这往往会产生额外质量，而飞行器尤其是航天器对载荷的重量要求相当苛刻，所以要提高光电子器件本身的抗辐射能力。窄线宽半导体激光器因其结构紧凑、可靠性高、光电效率高等优点被应用于空间激光通信、冷原子实验和引力波探测等领域，是核心器件之一。作为光源，其在空间辐射下的光谱、功率、线宽等性能的稳定性，直接决定了上述应用系统的稳定性和可靠性。因此，研究空间辐射下窄线宽半导体激光器的抗辐射能力就显得尤为重要。
3.传统的标准具、体光栅和衍射光栅等外腔半导体激光器，通过增加谐振腔长、延长光子寿命，可以显著压窄线宽，但激光器对环境振动较为敏感，其集成度也较低，这会影响其可靠性和稳定性。尽管分布布拉格反射(dbr)和分布布拉格反馈(dfb)半导体激光器结构紧凑，但二者的腔长通常较短，即光子寿命较短，限制了线宽性能。而基于光纤光子滤波器的集成外腔激光器因其紧凑、稳定的谐振腔结构可实现窄线宽、低噪声等特性，同时兼具有成本低廉和易于制备的优势，而备受研究者们关注，成为空间应用激光器的有力竞争者。其空间环境适应性不仅受到抗辐射加固封装的影响，也与光纤光子滤波器的抗辐射性能息息相关，而这取决于光子滤波器的形成机制。
4.目前，上述光子滤波器的制备方法主要包括紫外准分子激光刻写技术和飞秒激光刻写技术，二者在光子滤波器形成机制上有本质不同。紫外刻写光子滤波器是基于光致诱导折射率变化，通过缺陷捕获电子或空穴形成“色心”实现周期性折射率调制。而色心在高能量粒子的辐照下容易被擦除，影响光子滤波器的抗辐射性能。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例中提供一种抗辐射窄线宽外腔激光器、光学设备。
6.第一方面，本发明实施例中提供一种抗辐射窄线宽外腔激光器，包括半导体增益芯片、光子滤波器、耦合组件、热敏电阻、热沉、半导体制冷器以及蝶形管壳，所述半导体增益芯片和所述光子滤波器通过所述耦合组件进行耦合集成，所述半导体增益芯片、所述光子滤波器、所述耦合组件以及所述热敏电阻分别焊接在所述热沉的上表面，所述热沉焊接在所述半导体制冷器的上表面，所述半导体增益芯片、所述热敏电阻和所述半导体制冷器的电极分别与所述蝶形管壳的引脚焊接，并将所述半导体增益芯片、光子滤波器、所述耦合组件、所述热敏电阻、所述热沉、所述半导体制冷器一同密封进所述蝶形管壳并进行蝶形封装。
7.作为一种可选的方案，所述耦合组件采用锥形光纤透镜或非球面透镜。
8.作为一种可选的方案，所述半导体增益芯片采用脊型弯曲波导结构，倾角7
°
，波导两端分别镀有90％高反射涂层和0.01％增透涂层；所述光子滤波器利用飞秒激光驻点刻写技术在单模光纤中制备。
9.作为一种可选的方案，所述光子滤波器采用飞秒激光能量调节与光纤位移控制，通过组合hwp和pbs实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备得到斜切趾光子滤波器。
10.作为一种可选的方案，所述光子滤波器选择高反射率结构，将所述半导体增益芯片背离所述光子滤波器方向的一侧作为出光方向，在所述半导体增益芯片的前端面均镀ar涂层，后端面镀低反射lr涂层。
11.作为一种可选的方案，所述耦合组件为光学透镜，所述光子滤波器选择高反射率结构，将半导体增益芯片背离所述光子滤波器的一侧方向作为出光方向，在所述半导体增益芯片的前端面均镀抗反射ar涂层，后端面均镀低反射lr涂层，所述光子滤波器采用激光能量调节与光纤位移控制，通过组合半波片hwp和偏振分束器pbs实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备得到斜切趾光子滤波器。
12.作为一种可选的方案，所述光子滤波器采用永久折射率调制布拉格光子滤波器。
13.第二方面，本发明实施例中提供一种光学设备，具有如上述的抗辐射窄线宽外腔激光器。
14.本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种抗辐射窄线宽半导体激光器及光学设备，包括半导体增益芯片、光子滤波器、耦合组件、热敏电阻、热沉、半导体制冷器以及蝶形管壳，半导体增益芯片和光子滤波器通过耦合组件进行耦合集成，半导体增益芯片、光子滤波器、所述耦合组件以及热敏电阻分别焊接在热沉的上表面，热沉焊接在所述半导体制冷器的上表面，基于永久折射率调制光子滤波器光反馈结构以保证激光器的抗辐射特性，采用飞秒激光刻写的高稳定性光纤光子滤波器作为选频器件，利用超短脉冲的高峰值功率密度，有效避免了光子滤波器再次被辐照射线改变，展现了优异的抗辐射性能，能够满足空间激光通信应用对光源的抗辐射需求。
