锁模光泵半导体薄片激光器简介在线视频

大家好

现在我们来学习一下锁模光泵

半导体薄片激光器

先看一下主要的内容

有第一个是锁模光泵

半导体薄片激光器的一些介绍

就是这些基本知识

第二个是基本理论

第三部分是锁模脉冲实验

第一部分先看一下锁模光泵

半导体薄片激光器

就是是什么意思

从名字中可以看到

它叫第一个是锁模

这是锁模

要讲的是锁模激光器

第二个呢它是半导体激光器

半导体激光器

大家知道一般的半导体激光器用的都是电泵的

而这里头呢

用的是光泵的

因此管它叫光泵薄片半导体激光器

因为名字叫Optically

Pumped Semiconductor Disk Laser

简称OP-SDL

或者是有时候连OP也不要了

就直接就是SDL

它还有另外一个名字

叫垂直外腔面发射激光器

也是从它的基本原理来解释的

就是半导体激光器呢

有两种方式

一种是边发射

一种是面发射

而这个面发射激光器

腔基本上是和半导体芯片

是放在一起的

而跟它的区别呢

是有一个腔镜在外头

因此就叫垂直外腔腔面发射激光器

它的简称叫VECSEL

V E C S E L

两个名字都用

如果现在用这个薄片半导体激光器呢

它主要有什么特点呢

看一下就是主要是第一

跟现在的半导体激光器来做比较

第二个是跟固体激光器来做比较

刚才说过了半导体激光器

大家比较熟知的都是电致发光

就是有一个PN结

PN结有一个P形半导体

有一个n型半导体

它在PN结呢

电子和空穴对复合

这个时候如果加一个外加的电流

就可以出光

这个出光呢

又分为两种情况

一种就是这个激光器

它是从

异质结的这个边出光的

叫边发射激光器

还有一种呢

就是从它的表面发光

叫面发射激光器

它们各有特点是边发射激光器

可以输出的功率比较大

但是它的这个输出的光斑

基本上是一个椭圆的光斑

所以它就需要这个整形

面发射激光器呢

它是可以从表面发光

所以它的光束质量是比较好的

但是输出的功率是比较小

但是半导体激光器的优点

和固体激光器相比

就是前面讲这个SESAM的时候讲过

半导体的发光是

它的波长取决于那个禁带宽度

而禁带宽度是和半导体中的

掺杂组份有关系的

因此它的波长可以设计

这个是半导体激光器的优点

而固体激光器呢

一般的来说是一个晶体

然后腔是在外头

固体激光器一般用的是光泵

固体激光器的优点

就是它的光束质量是很好的

并且输出功率是可以做得很大

但是它的缺点就是

它的输出波长取决于晶体的能级

这个能级基本上是固定

所以不可调

综合这两个器件的优点呢

这一章呢

用了一个叫光泵半导体激光器

就是芯片

仍然用的是半导体芯片

因此它的波长可以设计

但是它的腔型呢

是用采用了固体激光器的腔型

外面有一个外腔

因此它的输出功率

可以做的比较高

光束质量也可以很好

而且它是光泵的

光泵的话就是

等于掺杂的时候不掺杂其它的介质

因此呢

它的外延生长起来是

相对来说比较简单的

就因为无掺杂

没有电接触

因此呢

这个光束的质量可以做的是比较高一些

并且就是因为它是一个外腔式的

就是上面那个端镜是有一个外腔

因此在这个腔内可以放一些调制元器件

比方说倍频晶体或者是锁模元器件

因此可以获得倍频和锁模输出

本章讲的主要是

锁模的光泵半导体激光器

这个就是光泵半导体的激光器的基本结构

就是左边有一个小的芯片

看见挺大

其实它是一个小的薄的半导体芯片

半导体激光器因为随着温度的变化

它的波长是会漂移的

因此它需要一个冷却系统

然后把这个腔镜放到外头

这样子呢

激光就从这边输出来了

所以它的特点就是

可以获得高光束质量和高功率

并且发射的波长也可以做设计

另外可以获得倍频锁模

以及一些其它的特征的激光输出

所以它有很多的用处

比方说可以用在环境检测频率变换

激光显示

包括光通信

成像以及微加工领域

目前来说呢

光泵半导体激光器的锁模激光器

主要有这些发展的过程

第一个光泵半导体激光器

是在97年出来的

这个大概是输出的功率

是在0.5个W以上

被动锁模呢是在2000年出来的

被动锁模

里头主要用的是有一个调制元器件

但是后来的发展过程中发现

光泵半导体激光器可以有不同的锁模方式

首先就是可饱和吸收体锁模

包括SESAM

SESAM半导体可饱和吸收镜

还可以是材料类锁模

同时呢

因为半导体后来发现它自身也

虽然它的那个非线性效应比较弱

但是它也有非线性效应

因此也可以获得自锁模

另外一个就是

前面讲半导体可饱和吸收镜的时候

讲过半导体可饱和吸收镜

也是用的是量子阱锁模量子阱调q

或者是锁模

这个光泵半导体激光器的增益介质

也是用的是半导体的量子阱

因此呢

看看是不是可以把它们两个集成到一起

就变成了集成锁模的

光泵半导体激光器叫MIXSEL

还有一类呢

叫同步泵浦锁模激光器

跟固体的是一样的

