热光可调激光器系统的制作方法
热光可调激光器系统的制作方法
【专利摘要】一种可调激光器包括：固态激光介质，具有光学增益区，并且通过晶面产生相干辐射。透镜收集相干辐射并且产生准直束。外腔的部件包括反射面和光学滤波器，所述反射面将准直束反射回透镜和激光介质，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间并且具有两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热可调光学透射带。所述光学滤波器(1)在所需的操作波长下透射入射的准直束的主要部分，以及(2)从每个表面镜面反射入射的准直束的其余部分，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成非零角度地传播。
【专利说明】热光可调激光器系统
【发明内容】
[0001]能够根据输入参数改变光学透射的可调光学部件在光学器件中具有许多应用。一个示例是具有压电换能器的空气隙标准具，所述压电换能器可以根据电信号改变它的空气隙，从而改变光学通带。另一个示例是由于硅的折射率的温度依赖性而具有根据标准具温度变化的通带的硅标准具。
[0002]量子级联激光器(QCL)是单极固态激光器，所述单极固态激光器实现了红外波长的激射，包括在分子光谱学相当感兴趣的3μπι和13 μ m之间的范围内的波长。QCL在不同的设计结构中可用，包括分布反馈(DFB)和法布里-波罗(FP)激光器。在许多波谱学应用中特别感兴趣的是可调激光器，可调节激光器是一种通过工作参数的调节可以实现不同波长下激射的激光器。可调节的参数可以包括激光器的工作温度或者激光器驱动电流。DFB或者FP结构的激光器典型地通过这些调节具有非常有限的补偿调谐范围，因为在这两种结构中激光腔局限于QCL激射介质。但是将激光腔扩展到QCL介质外部的外腔器件并不具有相同的限制。通过使用光栅或其他波长选择部件，如果激光器的增益介质支持，则可以实现相对较宽范围的调谐范围，超过中心波长的20%。可以实现宽增益区是QCL在分子光谱学中特别有吸引力的一个特征，因为其有助于提供改进的背景区别、并且提供利用单一激光器检测感兴趣的多种材料(气体、液体和固体)的吸收线的能力。因此，使用波长选择部件将激光器调谐至多个波长的方法是感兴趣的，尤其是那些在包含医药、工业、环境、军事和生物市场的应用中制造成本低并且具有环境稳定性的那些方法。以下的公开描述了热光可调滤波器的多个实施例以及热光可调激光器的多个实施例，所述热光可调激光器包括一个或多个热光可调滤波器作为波长选择器件。
[0003]在一个实施例中，外腔激光器在激光器的外腔内包括量子级联激光器(QCL)以及一个或多个热光可调(TOT)滤波器。使用微机械(MEMS)工艺技术来制造所述滤波器，并且所述滤波器包括一个或多个光学腔，所述光学腔包含至少一种热光材料和由具有不同折射率的至少两种材料制成的分布式布拉格反射器(DBR)反射镜，所述两种材料可以本质上也具有热光性质或者可以不具有热光性质。这里所述的热光材料指的是具有随温度变化的至少一种光学性质(例如其η或k值)的材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]根据如【专利附图】
【附图说明】的本发明具体实施例的以下描述，前述和其他目的、特征和优势将变得清楚明白，其中贯穿不同的视图，相似的参考符号表示相同规定部件。附图不必按比例绘制，而是将重点放在说明本发明各种实施例的原理。
[0005]图1是激光器系统的方框图；
[0006]图2和图3是依赖于波长的透射峰的曲线图；
[0007]图4和图5是示出了热光滤波器的细节的激光器系统的示意图；
[0008]图6和图7是滤波器结构的示意图；
[0009]图8-10是示出了滤波器结构的MEMS结构的图；[0010]图11-12是多层薄膜滤波器的示意图；
[0011]图13(a)和13(b)是滤波器结构的示意图；
[0012]图14-15是描述了集成电路结构布局的图；
[0013]图16是制造滤波器结构的基于MEMS的方法的流程图；
[0014]图17-26是描述了图16的制造方法的不同阶段的MEMS工件的图；
[0015]图27 (a)和27 (b)是TOT-QCL激光器有源滤波器区的示意图。
【具体实施方式】
[0016]图1将可调激光器系统10描述为包括量子级联(QC)激光器元件12和外腔部件，所述外腔部件包括透镜4、反射器14和热光滤波器16。通过控制器18控制操作，所述控制器向QC激光器12提供驱动电流，并且向热光滤波器16提供加热器控制信号。控制器18典型地响应于输入来操作，所述输入包括从用户或系统输入的高电平控制以及来自激光器操作的反馈(FB)，例如所述反馈可以是对于测量的激光输出功率、波长或空间模式、激光器或外腔部件的操作温度、激光器驱动电流的指示。控制器可以按照现有技术已知的脉冲波或连续波(CW)操作来操作激光器。当处于连续波操作时，控制器也可以产生一个或多个所需宽度和幅度的单一脉冲，以便辅助调谐激光器系统。发射器14构成了激光腔的一个端面。在所示的实施例中，反射器14是部分透射的，并且通过反射器14透射的光组成了激光输出。在另一个实施例中(未示出)，反射器可以是全反射的，并且激光输出直接由QC激光器兀件12的晶面产生。QC激光器兀件12包括QC激光器增益介质，QC激光器增益介质被配置为与反射器14和滤 波器16形成总的激光腔，从而在一些实施例中包括构成腔体其他边界的分离的晶面反射器(图1中未示出)。如现有技术已知的，QC激光器元件12可以提供光学增益，因此支持在相对较宽的波长范围内(称作“增益区”)的激光器操作。热光滤波器16是热可调波长选择器，其确立激光器操作的特定波长。如下面更加详细地描述的，操作波长的这种选择可以具有粗略部分和精细部分。
[0017]图2和图3说明了用于设计图1的激光器系统的两种不同的方法。垂直箭头代表热光滤波器16根据波长的透射峰。如下面更加详细地描述的，透射峰的周期性形状表征了光学薄膜滤波器的特定类型。还示出了“增益曲线”19，代表QC激光器12的增益-波长特性。图2示出了在示出为λ ^的波长下QC激光器12的增益区只与一个透射峰重叠的情况。可以通过QC激光器元件12和热光滤波器16的适当设计来实现这种有限的重叠，这种有限的重叠是粗略波长选择的示例——激光器系统将只在一个重叠透射峰的波长λ ^下操作。如下所述，可以在操作期间通过热光滤波器的温度调节来改变λ。的实际值，从而提供操作波长的更精细选择。
[0018]图3说明了另一种方法，其中QC激光器12的增益区与单一光学滤波器元件的多个透射峰重叠。在这种情况下，热光滤波器16包括两个分离的元件，一个元件表现出第一周期性的透射峰图案，另一个元件表现出第二(通常是不同的)周期性的透射峰图案。在图3中分别通过实线箭头和虚线箭头示出了这些。在这种情况下，在连续波操作条件下，只在两个元件都具有透射峰的波长(例如所示的Xci)下发生激射。在脉冲模式操作下，通常在充分重叠的波长下发生激射，所述充分重叠是以重叠的量来衡量的。热学地控制滤波器元件之一或者两者，以实现操作波长的精细选择。[0019]图3说明了在QC激光腔内可以如何调谐一对滤波器以产生光谱地改变的激光输出，例如所述激光输出可以用于气体感测。可以将两个滤波器设计为具有略微不同的光谱透射率，使得通过控制一个或两个滤波器的温度，可以实现通过两个滤波器的高透射率的操作波长。依赖于滤波器的类型，这可以称作游标调谐，并且滤波器可以是具有略微不同的自由光谱范围的标准具类型，以便实现所需的光学通带以及总体的调谐范围特性。
[0020]结合了以上原理的激光器可能对于感测多种气体特别有利。代替光栅调谐激光器的连续调谐或者机械切换滤波器的机械复杂度，这些热光滤波器可以设计为相对于设计用于快速热响应的滤波器以90%或99%的占空比(目标测量波长的重复时间周期的％)，从一个目标波长转变至另一个目标波长。对于具有三个可选择透射峰的组合滤波器设计，两个感兴趣的气体线和参考波长可以全部与高占空比一起包含在内。
[0021]尽管图2和图3分别与使用一个和两个滤波器元件相对应，也可以使用多于两个滤波器元件或者滤波器与其他光谱区分器件(例如衍射光栅)的组合。总之，确切的配置通常将依赖于QC激光器12的波长特性、滤波器元件的组合光谱特性以及对于具体应用的激光输出要求。