附图说明
15.图1是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
16.图2是本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的等效谐振腔模型。
17.图3是本发明实施例中提供的抗辐射窄线宽外腔激光器中半导体增益激光芯片的增益谱和光子滤波器的反射谱、光子滤波器的选频机理和等效腔的模式分布的示意图。
18.图4是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器在不同电流下的激射光谱示意图。
19.图5是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的激射光谱与注入电流关系的示意图。
20.图6是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的辐照前、后i-v-p特性曲线。
21.图7是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的辐照前、后smsr与电流关系。
22.图8是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的辐照前后激射波长与电流关系的示意图。
23.图9是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器在辐照前后的噪声功率谱密度及基于截止频率得到的频率线宽的示意图。
24.图10是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器在辐照前后的线宽与注入电流关系的示意图。
25.图11是根据本发明实施例1提供的抗辐射窄线宽外腔激光器在不同电流下、辐照前后的相对强度噪声功率谱的示意图。
26.图12是根据本发明实施例2提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
27.图13是根据本发明实施例3提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
28.图14是根据本发明实施例4提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
29.图15是根据本发明实施例5提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
30.图16是根据本发明实施例6提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
31.图17是根据本发明实施例7提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
32.图18是根据本发明实施例8提供的抗辐射窄线宽外腔激光器的结构示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
34.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.结合图1所示，本发明实施例1中提供一种抗辐射窄线宽外腔激光器，包括半导体增益芯片、光子滤波器、耦合组件、热敏电阻、热沉、半导体制冷器以及蝶形管壳，所述半导体增益芯片和所述光子滤波器通过所述耦合组件进行耦合集成，所述半导体增益芯片、所述光子滤波器、所述耦合组件以及所述热敏电阻分别焊接在所述热沉的上表面，所述热沉焊接在所述半导体制冷器的上表面，所述半导体增益芯片、所述热敏电阻和所述半导体制冷器的电极分别与所述蝶形管壳的引脚焊接，并将所述半导体增益芯片、光子滤波器、所述耦合组件、所述热敏电阻、所述热沉、所述半导体制冷器一同密封进所述蝶形管壳并进行蝶形封装，蝶形管壳可以采用金属材质的外壳。
36.本发明实施例中提到的光子滤波器采用飞秒激光刻写技术制备的高稳定性的光纤光子滤波器，利用光纤光子滤波器的窄反射带宽和切趾折射率调制进行主模式选择，实