现在目前还有一个研究的方向呢

是双波长

因为双波长它可以有一些其它的特殊用处

所以现在双波长呢

也有一些在研究

这个就是锁模激光器

光泵锁模激光器的主要的方式

第一部分呢

就是SESAM锁模

这个用得比较多一些

这个装置左边实验装置是一个

典型的SESAM锁模激光器

泵浦光从上边儿过来打到芯片上

然后这个芯片

结构很简单

有一个腔镜

芯片自己本身也是可以做反射镜的

所以这个是第二个反射镜

然后里面加一个SESAM

加一个可饱和吸收体

这样就可以获得锁模输出

右边是我们实验室的一个

实际的装置图

实际的装置图

大家可以看得到

在那个热沉身上

就那个铜块上

是贴了一个半导体芯片

然后

右下角这里边儿是有一个SESAM

然后光泵得上面的那个是一个光泵

右边是一个外腔镜

这样子就形成了一个很简单的

锁模半导体激光器

目前来说

SESAM的锁模激光器呢

是比较成熟一些

这个列表呢

给出了一些比较标志性的参数

比方说

16年获得的最窄的脉宽呢

大概是96飞秒

另外呢

大家刚刚看到那个谐振腔是比较简单的

因此它的那个重复频率可以获得比较高

在10年的时候

它在重复频率可以达到了147GHZ

重复频率已经相当高了

其它的呢

就是有一些参数

这个是一个

除了SESAM锁模以外

还有一个锁模方式叫做自锁模

就是刚才说过的

它半导体材料里头本身也有非线性效应

它也提供克尔效应

所以右边的图是一个

量子点结构的光泵半导体激光器

它的自锁模装置就联系上面也没有了

腔镜就更加的简单

左边这个呢

它叫克尔锁模

就是里头加了一个克尔介质

下面的那个km

给它提供辅助的克尔效应

因此可以产生克尔锁模

或者叫自锁模激光器

第三种就是刚才说的叫集成锁模

集成锁模就是把

半导体芯片和可饱和吸收体长在一起

就变成了一个片子了

可以看一下左边的实际的图

它更简单

就其实就是一个芯片和一个外腔镜

这个芯片上的长了两部分

看一下中间或者是

下面这个图分两大部分

这个芯片里头有两个DBR层

DBR是作为反射镜的

一个反射镜式反射泵浦光

就是下面那个红颜色的光

让泵浦光在第一个DBR反射回去

然后让振荡光呢

是那个绿颜色的光

是经过了可饱和吸收体

然后被调制之后

从第二个DBR反射回来

这样子呢

就同时

可以具有增益

又有可饱和吸收

同时产生锁模脉冲输出

它的电场的设计呢

芯片的电场设计呢

就是那个电场的峰值要对应到

器件中的量子阱的那个位置处

这个就是右边的那两个图

有了这个装置之后

就可以获得MIXSEL的

激光输出

因此呢

MIXSEL它的重复频率

可以做得比较高

目前来说呢

在10年获得

重复频率是101.2GHZ

它的那个脉宽是在253个飞秒

大家说

既然MIXSEL这么好

为什么还要把

增益介质和可饱和吸收体给它分开呢

这个原因主要是在生长过程中

不太好生长

这个是瑞士联邦工学院的那个

U.keller了它们组获得的一个实验结果

它主要是说什么的

前面我们讲

可饱和吸收体的时候

要使它的

可饱和恢复时间要快

要快的话它就要里头有缺陷

缺陷就使得长这个材料的时候呢

它的条件

就主要的一个条件就是低温生长

低温生长产生材料的缺陷

但是激光器中

是不希望它有缺陷的

所以增益芯片的生长

是要高温生长

那因此在长的过程中

因为两个芯片如果是连续长的话

就会出现一些问题

所以MIXSEL虽然它有它的优势

但是因为工艺的问题

所以目前也不是特别的普通

还有一种泵浦的方式呢

叫做同步泵浦锁模

光泵半导体激光器

这个装置是一个同步泵浦的

同步泵浦跟

固体的那个同步泵浦原理是一样的

就是泵浦光

是一个脉冲光

让脉冲光它的重复频率

和谐振腔的腔长相匹配

就是精确的匹配

这个时候就等于

给一个泵浦光就出一个脉冲光

所以这个装置呢

是一个同步泵浦锁模

最后呢

我们介绍一下

说双锁模

就是双波长锁模

就是刚才说过了

因为想要得到一个双波长的

超短脉冲序列可以做

比方说

气体探测呀

一些特殊的应用

那双波长呢

怎么做呢

其实是在这个谐振腔中

加一个调制器件

说白了

其实就是一个小的玻璃片

是一个Etalon

Etalon

大家知道它有一个自由光谱区

如果自由光谱区的两个峰值

是在增益介质的增益范围之内的

就可以输出两个波长

这个图是在16年获得的

一个双波长锁模的激光器

这个这是它的输出结果

上面的这两个图呢

是双波长的输出结果

一个是时域图

就是它的自相关曲线

一个是它的脉冲序列

下面的这个呢

是单波长的脉冲的图形

那就是单波长的自相关曲线

这个输出来呢

大家看一下它的

最右下角是它的光谱图

光谱图的中心波长是在1008纳米的

它的脉宽呢是在45皮秒

这个是双波长输出

这个是光泵锁模半导体激光器的

一些基本的发展历程和基本的介绍