[0022]图4和图5示出了两种类型的示例配置，即，只使用一个滤波器元件和使用两个滤波器元件。在每一种情况下，QC激光器12具有高反射率(HR)背面涂层20和抗反射(AR)前面涂层22。HR背面涂层20和反射器14限定了激光器腔的边界，反射器14是部分透射的以便输出耦合激光束信号，通过透镜24的作用来准直所述激光束信号。在图4中，单一的薄膜滤波器元件26形成了图1的滤波器16，而在图5中滤波器16由一对薄膜滤波器元件30、32形成，如上面结合图3所讨论的。在每一种情况下，薄膜滤波器元件26、30、32优选地相对于光轴略微倾斜，以将反射光(参见下面所述的图6和图7)导引出腔室。光学透明的楔形衬底28、34、36可以用于保持薄膜滤波器元件26、30、32和反射器14的所需间隔和朝向。通常，对于宽度比毫米小得多的激光器晶片孔径和直径在几个毫米量级的光束，甚至偏移法向几度(例如< 10度)的入射角度足以实现这一目的。例如，比40度大得多的角度可能导致滤波器性能的减小，具体地滤波器通带的展宽。
[0023]可以将激光器系统安装到热导衬底和热电(TE)冷却器(都没有示出)上，并且QC激光器12和滤波器16与控制器18电连接，所述控制器18按照需要在器件之间提供电学控制信号。典型地，可以控制滤波器16的信号以随时间实现所需的温度(因此，光学透射率)。激光器系统可以包含在密封封装(例如“蝶形”封装或TO型封装)中，并且可以具有一个或多个透射窗口，使能光信号从激光器封装的输出。
[0024]尽管QC激光器12是所公开实施例的元件，可以代替地使用具有支持在电磁谱(例如，可见光、近红外和远红外光谱)的增益范围的多个波长下激射的能力的其他类型的激光器。对于任意给定的应用，将存在针对感兴趣波长的外腔设计和光学材料的相应选择。
[0025]在一个实施例中，反射离开滤波器(例如26)的反射光可以用于提供来自激光器的输出信号。可以将滤波器设计为实现用于提供所需输出信号功率级别的反射率。这种反射光可以是来自激光器的主输出信号(即，没有从发射器14或者其他光学元件耦合的输出)，或者可以是用于监测激光器工作性质(例如功率或波长)的次输出信号。次信号可以用作激光器的控制回路(例如图1所示的反馈FB)的一部分或者滤波器控制信号。因为每当准直束入射到滤波器上时产生反射光，可以针对每一个滤波器元件产生两个反射的输出信号。反射光可以从腔体中的另一个元件(例如反射器14)弹回，以便满足可调激光器系统的特定机械常数。
[0026]在系统的操作期间，入射准直束和反射准直束两者都将在所需的操作波长下。在滤波器上入射的准直束的反射百分比可以根据调谐TOT滤波器而改变，作为示例，使得反射的准直束的功率增加，从而增加了腔内损耗并且减小了通过部分透射镜14耦合的输出光的功率。TOT滤波器透射函数可以设计为使得反射的准直束的功率的百分比变化的变化速率比例如通过部分透射的反射器14直接耦合出腔体的激光输出的功率的变化速率大。这种增加的变化速率在提供用于系统控制的反馈信号方面可以是有利的。
[0027]反射的准直束可以用于产生其他类型的反馈信号。反射的准直束功率表示外腔内的损耗机制，并且是激光器效率的组成部分。当例如通过两个TOT滤波器的透射峰的不重合或者通过在与TOT滤波器的峰值波长不同的波长下操作TOT-QCL激光器减小了操作波长下的TOT滤波器透射率时，反射的准直束中包含的功率(以及激光腔损耗)增加。可能需要在将反射束中的功率与输出功率的比率最小化的情况下操作激光器。因此，当改变QCL的电功率或者当改变TOT-QCL波长时，反射的准直束功率与输出功率的比率可以用作至TOT-QCL控制器的反馈信号。
[0028]参考图5，如果一个滤波器(例如30)固定(即不是热学可调的)而另一个滤波器(例如32)是热学可调的，光谱覆盖可以不连续。然而，如果两个滤波器30、32都是可调的，则可以实现连续的光谱覆盖。
[0029]图6示出了实施例，其中将反射器14组合到与滤波器26相同的结构上，镜面反射面与光轴垂直以将反射光反馈到激光器增益介质(QC激光器12)，并且使用楔形衬底28以将可调滤波器26相对于激光器光轴对准。图6还示出了上述来自滤波器26 —侧的反射光27。
[0030]图7示出了另一个实施例，其中将薄膜滤波器30、32组合到公共的导热且光学透明的衬底40 (例如硅或者锗)的相对表面上，优选地使用楔形形状或者其他倾斜表面来将来自每一个滤波器30、32的反射光转向离开外腔。在另一个实施例中，如果公共导热衬底40包含“环形孔”以通过该孔在相对表面上的滤波器之间传送激光，则公共导热衬底40不必是光学透明的。按照这种方式，导热和/或导电材料(诸如铝之类的金属或诸如Al2O3之类的陶瓷)可以用作衬底。然后可以将公共衬底附着至TE冷却器以控制衬底的温度，或者提供对于外腔的热能化光学平台。也可以将这种TE冷却器附着至QC激光器12以同时辅助控制激光器的温度。也可以将两个以上的滤波器堆叠在单一的器件中，将滤波器和楔形形状的衬底组合在“三明治”的层中。
[0031]更具体地，在图7中，将两个薄膜滤波器30、32结构性地组合到公共底座42上，公共底座42典型地由一种或多种导热金属、陶瓷或半导体材料构成。所述结构包括标准具，用于提供参考自由光谱范围(用于确定操作波长)或者提供优选的纵模，以改进热光可调QC激光器(TOT-QCL)系统的稳定性。限定了材料支撑臂40的标准具包括:具有适当地光学反射涂层的一个表面，其形成了所述标准具的一个反射表面；以及第二表面，所述第二表面是用于滤波器30、32之一的热学和机械支撑结构。标准具腔室44可以是空气隙，或者是具有与标准具限定材料不同折射率的材料。滤波器30、32相对于光轴成角度，而标准具与光轴正交。如果标准具是空气隙类型的，那么所述间隙可以包含真空或者用气体来填充，所述气体在参考波长处提供光谱吸收，对于保持系统的波长校准和稳定性是有用的。支撑臂40是楔形形状的，并且可以设计为使得可调滤波器30、32平行、相对于光轴成非垂直的任意角度或者相对于光轴成相同的正和负角度，使得根据斯涅耳定律，光束不会偏离。固定两个支撑臂的载体42也可以固定部分透射的输出耦合反射镜，从而以光学对准的方式固定可调滤波器、标准具(可选的)和反射镜。在另一个方面，可以将透镜安装到载体，从而提供用于与激光器对准的单一组件，并且还提供单一的热能化组件。
[0032]在另一个实施例中，可以将热光滤波器沉积到诸如透镜24之类的透镜的表面上，或者沉积到可以结合到透镜的曲面上的柔性衬底。
[0033]图8-10示出了可调滤波器实施例的通用体系结构。在所示的实施例中，使用微机电(MEMS)和半导体处理技术将光学滤波器元件制造到绝缘体上硅(SOI)晶片上。图8说明了一个实施例，其中在光学滤波器元件52的外部的一个或多个层中包含光学透射的电阻片加热器50，用于改变光学滤波器元件52的温度。同样示出的是硅“处理晶片”54(例如，硅衬底)、加热器电触点56和通过掩埋氧化物(BOX)层58与处理晶片54分离的电引线(未示出)。图9-10示出了实施例的一个方面，其中在滤波器的热光腔室层内包含光学透射的电阻加热器60(例如，低掺杂晶体硅或锗)。图10中还示出了光学滤波器元件52的DBR反射镜62。在另一个实施例(未示出)中，在滤波器元件周围制造光学不透明加热器(例如，金属环加热器)。可以用作电阻加热器的光学透射材料包括但是不限于硅、锗及其合金。在另一个实施例(未示出)中，滤波器元件52包括SOI器件层，所述SOI器件层具有合适厚度以形成热光腔室，并且在所述层的上表面和下表面上具有沉积的DBR反射镜。所述光学叠层结构也可以设计为包括BOX层。
[0034]图11和12示出了如下构造的多腔室滤波器的示例，第一材料的偶数个四分之一波(QW)热光腔室层被具有更大或更小折射率的第二材料的奇数个QW隔离物层分离，并且被DBR反射镜包围。图11说明了具有三个腔室的设计，称作“32223三峰”，图12说明了具有两个腔室的设计，称作“4224双峰”。对于一起操作以执行调谐的滤波器对或单一腔室标准具，需要让滤波器在在透射峰之间具有不同的间距，可以通过按照具体的滤波器公式改变腔室层或隔离物层的厚度或者改变两者来实现这一点。具体的应用所要求的腔室设计和腔室的个数依赖于许多设计参数，包括要分解的波长的个数、所需的激光输出特性、在腔室和DBR反射镜中使用的材料、DBR反射镜对的个数以及滤波器光学机械热学设计要求。可以使用工业标准沉积技术(例如PECVD、IBS、电子束等等，取决于所沉积的材料)将这些层沉积到衬底上。
[0035]例如图11的三腔室设计可以用于测量例如在检测NO和NO2气体时有用的三个分立的波长。另一个三腔室设计利用两个反射镜对、三个4QW腔室、3个QW隔离物结构。用于高指数层和低指数层的材料示例分别包括但不限于无定型硅和Ta205。替代地，在反射镜对中使用的高指数层和低指数层两者可以由均不是电介质的材料构成。实际上，它们可以都是半导体(例如，硅和锗)，只要在感兴趣的波长下存在指数差异。必须注意选择与感兴趣的波长匹配的材料，因为甚至低至10_3的消光系数也可以导致谐振光学结构内实质上的滤波器透射损耗。