现窄线宽和高边模抑制比的激光输出，分别在γ射线辐照前后对本激光器进行测试证明本激光器具有良好的抗辐射性能，辐照前后相关特性仅出现微弱变化。本激光器洛伦兹线宽和相对强度噪声（rin）在辐照前后比较稳定。辐照后的光电特性变化微弱，本发明提出的这种抗辐射窄线宽外腔激光器，弱化了抗辐射封装需求，可以应用于空间激光通信等领域。
37.本发明实施例中采用飞秒激光刻写的高稳定性的光纤光子滤波器作为选频器件，利用超短脉冲的高峰值功率密度，诱导光纤材料化学键的断裂改变缺陷前驱物，形成永久性折射率调制，有效避免了光子滤波器再次被辐照射线改变。该激光器经过γ射线总剂量效应（tid）辐照测试，展现了优异的抗辐射性能。辐照前后，激光器的洛伦兹线宽和相对强度噪声几乎没有变化。辐照后的最大输出功率和激光波长变化微弱。实验结果证实，基于永久折射率调制光子滤波器的外腔半导体激光器对于恶劣辐射环境表现出良好的稳定性和鲁棒性，可以满足空间激光通信应用对光源的抗辐射需求。
38.作为一种可选的方案，所述耦合组件采用锥形光纤透镜或非球面透镜，具体地，半导体增益芯片和光子滤波器可以通过锥形光纤透镜或非球面透镜进行耦合集成。
39.结合图3所示，在一些实施例中，半导体增益芯片采用脊型弯曲波导结构，倾角7
°
，波导两端分别镀有90％高反射涂层r1和0.01％增透涂层r2，半导体增益芯片的长度l为1.5 mm。由于其增益区内注入载流子受到额外的横向隔离，在高能辐射环境中出现光致发光和载流子寿命恢复，展现了优异的抗辐射能力，以降低增益芯片内腔模式对选频的影响。图3中半导体增益芯片在100 ma电流下的放大自发发射谱，腔面谐振得到了有效抑制。
40.所述光子滤波器利用飞秒激光驻点刻写技术在单模光纤中制备，单模光纤可以采用康宁公司的hi 1060光纤，所用飞秒激光的波长为515 nm，脉冲宽度为290 fs。为了实现高smsr（边模抑制比，side-mode suppression ratio）的激光输出，需要对光子滤波器的切趾分布进行调制，具体是通过组合半波片（hwp，half wave plate）和偏振分束器（pbs，polarizationbeamsplitter）进行飞秒激光脉冲能量的实时调节。在光子滤波器的制备过程中，利用程序控制步进电机以调整hwp的旋转角度和速度，实时控制激光脉冲能量，同时通过程序控制光纤的位移与移动速度，以使折射率调制的幅度符合切趾函数的分布。所制备的3阶切趾fbg长度（l
p
）为6.00 mm，周期为1.064μm，布拉格谐振波长为1030 nm。图3给出了光子滤波器的反射谱，半高全宽(fwhm)为80.00 pm，smsr为25.20 db，反射率(r
p
)为24.62%。较低的反射率可保证激光器的高输出功率。
41.结合图2所示，半导体增益芯片和光子滤波器通过非球面透镜103耦合集成构成等效谐振腔结构，并被封装成标准蝶形激光器。激光器的等效腔可认为由一个有源增益区和一个无源外腔的组合。图3中展示了等效腔模式及布拉格bragg谐振光谱的选频机制，分别对应半导体增益芯片101的增益谱和光子滤波器102的反射谱，插图是光子滤波器102的选频机理和等效腔的模式分布，光子滤波器的布拉格带隙实现模式选择和光学反馈，返回光经过半导体增益芯片实现被锁定模式的增益放大。而激光线宽可以通过修正的schawlow-townes公式分析：其中，va是有源区的群速度，hv是光子能量，g是模式增益，αm是腔面损耗，n
sp
是居
数反转因子，αh是线宽增强因子，n
gc
（n
ext
）是有源（无源）区折射率，l
gc
（l
ext
）为有源（无源）区长度。可见通过等效谐振腔的腔长扩展，增加了谐振腔的品质因子q，并延长了光子寿命，可实现线宽的有效压窄。通过光子滤波器的注入反馈实现模式选择和高模式增益差，利用腔内负反馈可以进一步减小线宽。基于前述模式选择和线宽压窄机制，并考虑增益特性，可保证单频、窄线宽激光输出。半导体增益芯片、光子滤波器、耦合组件及热敏电阻均分别焊接于热沉的上表面，热沉焊接于半导体制冷器上表面，将半导体增益芯片、热敏电阻、t半导体制冷器的电极与管壳的引脚内部引线焊接，将半导体激光器的各器件密封进蝶形管壳，进行蝶形封装。
42.针对激光器等光电子器件的空间辐射实验，相关研究表明，在一定范围内光电器件的tid响应特性与剂量率和辐射总量有关, 而与辐射类型几乎无关。因此实验室的辐射效应研究一般只采用一种辐射源，产生出与空间环境近似等效的剂量率与辐射总量。在这种情况下，采用γ射线对激光器进行tid辐照实验。选择放射性衰变后的放射性核素核co
