环形外腔带间级联激光器及其制备方法

本发明涉及中红外半导体光电器件技术和激光光谱仪，具体涉及一种环形外腔带间级联激光器及其制备方法。

背景技术：

1、带间级联激光器(interband cascade lasers，icl)是一种发射光谱在中红外波段结合量子阱激光器长上能级寿命和量子级联激光器高内量子效率优点的半导体激光器，优势工作波段为3～4μm，完美地弥补了量子阱激光器近红外(3μm以下)和量子级联激光器(qcl)中红外(4μm以上)之间的波段空隙，具有体积小、波长可调谐、较量子级联激光器功耗更低等优点。

2、3～5μm波段作为中红外波段的第一个大气窗口其中分布着大量气体的分子吸收谱线，而且每种分子对应一种特定的谱线，因此被人们称为气体分子的“指纹(fingerprint)”波段。中远红外波段的光谱研究在大气检测、爆炸气体泄露监测、医疗诊断等方面有着巨大的发展前景。高精度的气体检测提出了高单模性的需求，集成分布式反馈(distributed feedback，dfb)激光器可很好的解决这个问题。然而实际应用中常需要探测多种气体，往往由于分子吸收线所在光谱不重叠且dfb激光器的调谐范围较小，所以常需使用多个单模激光器一起覆盖较大的光谱范围，在工艺和器件布置带来不便。为此将激光器同闪耀光栅结合形成光栅外腔(external cavity，ec)激光器，利用光栅作为外腔中波长选择元件，为光谱分析提供一个非常便携和可调谐的激光源。

3、零级衍射光输出的littrow ec结构作为最常用的外腔结构已结合icl实现了调谐范围的扩大。为进一步提升光谱线宽，可采用比littrow型结构多一个平面反射镜的littman-metcalf结构，在闪耀光栅后结合一个反射镜，经过反射镜的二次选频增加了ec-qcl的外腔腔长和波长选择性，可获得非常窄的光谱线宽。然而入射到反射镜上再原路返回的光并不满足littrow角度，低衍射效率使得调谐范围反而变窄。因此需要一种可以结合两种ec结构分别拓宽光谱和降低线宽优势，还能一定程度上提升输出功率的结构。

4、此外，闪耀光栅的衍射光光能大部分集中在一级衍射光上，以零级衍射光作为输出光会限制器件的输出功率，通常大约小于放大功率的10％。使用具有两个反向传播的环形腔谐振器，已在被证实可以将两方向光耦合输出获更高的功率。而且具有两个反向传播行波的环形腔谐振器可显著降低与驻波相关的空间烧孔(shb)效应，极大提升光谱稳定性。目前传统外腔激光器很依赖于使用的icl的性能，输出功率、光谱调谐性能一般的激光器，无法继续通过传统外腔结构获得较大功率或进一步扩大调谐范围。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、针对上述不足，本发明的主要目的在于提供一种环形外腔带间级联激光器及其制备方法，以解决在使用同一个icl时获得比传统外腔更好的线宽质量、输出功率和调谐范围。

3、(二)技术方案

4、为了实现上述目的，本发明第一方面，提供了一种环形外腔带间级联激光器，包括：带间级联激光器；在带间级联激光器的前腔面侧镀上一层减反膜；带间级联激光器的前腔面侧和后腔面侧分别设置有前腔面直透镜和后腔面直透镜；闪耀光栅，设置于前腔面直透镜的前腔面侧；镀金反射镜组，包括沿闪耀光栅的出射光路上设置的第一镀金反射镜、第二镀金反射镜和第三镀金反射镜；其中，前腔面直透镜、闪耀光栅、第一镀金反射镜、第二镀金反射镜、第三镀金反射镜及后腔面直透镜形成环形光路腔；带间级联激光器的前腔面侧发射光信号，光信号顺时针出射通过环形光路腔后，从后腔面侧再次入射到带间级联激光器。

5、上述方案中，带间级联激光器的腔为法布里-珀罗结构，并可在室温条件下连续工作。

6、上述方案中，闪耀光栅，固定于一光栅架上，光栅架设置于前腔面直透镜射出的光路方向上。

7、上述方案中，前腔面直透镜与后腔面直透镜固定在光学升降台的铜板上。

8、上述方案中，带间级联激光器的后腔面侧发射光信号，光信号逆时针出射通过环形光路腔后，从前腔面侧再次入射到带间级联激光器(1)。

9、上述方案中，还包括热释电功率计；其中，完成顺时针出射传播的光信号与逆时针出射传播的光信号，在带间级联激光器进行定向耦合；经过定向耦合后，仅顺时针方向入射经闪耀光栅后出射的零级衍射光会被探测到；热释电功率计用于探测零级衍射光。