[0036]通过滤波器及其周围之间的热导率和滤波器的有效热质量来确定与滤波器的加热和冷却相关联的热时间常数。与周围热隔离的滤波器(例如，参见微测热辐射计结构)需要更少的功率来改变滤波器温度，但是也减小了滤波器的响应时间。类似地，较厚的滤波器典型地将具有较高的热质量和减小的响应时间(即，较长的时间常数)。
[0037]滤波器可以包括加热器元件和温度感测元件的至少一个。可以在单一的滤波器器件上使用一个或多个加热器。这将允许在滤波器两端的温度梯度的故意产生或者补偿与滤波器平均温度的控制分开。
[0038]加热器可以包括图案化的金属，并且温度感测元件(例如RTD)可以包括图案化的金属，其中图案化提供所需的电学和热学性质。可以使用诸如光刻或遮光板之类的技术来实现图案化。沉积的Pt、N1、Cr可以用作加热器材料。因为这些材料是光学不透明的，所以可以在波束路径外面对这些材料进行图案化。
[0039]也可以通过半导体材料(例如S1、Ge)的扩散掺杂来实现加热器。电阻器图案包括但是不限于环形加热器、盘旋形加热器或者片状加热器。
[0040]可以在控制回路中使用加热器和温度传感器，以随时间将滤波器设置在所需的温度。在一个操作方面，可以随时间将温度保持在特定的温度。在另一个操作方面，温度可以倾斜上升，接着是冷却或者稳定时间段。在另一个实施例中，与滤波器热学耦合的TE冷却器可以用于将滤波器的温度降低为小于环境温度，或者加速滤波器的冷却周期。
[0041]在操作期间，TOT滤波器可以经历在有源滤波器元件两端的热梯度(即滤波器中具有可调透射并且与激光束光学相互作用的部分)。在一个示例中，将滤波器和片状加热器限定为在四个边(例如图8中，BOX层58在加热器58下面延伸)上热学地附着(即与热沉相接)的薄热绝缘隔膜顶部的宽条带。因为峰值透射波长将在滤波器平面两端改变，从而在滤波器上入射的准直束两端改变，所以滤波器温度梯度可以加宽光谱带通并且增加滤波器的平均透射损耗。热学梯度可能起因于多种因素，包括滤波器的机械设计和热隔离结构、导热路径的量和物理位置、滤波器中激光束的吸收性加热、温度传感器的加热以及加热器引起的不均匀性。在一个实施例中，可以设计加热器或热隔离区的形状和电阻系数以减小由诸如激光器吸收之类的其他来源引起的不均匀性。例如，滤波器周围或者贯穿热隔离隔膜上的滤波器而嵌入的加热器可以具有高电阻率区和低电阻率区，或者高图案密度区和低图案密度区，以按照通过热隔离结构抵消不均匀热损耗的方式来提供隔膜的不均匀加热。类似地，与滤波器的一个表面接触的透明加热器可以设计为具有不均匀的厚度或物理位置或者图案，以便通过激光的吸收来抵消滤波器的加热。准直束也可以是本质上不均匀的，因为可以是由于非对称光束、高斯波束形状、或者多个横向空间模的存在而引起的。也可以对加热器整形以减小由于这种准直束产生的不均匀吸收性加热而导致的温度梯度。
[0042]附加地，如图13(a)和13(b)所示，可以将滤波器透射率构建为使得滤波器透射率在滤波器结构两端(即与光轴垂直)空间地改变，以便抵消热不均匀性并且保持所要求的滤波器光学性质。作为示例，可以通过在滤波器中心比滤波器边缘略薄(更短的波长)的位置进行故意的膜沉积来补偿可能将较高的温度(因此更长的波长)集中于滤波器中心处的热不均匀性。图13(a)和13(b)(没有按比例绘制)示出了空间变化的滤波器52，所述空间变化的滤波器52具有热光腔室62和在腔室62的上表面和下表面上的DBR反射镜对62。在图13(a)中，空间变化是腔室62的厚度的一系列离散台阶。在图13(b)中，空间变化是腔室62的厚度的连续变化。这可以通过使用现有技术中已知的光刻胶显影、刻蚀、沉积和掩模技术(例如，部分光刻胶显影以产生刻蚀速率的空间变化)来完成这一处理。图13(a)的滤波器的离散厚度台阶可以用作衍射光栅，所述衍射光栅改变滤波器的透射光和反射光。这种台阶尺寸、间隔和形状(例如，矩形、圆形等)可以被设计为如TOT-QCL内的非热可调光学兀件或光栅来执行，以散开一定波长的光。
[0043]图14和15示出了示例TOT滤波器布局，TOT滤波器布局具有结合焊盘70、金属连接线72、由图案化的热隔离腿80组成的热隔离区78、由加热器74构成的热隔离平台82、两个四点测量电阻温度检测器(RTD)温度传感器(未示出)以及热光滤波器区76。在这一方面，所述布局具有对称性以减小由于加热器、RTD温度传感器和接合焊盘的引线的热导率产生的热学梯度。在另一个实施例中，热隔离区可以是非图案化的，并且可以是一种或多种材料的固态片。在另一个实施例中，将热隔离区78图案化为具有不同几何形状的隔离腿80，以改变热光滤波器区76的热隔离，并且按照这种方式改变滤波器的时间响应以及加热器为了实现滤波器温度的给定变化所需的功率。图15示出了具有环形加热器74和梯度加热器84(为了清楚起见省略了连接引线72)的热隔离平台82的另一个实施例。如将要考虑的，梯度加热器82在增加或降低热光滤波器区76中的热梯度方面是有利的。
[0044]在所示的实施例中，加热器74是在热隔离平台82上的滤波器76周围的“环形”类型的加热器，如在后续的图中清楚的。类似地在该实施例中，将两个RTD类型的温度传感器放置在热隔离平台82上的加热器附近。也可以使用更少或更多的温度传感器和其他类型的传感器。与现有技术的加热器实施例类似，代替环形加热器或者除了环形加热器之外附加地，加热器可以包括热光滤波器区76中内的一个或多个层。加热器也可以是放置在热光滤波器区76内部或外部的光学透明层。可以使用具有所需性质的材料来构建温度传感器。例如，适当掺杂、厚度和形状的硅可以用作温度传感器，也是形成层、滤波器反射镜或四分之一波长腔室的材料。
[0045]图16至图26描述了滤波器方面的制造工艺，其中通过SOI硅晶片的器件层近似地限定了滤波器腔室。说明了用于制造这里所述的滤波器方面的技术。在所示的实施例中，热隔离区包括滤波器的反射镜层，并且按照这种方式，反射镜材料用作热隔离结构，并且用作光学滤波器结构以及对于滤波器区上的器件的机械支撑。其他实施例也是可能的，包括热隔离区内使用更少的反射镜层以便改变热隔离，或者使用一个或多个腔室层来实现类似的结果。在所示实施例中，加热器和温度传感器的电引线也与热隔离区相交，并且进行图案化以在保持可接受的电导率的同时增加热阻。因此，图案化的引线包括热隔离区，并且在一个实施例中可以专有地包括热隔离区。
[0046]如图16所示，制造工艺包括以下步骤:
[0047]1.在80，执行前侧硅机械加工。这包括使用KOH用于倾斜侧壁，以及剥离和重新沉积LPCVD氮化物，除非是平滑且未损坏的。图17-19说明了处理的中间阶段。
[0048]2.在82，前侧加热器集成。这包括Ti金属化以及大致50um倾斜形貌上的图案化。在图20中示出了这种情况。
[0049]3.在84，沉积前侧反射镜，所述前侧反射镜可以是SiNx/SI或者Ta205/Si或Ge/Si。这一步骤包括刻蚀接触焊盘孔，并且可能得限定用于高热阻的支撑桥。在图21中示出了这一过程。
[0050]4.在86，后侧硅机械加工。锗包括使用硬固化的聚酰亚胺保护前侧，然后是对氮化物硬掩模图案化、KOH和BOE。在图22-23中示出了这一过程。[0051]5.在88，沉积后侧反射镜，这再次可以是SiNx/Si或者Ta205/SI或Ge/Si。这是毯状涂层-没有进行图案化-如图24所示。
[0052]6.在90，完成工艺，所述工艺将典型地包括划片和其他修整步骤。在图25-26中示出了这一过程。在该实施例中，使用对于MEMS技术中的普通技术人员已知的多种技术的任一种将滤波器管芯焊接在一起，或者是在管芯级别或者是在晶片级别。
[0053]如前所述，可以对热隔离区图案化以实现滤波器岛的所需热隔离。可以通过考虑材料、工艺和布局来确定图案化的形状。可以确定所述形状以便实现滤波器岛两端的一定的热轮廓或者热梯度。在一个实施例中，加热器、激光束、滤波器热隔离平台、电引线、结合焊盘和热隔离区的形状和位置的一个或多个可以用于减小滤波器两端的热学梯度。在一个实施例中，作为示例，将电引线和结合焊盘定位和图案化为例如具有对称性，因此减小了滤波器岛、热隔离区以及在与滤波器岛相对一侧上的热隔离区周围或者附着至热隔离区的区域中减小的热学梯度。
[0054]一@细节和替代
[0055]TOT-QCL激光器，其中滤波器元件的光学面积大于激光器的准直束。在一个实施例中，滤波器直径比光束的Ι/e2直径(在上下文中，所述直径通常指的是与光束传播方向正交方向的光束二维空间尺度，并且并不意味着严格暗示了圆形或对称的光束横截面)至少大22%。在改进滤波器的热学均匀性方面是有利的。