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作为稳态γ射线辐射源。在测试期间，将激光器和辐射源放置在一个厚壁铅容器中。在开展离线辐射实验时，激光器在辐照中处于关闭状态，辐照实验在室温条件下进行，辐照速率为50-300 rad/s，当辐照总剂量累积至100 krad时停止辐照。
43.结合图4和图5所示，对本发明实施例中提供的外腔半导体激光器的光谱进行了测试，图4中展示了在辐照前后的不同电流下的激射光谱，（a）辐照前，（b）辐照后，在注入电流超过140 ma(2倍阈值电流)时，辐照前后激光器均保持超过60 db的smsr。这主要归因于激光器的选频器件为切趾折射率调制的光子滤波器。图5中是辐照前后激射光谱与注入电流关系的效果图，（a）辐照前，（b）辐照后，在400 ma时的激射波长分别是1030.096 nm和1030.1051 nm。激光器在辐照前后均保持稳定的单模特性，光谱的变化趋势并没有明显改变，激射波长和调谐区间的稳定表明了γ射线辐射对激光器的激射光谱几乎没有影响。
44.结合图6所示，对本实施例中提供的外腔半导体激光器的i-v-p特性进行了表征，辐照前后的阈值电流分别为70 ma和72 ma，最大输出功率分别为137.232 mw和142.436 mw，对应斜率效率分别为0.381 w/a和0.376 w/a。激光器的阈值电流降低2 ma，激光器的最大输出功率增加了约3.79％。这是激光器组件中的透镜和尾纤受到γ射线辐照后带来的微弱影响。
45.结合图7和图8所示，分别是辐照前后smsr和激射波长与注入电流的关系，激光器在辐照前、后分别达到66.74 db和65.76 db的最高smsr。辐照前后的smsr变化量小于0.98 db，波长偏移范围小于9.1 pm，这是波长漂移量作为辐射总剂量的函数的饱和行为，受到辐射剂量与温度的共同作用。经过γ射线tid辐射实验激光器的光电特性变化微弱，展现了优异的空间环境适应性。
46.结合图9和10所示，图9是在20℃、400ma条件下，辐照前后的激光器相位/频率噪声功率谱以及对应的积分线宽，在辐照（a）前（b）后的噪声功率谱密度及（c）（d）基于截止频率得到的频率线宽。辐照前的最小积分线宽为25.60 khz，白噪声（4300 hz2/hz@2 mhz）对应的洛伦兹线宽为13.50 khz。辐照后的最小积分线宽和洛伦兹线宽分别为42.8 khz和12.00 khz。辐照前后激光器的洛伦兹线宽值接近。辐照前后激光线宽随电流的变化趋势如图10所示，随着注入电流增加，线宽逐渐减小，这一点是符合修正的schawlow
–
townes公式的。而洛伦兹线宽要小于积分线宽，这是因为积分线宽中还包含一定的高斯线型成分。激光器的洛
伦兹线宽小于15 khz，且在γ射线辐照前后比较稳定，表现出优良的抗辐射性能。
47.结合图11所示，图11示出了不同电流下的rin频谱，其中，辐照（a）前（b）后的相对强度噪声功率谱，在400 ma时，辐照前激光器的rin功率谱密度分别是-142.90 dbc/hz@1 khz和-153.80 dbc/hz@1 mhz，辐照后激光器的rin分别是-140.40 dbc/hz@1 khz和-154.20 dbc/hz@1 mhz。rin在100 khz以下表现出 1/f 噪声的特性，频谱出现多个峰。这是测试过程中技术噪声带来的影响。100 khz 以上rin趋于稳定。经过γ射线tid辐照测试，激光器的rin频谱几乎没有发生变化，具有较好的空间环境适应性。
48.实施例2实施例2与实施例1的区别在于：耦合方式发生了改变。在光子滤波器202和半导体增益芯片201的耦合位置，采用锥形光纤透镜代替非球面透镜，通过锥形光纤透镜204可以简化了光子滤波器202和半导体增益芯片201的集成工作，降低了耦合难度。
49.实施例3结合图13所示，实施例3与实施例1的区别在于：光子滤波器302的结构发生了改变，采用飞秒激光能量调节与光纤位移控制，通过组合hwp和pbs实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备得到斜切趾光子滤波器。
50.半导体增益芯片301与非球面透镜303与实施例1的半导体增益芯片101与非球面透镜103相同，故在此不再赘述。
51.实施例4结合图14所示，实施例4与实施例1的区别在于：耦合方式、光子滤波器402的结构发生了改变。在光子滤波器402和半导体增益芯片401的耦合位置，采用锥形光纤透镜404代替非球面透镜。采用激光能量调节与光纤位移控制，通过组合hwp和pbs实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备了斜切趾光子滤波器402。