10、本发明第二方面，提供了一种环形外腔带间级联激光器的制备方法，包括：步骤s1，提供带间级联激光器，在带间级联激光器的前腔面侧镀上一层减反膜；步骤s2，提供前腔面直透镜和后腔面直透镜，在带间级联激光器的前腔面侧和后腔面侧分别设置前腔面直透镜和后腔面直透镜；步骤s3，提供闪耀光栅，设置于前腔面直透镜的前腔面侧；步骤s4，镀金反射镜组，包括在沿闪耀光栅的出射光路上设置的第一镀金反射镜、第二镀金反射镜和第三镀金反射镜；步骤s5，前腔面直透镜、闪耀光栅、第一镀金反射镜、第二镀金反射镜、第三镀金反射镜及后腔面直透镜形成环形光路腔；步骤s6，带间级联激光器的前腔面侧发射光信号，将光信号顺时针出射通过环形光路腔后，从后腔面侧再次入射到带间级联激光器；步骤s7，完成顺时针出射传播的光信号与逆时针出射传播的光信号在带间级联激光器产生定向耦合；经过定向耦合后，仅顺时针方向入射经闪耀光栅后出射的零级衍射光会被探测到。

11、上述方案中，步骤s3包括：将闪耀光栅固定于光栅架，光栅架可通过行波减速机实现旋转。

12、上述方案中，步骤s1具体包括：将带间级联激光器倒焊于氮化铝热沉层上，后烧结于铟热沉层上；其中，带间级联激光器的腔与氮化铝热沉层、铟热沉层的宽度相同；铟热沉层设有螺丝孔；将完成烧结的带间级联激光器固定于光学升降台上。

13、上述方案中，步骤s4具体包括：利用红外探测卡和二极管激光器依次调整第一镀金反射镜、第二镀金反射镜及第三镀金反射镜的位置和角度。

14、(三)有益效果

15、本发明实施例的技术方案，至少具有以下有益效果：

16、(1)通过引入多个反射镜，腔长可比普通ec腔长增大数倍，这有助于延长光子寿命，获得更窄的外腔光谱线宽；

17、(2)cw(顺时针)和ccw(逆时针)光在定向耦合后，通过环形腔再进入到icl中，使激光器芯片中的光强更多，因此icl易获得比传统外腔更宽的调谐范围；

18、(3)cw(顺时针)和ccw(逆时针)光在定向耦合后，通过环形腔再进入到icl中，反馈到激光器芯片中的光强更多，使得再经闪耀光栅衍射后出射的功率会增强。

19、(4)cw(顺时针)和ccw(逆时针)光在环形腔中为行波，可显著降低与驻波相关的空间烧孔(shb)效应，极大提升光谱稳定性。

技术特征：

1.一种环形外腔带间级联激光器，包括：

2.根据权利要求1所述的环形外腔带间级联激光器，其特征在于，所述带间级联激光器(1)的腔为法布里-珀罗结构，并可在室温条件下连续工作。

3.根据权利要求1所述的环形外腔带间级联激光器，其特征在于，所述闪耀光栅(5)，固定于一光栅架上，所述光栅架设置于所述前腔面直透镜(3)射出的光路方向上。

4.根据权利要求3所述的环形外腔带间级联激光器，其特征在于，所述前腔面直透镜(3)与所述后腔面直透镜(4)固定在光学升降台的铜板上。

5.根据权利要求1所述的环形外腔带间级联激光器，其特征在于，所述带间级联激光器(1)的后腔面侧发射光信号，所述光信号逆时针出射通过所述环形光路腔后，从所述前腔面侧再次入射到所述带间级联激光器(1)。

6.根据权利要求5所述的环形外腔带间级联激光器，其特征在于，还包括热释电功率计(9)；

7.一种如权利要求1～6中任一项所述环形外腔带间级联激光器的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3包括：将所述闪耀光栅(5)固定于光栅架，所述光栅架可通过行波减速机实现旋转。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s4具体包括：利用红外探测卡和二极管激光器依次调整所述第一镀金反射镜(6)、所述第二镀金反射镜(7)及所述第三镀金反射镜(8)的位置和角度。

技术总结
本发明提供一种环形外腔带间级联激光器及其制备方法，包括：带间级联激光器；在带间级联激光器的前腔面侧镀上一层减反膜；带间级联激光器的前腔面侧和后腔面侧分别设置有前腔面直透镜和后腔面直透镜；闪耀光栅，设置于前腔面直透镜的前腔面侧；镀金反射镜组，包括沿闪耀光栅的出射光路上设置的第一镀金反射镜、第二镀金反射镜和第三镀金反射镜；其中，前腔面直透镜、闪耀光栅、第一镀金反射镜、第二镀金反射镜、第三镀金反射镜及后腔面直透镜形成环形光路腔；带间级联激光器的前腔面侧发射出光信号，通过环形光路腔后，从后腔面侧再次入射到带间级联激光器。该装置可比零级衍射光输出的Littrow外腔获得更宽的光谱调谐范围和更大的输出功率。

技术研发人员：鹿希雨,管延娇,孙瑞轩,刘舒曼,刘俊岐,王利军,刘峰奇,张锦川,翟慎强,卓宁
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15