[0056]图27所示的TOT-QCL激光器，其中有源滤波器区面积110小于激光器112的光束的面积，并且在激光束的光路中的滤波器区(排除了有源滤波器区)是不同光学透射率的非可调滤波器区114。这些非可调滤波器区114可以具有高透射率以确保通带内良好的平均光学透射率。非可调滤波器区114可以包围滤波器，如图27a所示，或者可以按照检查板或其他图案散布在滤波器中，如可以使用如图27b所示的光刻技术实现的。在一个实施例中，有源滤波器面积110比光束的Ι/e2直径(或者所说的面积)至少小22%。这方面在减小滤波器的热学质量、改进均匀性或者产生所需级别的波长选择性和腔室损耗方面是有利的。在另一个实施例中，非可调滤波器区可以是可调的，但是具有与有源区域不同的可调透射性质。
[0057]TOT滤波器，其中包括腔室或DBR反射镜的一种或多种材料是导热的，以提供改进的热均匀性，因此提供滤波器两端的波长均匀性。
[0058]TOT滤波器，其中向滤波器结构添加导热且光学透明材料以提供滤波器两端改进的热均匀性。在另一个方面，这种材料也是导电的。在另一个方面，这种材料可以是部分反射的。可以使用硅或锗。
[0059]TOT-QCL激光器，其中当入射光只是部分准直或者非准直的时，可以通过使用弯曲表面来针对增加的透射率或者改进的精细度而设计滤波器。
[0060]图26的TOT-QCL激光器封装或者集成滤波器间隔200具有回填气体，所述回填气体也用于以下的一个或多个:(i)用作滤波器，用于产生针对激光器的参考信号或准直信号的目的；(ii)用作滤波器，用于至少部分地确定激光器的输出波长；(iii)更改加热或冷却期间滤波器的时间响应。然后可以针对调谐速度来权衡输入功率。
[0061]在SOI晶片中使用掩埋氧化物作为后侧刻蚀的刻蚀停止层，掩埋氧化物也用作光学滤波器的光学机械设计的一部分。[0062]TOT滤波器，机械地附着至QC激光器的晶面，并且也可以与具有等于或大于I的折射率的材料光学耦合。光学耦合的材料可以设计为相对于硅或者在QCL的光学腔室中使用的材料具有低热导率的材料。这种滤波器可以是弯曲的或者可以厚度改变以适应QC激光器的发散光学输出。
[0063]TOT滤波器，具有与光轴标称垂直的空间厚度梯度，所述空间厚度梯度补偿了以下的一种或多种:(i)滤波器中的热学梯度；(ii)在滤波器上入射的发散或会聚光束。
[0064]TOT滤波器，具有与光轴标称垂直的空间厚度梯度，所述空间厚度梯度是使用光刻技术制造的。所述厚度梯度可以是均匀地正或者负(即，从滤波器中心到边缘的厚度变换是恒定的)，或者所述梯度可以按照离散的正或负步长变换(即，通过使用如在MEMS处理中常用的离散光刻刻蚀步骤)。
[0065]TOT-QCL,在激光器腔室中具有热学受控元件，通过热学地改变元件的折射率来改变光学腔室路径长度。在一个实施例中，热光材料的单层是在两侧涂覆的AR，并且具有集成加热器，所述集成加热器用于改变温度、进而改变元件的光程长度。
[0066]TOT-QCL中的热光滤波器，将激光器脉冲接通或关断，或者通过改变滤波器的温度并因此改变其透射率来实质上调制激光输出，从而在不改变供应给激光器的电功率的情况下使能激光器的脉冲操作或时变操作。这一方面也可以用作AC耦合的检测器的光学调制器，例如热电红外检测器。
[0067]在TOT-QCL中的热光滤波器，其中同时控制滤波器的温度和激光器的功率以实现激光器的所需光谱输出。例如，对于按照脉冲模式操作的激光器，通过脉冲驱动激光器电功率并且控制滤波器的温度，可以调制激光输出，使得在比不存在热滤波器的情况下所实现的更小的时间段来实现激射。按照相同的方式，也可以控制脉冲期间的光谱线宽或者激光器模式的个数。
[0068]T0T-QCL，其中根据TOT滤波器的温度改变至QCL的电功率或者激光器温度，使得实现所需的激光输出特性。这种输出特性可以包括激光功率级别、激光纵模或横模、同时的激光模的个数以及激光波长的一个或多个。
[0069]T0T-QCL，其中根据激光器温度或激光器电功率改变至滤波器的电功率或者滤波器温度，使得实现所需的激光输出特性。这种输出特性可以包括激光功率级别、激光纵模或横模、同时激光模的个数以及激光波长的一个或多个。
[0070]T0T-QCL，其中QCL中的增益介质(I)实现了光谱区域中的激射，在所述光谱区域中感兴趣的一种或多种物质具有感兴趣的光谱特性；以及(2)激光器增益介质具有臂具有多个透射峰(例如，针对标准具类型滤波器的自由光谱范围)的TOT滤波器的透射峰之间的间距窄的增益轮廓。当TOT滤波器峰之一位于激光器增益窗口内时，只有在单一 TOT滤波器峰下面的那些激光器模式将激射。按照这种方式，可以在TOT-QCL中使用更少的TOT滤波器。QCL可以特别地设计以匹配TOT滤波器特性，并且也可以设计为在多于一个感兴趣的光谱区域中操作，即具有多个增益区，每一个具有小于自由光谱范围的宽度并且通过不支持激射的低增益区相分离。
[0071]T0T-QCL，其中激光的吸收改变了 TOT滤波器的温度，从而改变了滤波器的峰值透射波长以及优选的激射波长。对于激光器操作连续波，当TOT滤波器透射峰移动至第二波长时，激光器可以仍然在第一波长下操作，从而导致了增加的腔室损耗和减小的激光输出。类似地，对于不是在TOT滤波器峰值的波长下的激光器操作连续波，当TOT滤波器透射峰移动到第二波长时，激光器可以仍然在第一波长下操作，从而导致减小的腔室损耗和增加的激光输出。
[0072]当与第二 TOT滤波器组合时，由于激光吸收导致的第一 TOT滤波器中的透射波长变化可以依赖于两个TOT滤波器的峰值透射的相对对准程度来增加或降低激光输出功率。作为说明，如果将一个TOT滤波器的透射峰波长对准在第二 TOT滤波器的透射峰的斜面上，一个滤波器相对于第二滤波器的透射波长的小变化可以导致相对较大的插入损耗、因此相对较大的激光功率。这一方面在光谱应用中是有用的，在CW或脉冲操作中提供对于激光功率调制的附加增益。在设计的另一方面中，可以对激光器输入电信号进行调制。T0T-QCL，激光的吸收按照空间不均匀方式改变了 TOT滤波器的温度，从而加宽或者变窄激光输出的波长线宽(例如，纵模的个数)。通过改变QCL的电流(即，电功率)，激光功率将改变，从而吸收感应的线宽展宽的量将改变。这一方面可能在光谱应用中是有用的，以在保持恒定激光器中心波长的同时提供在CW操作或脉冲操作中的改变的探测线宽。在设计的另一个方面中，可以相应于激光功率的变化来改变TOT滤波器温度，以维持优选的透射波长。
[0073]T0T-QCL，其中TOT滤波器用于维持恒定的操作波长，以改变QCL温度、改变QCL功率级别或者改变周围或其他环境条件。
[0074]T0T-QCL，其中TOT滤波器和第二光学滤波器用于维持恒定的操作波长，以改变QCL温度、改变QCL功率级别、改变周围温度或其他环境条件。可能需要调制的QCL功率以向AC耦合的红外检测器提供光信号，例如热电或声学检测器，或者可以通过改变检测宽度来改进系统灵敏度，例如利用同步锁定放大器或光谱信号处理来执行。
[0075]TOT-QCL还包括两个滤波器:Τ0Τ滤波器和具有实质上较低热光系数的滤波器，从而消除了控制第二滤波器温度的需要。第二主要绝热滤波器可以用于限制落在QCL的增益曲线内的有用TOT滤波器透射峰的个数。作为示例，空气隙标准具可以用作绝热标准具。
[0076]TOT-QCL还包括滤波器和光栅。与使用机械运动进行调谐的光栅调谐外腔QCL的间题是实现波长稳定性和可重复性的困难。光栅和TOT滤波器，其中光栅提供在宽光谱范围上的粗略调谐能力，而TOT滤波器提供在光栅的每一个机械位置处的精细调谐，提供改进的波长稳定性和可重复性。将TOT滤波器的调谐范围设计为超过粗略调谐步长以及在光栅设计中的波长不确定性的量或者可重复性误差。例如，光栅调谐的QCL可以具有波长随时间的不确定性0.2CHT1，并且TOT滤波器可以具有0.4cm-1的调谐范围。在一个实施例中，可以将滤波器和光栅组合到公共衬底上。
[0077]在TOT-QCL的另一个方面，可以将第二加热器添加至TOT滤波器的第一加热器以在滤波器两侧引入热梯度，从而改变有效滤波器精细度和激光器线宽。第二加热器的功率可以是恒定的或者是时间变化的，从而设置精细度或者线宽、或者感应出时变的精细度和线宽。按照这种方式，可以动态地改变激光器纵模的个数、反射的准直束功率或者激光输出功率，波长有变化或者没有变化。加热器可以采取沿滤波器一侧的条带形式，导致了从滤波器一侧到另一侧的近似一维的梯度。替代地，加热器可以采取在滤波器中心的“点状”加热器的形式，从而提供从中心到滤波器边缘的径向热梯度。当调制精细度时，可以一起控制第一加热器和第二加热器以保持恒定的平均透射波长。