52.实施例5结合图15所示，实施例5与实施例1的区别在于：激光器的出光方向、光子滤波器502结构与半导体增益芯片501的镀膜发生了改变，光子滤波器502选择高反射率结构。将半导体增益芯片501的背离光子滤波器502方向作为出光方向。在半导体增益芯片501的前端面均镀ar涂层，后端面镀低反射lr涂层。
53.非球面透镜503与实施例1的非球面透镜103相同，故在此不再赘述。
54.实施例6结合图16所示，实施例6与实施例1的区别在于：耦合方式、激光器的出光方向、光子滤波器602结构与半导体增益芯片601的镀膜发生了改变。在光子滤波器602和半导体增益芯片601的耦合位置，采用锥形光纤透镜604代替非球面透镜作为耦合组件。光子滤波器602选择高反射率结构，将半导体增益芯片601的背离光子滤波器602方向作为出光方向，在半导体增益芯片601的前端面均镀ar涂层，后端面均镀lr涂层。
55.实施例7结合图17所示，实施例7与实施例1的区别在于：激光器的出光方向、光子滤波器802结构与半导体增益芯片701的镀膜发生了改变。光子滤波器702选择高反射率结构，将半导体增益芯片701的背离光子滤波器702方向作为出光方向。在半导体增益芯片701的前端面均镀ar涂层，后端面镀lr涂层。采用激光能量调节与光纤位移控制，通过组合hwp和pbs实
现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备得到斜切趾光子滤波器。
56.非球面透镜703与实施例1的非球面透镜103相同，故在此不再赘述。
57.实施例8结合图18所示，实施例8与实施例1的区别在于：耦合方式、激光器的出光方向、光子滤波器801结构与半导体增益芯片802的镀膜发生了改变。在光子滤波器801和半导体增益芯片802的耦合位置，采用光学透镜804代替锥形光纤透镜。光子滤波器801选择高反射率结构，将半导体增益芯片802的背离光子滤波器801方向作为出光方向，在半导体增益激光芯片802的前端面均镀抗反射ar涂层，后端面均镀低反射lr涂层，采用激光能量调节与光纤位移控制，通过组合hwp和pbs实现飞秒激光脉冲能量的实时调节，通过程序控制光纤位移的距离和速率，制备得到斜切趾光子滤波器。
58.本发明实施例中提供一种抗辐射窄线宽半导体激光器，基于永久折射率调制光子滤波器光反馈结构以保证激光器的抗辐射特性，采用飞秒激光刻写的高稳定性的光子滤波器作为选频器件，利用超短脉冲的高峰值功率密度，诱导光纤材料化学键的断裂改变缺陷前驱物，形成永久性折射率调制。这有效避免了光子滤波器再次被辐照射线改变。激光器经过γ射线tid辐照测试，展现了优异的抗辐射性能。此外，该激光器具有高集成度与低成本的优势，利用飞秒激光逐点刻写技术可以灵活制备的光子滤波器，通过脉冲能量调节和精确位移控制可以实现光子滤波器的切趾折射率调制。这种基于永久折射率调制光子滤波器的外腔半导体激光器对于恶劣辐射环境展现出良好的稳定性和鲁棒性，能够满足空间激光通信应用对光源的抗辐射需求。
59.相应地，本发明实施例中提供一种光学设备，具有如上述的抗辐射窄线宽外腔激光器。
60.本发明实施例中提供的光学设备，具有上述的抗辐射窄线宽外腔激光器，激光器的选频器件为飞秒激光刻写的高稳定性光纤光子滤波器。半导体增益芯片与光子滤波器通过光学透镜进行耦合集成，也可以通过抛光形成锥形光纤透镜直接耦合。通过对半导体增益芯片和光子滤波器采用合理的端面镀膜，可以分别实现了芯片端和滤波器端的激光输出。通过对飞秒激光的能量调节和光纤位移控制，可以使光子滤波器实现不同的切趾折射率调制，本发明实施例展示了能量切趾光子滤波器和斜切趾光子滤波器两种结构。该激光器经过γ射线总剂量效应辐照测试，展现了优异的抗辐射性能。辐照前后，激光器的洛伦兹线宽和相对强度噪声几乎没有变化。辐照后的最大输出功率和激光波长变化微弱。实验结果证实，基于永久折射率调制光子滤波器的外腔半导体激光器对于恶劣辐射环境表现出良好的稳定性和鲁棒性，可以满足空间激光通信应用对光源的抗辐射需求。
61.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。
62.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。