[0078]在TOT-QCL的另一个方面，隔膜滤波器/标准具可以变形，允许其用作透镜。这可以故意地进行以改进或退化外腔，使得激光器接通或关断，并且使中心波长偏移。可以通过热感应的热膨胀失配或者通过隔膜两端的压力差来实现机械变形。
[0079]在TOT-QCL的另一个方面，在激光器增益区内具有多个光谱透射峰(“多峰”)的单一滤波器元件可以用在腔室内，以选择多于一个同时激射模式，其中这些激射模式不是相邻的或者处于连续的波长顺序。对于可以支持在Iambdal、lambda2和lambda3波长下的同时激射的激光器增益介质，这可以对于单一激光器是有益的以支持在Iambdal和lambda3而不是在lambda2下的同时激射，并且这可以通过结合在Iambdal和lambda3而不是在lambda2下具有透射峰的TOT滤波器元件来实现。可以通过二向性滤波器或者通过使用分立滤波器来在激光输出功率检测器处实现波长区分。
[0080]在TOT-QCL的另一个方面中，在激光器增益区内具有多个光谱透射峰(“多峰”)的TOT滤波器可以用在激光腔中，以选择多于一个非同时激射波长，其中TOT滤波器温度保持恒定。激光器操作条件中的一个或多个变化可以用于实现非同时激射，包括作为脉冲激光器(即，激光器接通和关断)操作、改变脉冲占空比、改变脉冲持续时间、改变激光功率或者改变激光温度。作为示例，考虑在波长I和波长2具有通带的多峰滤波器(或者滤波器的组合)。如果在波长I操作时改变激光温度，那么可能在波长3下引入不同的操作波长。然而，利用插入到激光器腔中的TOT滤波器，波长3对于激光器操作不比波长2优选，并且激光器将在波长2操作。按照这种方式，可由优选地选择或排除一定的操作波长，例如需要与一定的参考波长相结合来选择特定的气体吸收线。
[0081]可以通过两个TOT滤波器进行游标调谐使得两个波长具有等价的透射特性，来实现多峰TOT滤波器。可以通过TOT滤波器调谐中的较小变化或者通过在操作条件中感应出一些气体变化，来迅速地在不同的波长之间切换，例如改变激光器操作温度或者驱动电流，从而改变QCL曾益曲线特性。当按照CW模式操作时，有利地是通过暂停CW激光器的优先级以保持其电流操作波长来脉冲驱动激光器电流，以辅助实现新的波长，而不管另一个波长下产生更多的有利操作条件。使用不同类型的滤波器或者前述滤波器的组合，多峰滤波器包含了多于两个峰的可能性。
[0082]本领域普通技术人员应该理解的是不可调多通带滤波器可以实现这些结果，而无须动态地调节新的波长或者操作条件的能力。然而，可调TOT滤波器可以是优选的。例如，由于环境条件(例如，外腔温度)或者激光器增益轮廓(如随着老化或者强化实验而发生的)中的变化，TOT滤波器可以调节其通带特性以补偿这些变化，从而确保随时间和环境维持所需的操作波长或功率。
[0083]在TOT-QCL的另一个方面，在激光器增益区内具有多个透射峰(“多峰”)的TOT滤波器，其中滤波器透射峰可以设计为与激光器增益波长匹配(或者反之亦然)，以便实现在多于一个波长下同时激射或者由于TOT-QCL操作条件(例如，激光功率、脉冲持续时间、功率级别或温度)的变化而激射。
[0084]在许多工业应用中，激光器稳定性是用于实现可靠操作、通过背景扫描或平均化实现的信噪比改进以及低维护成本的重要准则。因此，用于改进激光器系统稳定性的技术是重要的。一个这种技术是通过系统的一种或多种元件的设计，减小系统对于环境或者系统混乱的灵敏度。透镜热能化是光学设计中的这种设计的一个示例。
[0085]考虑到T0T-QCL，其中增强一定的纵向腔模，使得特定操作条件下的小变化不会导致激光波长(EM-QCL)的变化。例如，可以通过QC激光器晶面的反射来产生纵模(例如，通过QCL的两个端面、QCL晶面之间以及外腔内的其他部分或全反射表面的晶面反射来产生光学谐振或腔室模式)。尽管需要面向外腔的腔体晶面(表面)上的良好抗反射涂层来减小这种模式的强度，也可以通过提供晶面表面的更大反射来加强这种效果。因此，激光器将具有增加的性能，以只在QCL腔室模式支持的那些波长下激射。因此，当TOT滤波器改变温度(或者例如，光学腔的有效长度随着腔室结构中的温度变化而变化)时，激光器将停留在一个波长，直到温度变化足以在另一个QCL腔室模式下产生优选的激射条件。作为示例，对于在4.5um下操作的典型QCL，QCL模式间隔可以是lnm，并且在从纵模到横模转变时TOT滤波器温度中的变化可能超过5摄氏度。因此，现在减小了对于TOT滤波器的温度稳定性要求。重要的是也减小了在TOT滤波器的整个温度范围的绝对温度精度。例如，如果TOT滤波器在400°C和500°C之间操作，其要求在500°C下5°C的温度改变来越过腔室模式，所述系统值需要将长期温度精度保持在2.5°C即可。然而，短期稳定性和长期可靠性的容限不是独立的，必须在系统设计中进行分配和平衡。
[0086]QCL的晶面可以是未涂覆的以便增强晶面反射率。可以将涂层沉积到晶面上，具有大于I %的反射率以增强腔室纵模。模式选择强度(通过增加晶面反射率)和将TOT滤波器调谐远离模式波长时发生的激光器阈值增加(当TOT滤波器调谐时可能导致激光功率的变化)之间存在折衷。
[0087]对于一些应用，Inm左右的纵向间隔可能是需要的。外腔内的其他表面可以用于获得所需的间隔。替代地，可以将诸如标准具或其他滤波器结构的模式产生光学元件引入到具有正确模式间隔和表面反射率的腔室中，以实现所需的波长和模式强度。可以将这些光学元件热能化或者安装到TE冷却器以实现所需的温度稳定性和可重复性。可以通过将元件相对于光轴对准来进一步调节模式间隔，并且通过机械装置(例如，压电驱动器)固定在位、或者实现动态可调。
[0088]激光器可以具有多于一种模式增强结构。例如，存在由如前所述的激光器芯片、EC(外腔)反射(或输出耦合)反射镜、另一个至少部分反射的表面以及EC内的其他光学表面产生的纵模。TOT-QCL可以设计为在不同的波长(或间隔)和不同的强度下具有多个模式产生结构(例如，图7的标准具腔室44)。例如，可以通过具有相对良好抗反射涂层的表面以及模式之间的较短波长间隔(即较厚的低Q标准具)来产生一组弱腔室模式，而可以在比第一组大的波长间隔(即，具有差AR晶面涂层的QC)下产生第二组较强的腔室模式。第一组腔室模式可以在一定波长下间隔开，以实现激光器是所需光谱分辨率。第二组腔室模式可以是便于在更大波长、较长的时间段、环境条件条件变化或者其他因素下的激光器校准的间隔。因此可以预想模式间隔和模式强度的不同组合，每一个相对于保持所需的波长或者功率可重复性、激光波长的稳定性或间隔、或者激光器操作条件的功率调制的具体级别具有特别的优势。
[0089]在所述的EM-QCL中，激光器可以按照脉冲操作或者连续操作模式操作。如果按照Cff操作，激光器可以“锁定”到给定的波长，使得当TOT滤波器用于调谐激光器时，激光器“固定”在给定的频率(和纵模)上，从而强制TOT滤波器调谐甚至超过TOT滤波器透射峰与下一个纵模对准的点，以实现在相邻纵模下激射波长的变化。这具有另外的缺点:当TOT滤波器调谐进一步远离当前操作波长的最优波长时，阈值功率增加，并且减小了来自激光器的输出功率。可以通过允许激光器在脉冲接通时在TOT滤波器与腔室纵模最靠近对准的波长激射，将按照CW模式操作的激光器脉冲驱动以减轻或者小于这种效应。
[0090]因此，对CW操作下的TOT-QCL激光器进行调谐的方法如下:
[0091]1.建立激光器的操作的第一波长，其中激光器的腔室纵模和TOT滤波器通带对准(注意:Τ0Τ滤波器可以包括一个或多个光学滤波器，并且腔室纵模可以是有TOT-QCL内的模式产生表面的组合产生的有效模式)
[0092]2.将TOT滤波器调谐到激光器的第二纵模的波长位置，所述激光器继续在第一操作波长下激射
[0093]3.减小单一脉冲下激光器的电功率，使得激光器在与激光器的第二纵模相对应的波长下激射
[0094]在另一个方面，按照非常长的占空比(即，99.9%全功率，1%减小的功率)并且相对于激光器用于收集数据的时间较短的脉冲时间(即I微秒)，来连续地脉冲驱动激光器。这替换了所述的步骤3。
[0095]在另一个方面，通过改变TOT滤波器波长以最大化激光功率的方法来确定腔室模式与TOT滤波器透射峰的对准。
[0096]在另一个方面，使用控制回路在给定的腔室模式波长下维持最大输出功率，其中以下方式实现控制:1)设置所需的操作波长；2)利用检测器监测激光输出功率；以及3)改变TOT滤波器的温度以实现所需的功率、或者功率和波长(输出量)。
[0097]在另一个方面，通过改变腔室模式确定装置的温度或其他操作条件来改变TOT-QCL的激射波长。作为示例，腔室模式确定装置可以是QC激光器，其中激光器的腔室模式是至少部分地由QC激光器的长度和温度确定的QC激光器的芯片模式。TOT滤波器的温度可以与腔室模式波长中的变化同时改变，以便保持腔室模式的波长和TOT滤波器对准。控制回路可以用于维持所述对准，其中调节TOT滤波器或者腔室模式确定装置以维持最大功率。
[0098]在另一个方面，控制回路可以操作以维持恒定功率而不是最大功率。通过这种装置，可以在每一个波长下保持激光功率恒定，其中激光器用于产生测量数据。
[0099]在另一个方面，可以通过改变输入到QC激光器的电流来改变腔室模式的波长。当激光器电流改变时，控制回路可以用于通过TOT滤波器的控制来维持恒定的激光输出功率。作为示例，可以控制相对于彼此调节两个TOT滤波器的透射峰的波长、组合的滤波器透射的中心波长和FWHM通带。在另一个方面，当改变QCL电流时，控制回路可以用于通过激光器温度的控制来维持恒定的激光输出功率。在另一个方面，当QCL激光器温度改变时，控制回路可以用于控制激光器输入电流。
[0100]在另一个实施例中，TOT滤波器(腔室或DBR材料)中的一定光学吸收特征可以用于提供波长基准。例如，已知由无定形硅构成的TOT滤波器具有在约5um周围的吸收特征。也可以将TOT滤波器设计为具有特定吸收特征的材料。例如，具有硅作为光学腔室的TOT滤波器可以具有掺杂有杂质的硅，当在可调波长上进行扫描时，所述杂质提供可以用作对TOT-QCL进行校准的光学基准的一个或多个吸收特征(即，所述滤波器在吸收波长下具有减小的透射，导致了相对于非吸收波长的激光输出功率调制)。替代地，可以将涂层沉积到滤波器上以实现吸收特征。[0101]模式产生光学元件也可以用作系统内的光学基准。
[0102]可以如图26所述地高度集成滤波器。在该实施例中，将滤波器管芯结合在一起，使用对于MEMS技术中的普通技术人员已知的多种技术之一在管芯级别或晶片级别进行结合。同样使用MEMS工艺技术，可以利用孔来密封或者减轻滤波器之间的间隙或腔室，以允许气体容易进入到滤波器之间的空间。有利的是对所述间隙进行密封和抽真空(可以使用晶片结合技术)或者用已知气体回填。所述气体的热导率可以比氮的热导率高或者低。所述气体也可以在基准波长下具有光谱吸收，对于保持系统的波长校准和稳定性是有用的。多于两个滤波器的堆叠也是可能的，所提供的空间或刻蚀的腔室用于避免热隔离滤波器元件之间的热接触，并且使用用于使能与掩埋引线的电接触的半导体技术。然后可以将作为单一组件的结合滤波器热学地附着至导热衬底或底座。
[0103]QCL的增益曲线也提供了基准波长。QCL增益曲线至少包含一个峰(图2)或者其他光谱特征，所述峰或其他光谱特征导致了 TOT-QCL的功率输出中的峰或光谱特征。QCL的增益曲线可以构建以提供增益曲线内的特征用作波长基准。当在增益曲线上调谐TOT-QCL时，可以对所得到的激光器的光谱密度输出进行分析以确定已知的QCL光谱特征相对于TOT-QCL滤波器温度的位置。按照这种方式，可以随时间重新校准TOT滤波器对于激光波长的校准，以考虑TOT-QCL系统中的漂移或不稳定。附加的光谱基准点可以用于增加基准校准的精度。
[0104]众所周知，一些激光器展现出横模和纵模。QCL可以具有单横模(例如ΤΕΜ00)，或者可以展现出多个横模。在许多应用中，单一 TEMOO模是优选的。然而，由于设计或制造，给定的QCL可能展现出非TEMOO行为。外腔中的TOT滤波器可以用于在QCL激光腔中提供反馈，以优先地选择优选的横模操作。可以通过提供针对优选操作模式的极高的腔内增益来实现优选的反馈。TOT滤波器可以设计为具有与光程正交的空间梯度，以增加一定的激光器横模的损耗。在另一个方面，滤波器可以被在QCL的操作波长吸收或者是非透射的材料包括，使得当准直束通过滤波器时阻挡了准直束的一部分。
[0105]尽管这里描述的许多实施例对于用作外腔激光器中的腔内元件是有用的，它们也对于用作激光器或其他光源的可调波长选择滤波器是有用的，所述激光器或其他光源在多个波长下具有光谱输出，例如法布里-波罗QCL。可调滤波器可以用于选择针对光源的感兴趣的光谱波长的一个或多个。
[0106]TOT滤波器也可以与QCL结合使用以产生如前所述的在多个波长下同事发射的激光源。作为示例如前所述，单一的TOT可以具有在TOT滤波器的自由光谱范围间隔开的多个通带。当用作EC-QCL中的可调元件时，激光器可以进行操作，使得激光器在多于一个波长下产生光学输出，在所述波长处TOT滤波器通带和以上的阈值激光器增益曲线相交。然后可以在自由光谱范围上调谐TOT滤波器以实现完整光谱覆盖，虽然在TOT滤波器的每一个操作点具有多个激光输出波长。
[0107]这种同时的波长激光源可以用作如在Pflugl等人(US2011/0058176A1)中的高亮度宽带源。然而，尽管Pflugl描述了静态的宽带单一光源(例如，FP激光器)或者用作单一光源的多个窄可调宽带源，我们描述了一种同时产生多个窄光谱发射的单一激光器，可以随时间进行调谐以产生所需的宽带光谱波长覆盖。
[0108]当与诸如干涉仪之类的波长色散元件相结合时，这种TOT-QCL同时波长源可以利用单一的激光器实现宽得多的光谱覆盖(使用扫描和可调谐性)，或者实现与阵列QC激光器相同的覆盖，所述每一个阵列QC激光器的每一个在不同的波长下操作(可能无需扫描并且具有窄的FSR)。与利用两个TOT滤波器来实现单一操作波长的模式操作相比较，同时的源和干涉仪消除了对于第一 TOT滤波器的需要，同时在通过干涉仪同时测量的光谱波长处提供之前不能获得的(利用宽带相干源)非常窄的高功率光谱线。
[0109]当用于干涉仪时，可以按照更慢、更快或者与干涉仪的扫描同相的速率调谐所述同时源。如果比干涉仪缓慢的进行扫描，典型的操作模式将手机干涉仪扫描、将源调谐到新的操作点，从而输出新的一组同时波长、接着是第二干涉仪扫描。
[0110]新颖性的方面
[0111]下面利用相应的编号1、100、200、300、400、500和600略述了新颖性的不同组的方面。
[0112]1.一种具有激光输出的可调激光器，包括:
[0113]固态激光介质，包括光学增益区，并且操作为响应于电信号通过晶面产生相干辐射；
[0114]透镜，操作为收集相干辐射，并且产生准直束；
[0115]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0116]光学滤波器，包括两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热学可调光学透射带，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，并且操作为:
[0117](I)在所需的操作波长下透射准直束，以及
[0118](2)从每一个表面镜面反射准直束，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播。
[0119]2.根据I所述的可调激光器，还包括第二光学滤波器，所述第二光学滤波器具有在激光介质的操作范围内的热学可调的透射带，位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，并且操作为:
[0120](I)在所需的操作波长下透射准直束，
[0121](2)从每一个表面镜面反射准直束，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播，以及
[0122](3)在第一波长下透射与第一光学滤波器相同波段的辐射，并且在第二波长阻止透射
[0123]3.根据2所述的可调激光器，其中所述第一和第二光学滤波器是标准具，每一个滤波器具有不同的自由光谱范围并且配置为作为可调游标滤波器操作以产生可调激光
[0124]4.根据I所述的可调激光器，其中所述反射面是部分透射的以产生激光输出
[0125]5.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束是激光输出
[0126]6.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变
[0127]7.根据6所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束用作参考信号
[0128]8.根据I所述的可调激光器，其中将可调滤波器和发射面组合到光学透明的公共衬底上[0129]9.根据I所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到公共衬底上，所述公共衬底包括用于透射准直束的孔径
[0130]10.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率与激光输出的功率成反比关系
[0131]11.根据I所述的可调激光器，其中将激光器增益介质、透镜、光学滤波器和反射面安装到温度稳定的导热衬底上
[0132]12.根据I所述的可调激光器，其中将可调激光器和透镜进行组合以形成单一组件
[0133]13.根据I所述的可调激光器，其中在可调光学滤波器的所需操作波长下光学滤波器的热学可调透射区的空间直径比准直束的Ι/e2直径小至少22%
[0134]14.根据13所述的可调激光器，其中所述可调透射区还包括在可调激光器的所有操作波长下同时透射的区域
[0135]15.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述标准具的自由光谱范围超过了固态激光介质的光学增益区的波长宽度
[0136]16.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述固态激光介质的光学增益区具有散布在高增益区之间的低增益波长区，所述低增益区与标准具的光学通带相对应
[0137]17.根据I所述的可调激光器，其中热学可调透射带的波长由于准直束的吸收而改变
[0138]18.根据17所述的可调激光器，还包括控制电路，所述控制电路操作为响应于准直束的吸收来改变光学滤波器的温度
[0139]19.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述可调激光器还包括绝热标准具，所述光学滤波器标准具的自由光谱范围小于绝热标准具的自由光谱范围
[0140]20.根据I所述的可调激光器，还包括:光栅，用于机械地调谐激光输出
[0141]21.根据I所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变光学滤波器的温度来保持恒定的激光输出功率
[0142]22.根据I所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变镜面反射的准直束的功率来保持恒定的激光输出功率
[0143]-------------------------------
[0144]100.一种热可调光学滤波器，包括:
[0145]导热衬底；
[0146]滤波器区，包括热光材料和两个分布式布拉格反射器，所述滤波器区沿光传播方向的厚度小于导热衬底的厚度；
[0147]热隔离区，连接衬底和滤波器区，所述热隔离区具有温度梯度；
[0148]图案化的薄膜加热器，用于响应于电信号改变滤波器区的温度，所述加热器与滤波器区热学地耦合并且通过热隔离区与衬底隔离；
[0149]图案化的温度传感器，与滤波器区热学地连接；
[0150]所述滤波器区内的光学透射波长响应于提供给加热器的电信号而改变；以及
[0151]控制电路，操作为控制所述加热器电信号[0152]101.根据100所述的热可调滤波器，其中所述薄膜加热器是光学透射的，并且实质上覆盖滤波器区
[0153]102.根据100所述的热可调滤波器，其中所述薄膜加热器的形状和位置减小了滤波器区中的热学不均匀性
[0154]103.根据100的热可调滤波器，其中所述光学透射率沿与光学传播的优选方向正交的方向空间地变化，以减小光学通带的空间变化
[0155]104.根据100的热可调滤波器，其中所述分布布拉格反射器包括导热层
[0156]105.根据100的热可调滤波器，还包括导热、光学透明且导电的层
[0157]106.根据100的热可调滤波器，其中所述滤波器区是曲面
[0158]107.根据100的热可调滤波器，其中所述衬底包括掩埋氧化物层
[0159]108.根据100的热可调滤波器，其中对所述图案化的薄膜加热器被图案化为在光学透射区中产生空间变化的光学通带
[0160]109.根据100的热可调滤波器，其中对所述图案化的薄膜加热器被图案化为减小光学透射区中空间变化的光学通带[0161]110.根据102的热可调滤波器，还包括第二独立受控的加热器
[0162]------------------------------------------------------
[0163]200.一种外腔半导体激光器，包括:
[0164]固态激光介质，操作为响应于电信号通过第一晶面产生相干福射；
[0165]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0166]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0167]热光薄膜滤波器，所述热光薄膜滤波器垂直于准直束的光学传播方向具有空间厚度梯度
[0168]201.根据200的外腔半导体激光器，其中所述厚度梯度包括光学厚度的离散变化
[0169]202.根据200的外腔半导体激光器，还包括:热光材料，以根据所述热光材料的温度改变外腔的光程长度
[0170]---------------------------------------------
[0171]300.一种具有激光输出的外腔可调激光器，包括:
[0172]固态激光介质，操作为响应于激光器电信号通过第一晶面产生相干辐射；
[0173]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0174]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质；
[0175]两个热光薄膜滤波器，每一个热光薄膜滤波器具有加热器，两个热光薄膜滤波器一起作为光学游标波长调谐器操作；
[0176]控制电路，操作为产生用于控制热光薄膜滤波器的温度的加热器信号，并且调制游标光学通带和激光输出功率
[0177]301.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述游标光学通带的调制接通和关断激光输出
[0178]302.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出功率的调制实质上是正弦的
[0179]303.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器电信号
[0180]304.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出是脉冲信号，并且同步调制改变信号脉冲的持续时间
[0181]305.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中控制激光器温度，并且所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器温度
[0182]------------------------------------------------
[0183]400.一种具有激光输出的外腔可调激光器，包括:
[0184]固态激光介质，操作为向应于激光器电信号通过第一晶面产生相干辐射；
[0185]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0186]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质；
[0187]两个热光薄膜滤波器，每一个热光薄膜滤波器具有加热器，两个热光薄膜滤波器一起作为光学游标波长调谐器操作；
[0188]控制电路，操作为产生用于控制热光薄膜滤波器的温度的加热器信号，以调制游标光学通带，并且保持实质上稳定的激光输出功率
[0189]401.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器电信 号
[0190]402.根据401的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出是脉冲信号，并且同步调制改变信号脉冲的持续时间
[0191]403.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中控制激光器温度，并且所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器温度
[0192]404.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中将激光输出保持在恒定的波长
[0193]-------------------------------------------------
[0194]405.一种产生激光输出的可调激光器,包括:
[0195]固态激光介质，操作为响应于电信号通过第一晶面产生相干福射；
[0196]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0197]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0198]光学滤波器，具有在激光介质的操作范围内的热学可调的透射带，并且位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，所述可调透射带由于准直束的吸收而改变波长
[0199]406.根据405的可调激光器，其中通过准直束的吸收来调制激光输出功率
[0200]407.根据406的可调激光器，其中通过准直束的吸收来增加激光输出的光学线宽。
[0201]-------------------------------------------------------
[0202]500.一种热可调光学滤波器组件，包括:
[0203]第一和第二导热衬底；
[0204]第一和第二热光滤波器区，与第一和第二衬底热学隔离，所述第一和第二滤波器区分别具有第一和第二自由光谱范围；
[0205]温度控制组件，用于控制第一和第二滤波器区的温度；
[0206]第一和第二导热衬底，结合在一起以产生第一和第二滤波器区之间的热隔离间隙[0207]501.根据500的热可调光学滤波器组件，其中所述热隔离间隙包含真空
[0208]502.根据500的热可调光学滤波器组件，其中所述热隔离间隙包含在第一热光滤波器区的光学透射带内具有吸收线的气体
[0209]503.根据500的热可调光学滤波器组件，其中第一和第二滤波器区的面对热隔离间隙的表面形成了在第一和第二滤波器区的光学透射带内具有光学透射带的标准具
[0210]504.根据500的热可调光学滤波器组件，其中第一和第二滤波器区的面对热隔离间隙的表面是非平行的
[0211]--------------------------------------------
[0212]600.一种调谐外腔激光器的方法，包括:
[0213]向激光器增益介质供应控制信号以产生连续波操作的激光输出；
[0214]设置外腔内的可调部件的第一操作条件以选择第一光学反馈和激光器操作的第一波长； [0215]改变外腔内的可调部件的第二操作条件以选择第二光学反馈，所述激光器仍然在第一波长下操作；
[0216]在控制信号内产生脉冲以开始激光器操作的第二波长
[0217]601.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中脉冲长度小于10微秒
[0218]602.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中通过以小于控制信号初始幅度的50%调制控制信号来产生脉冲
[0219]603.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中使用腔内光学模式将激光器操作维持第一波长下，而改变可调部件的操作条件
[0220]604.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中在增益介质的晶面之间产生腔内模式
[0221]605.根据603的调谐外腔激光器的方法，其中在增益介质的晶面和外腔反射镜之间产生腔内模式
[0222]606.根据603的调谐外腔激光器的方法，其中通过可调部件产生腔内模式
[0223]607.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中可调部件是光栅，操作条件是机械位置，并且光学反馈条件是波长反射峰
[0224]608.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中可调部件是热光滤波器，操作条件是温度，并且反馈条件是光学带通波长
[0225]尽管已经具体地示出和描述了本发明的各种实施例，本领域普通技术人员应该了解的是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。
【权利要求】
1.一种具有激光输出的可调激光器，包括: 固态激光介质，具有光学增益区，并且操作为响应于电信号通过晶面产生相干辐射； 透镜，操作为收集相干辐射，并且产生准直光束；以及 外腔的部件，包括反射面和光学滤波器，所述反射面将准直束反射回透镜和激光介质，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间并且具有两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热学可调光学透射带，所述准直束入射到光学滤波器的每一个表面上，所述光学滤波器操作为: (1)在所需的操作波长下透射入射的准直束的主要部分，以及 (2)在所需的操作波长下镜面反射入射的准直束的其余部分，所述准直束入射到光学滤波器的每一个表面上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成非零角度地传播。
2.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述外腔还包括位于反射面和透镜之间的外部激光腔内的第二光学滤波器，所述第二光学滤波器具有在激光介质的操作范围内的热学可调透射带并且操作为: (1)在所需的操作波长下透射准直束的第二主要部分， (2)镜面反射准直束的第二其余部分，所述准直束入射到第二光学滤波器的每一个表面上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播，以及 (3)在第一波长下透射与第一光学滤波器相同波段的辐射，并且在第一光学滤波器的透射的第二波长下阻止透射。
3.根据权利要求2所述的可调激光器，其中所述第一和第二光学滤波器是标准具，每一个滤波器具有不同的自由光谱范围并且配置为作为可调游标滤波器来操作以产生可调激光。
4.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述反射面是部分透射的以产生激光输出。
5.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束是激光输出。
6.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变。
7.根据权利要求6所述的可调激光器，其中相比于镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变，激光输出的功率按照更慢的速率改变。
8.根据权利要求6所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束用作参考信号。
9.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到光学透明的公共衬底上。
10.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到公共衬底上，所述公共衬底包括用于透射准直束的孔径。
11.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率与激光输出的功率成反比关系。
12.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将激光器增益介质、透镜、光学滤波器和反射面安装到温度稳定的导热衬底上。
13.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调激光器和透镜进行组合以形成单一组件。
14.根据权利要求1所述的可调激光器，其中在可调光学滤波器的所需操作波长下光学滤波器的热学可调透射区的空间直径比准直束的1/e2直径至少小22%。
15.根据权利要求14所述的可调激光器，其中所述可调透射区包括在可调激光器的所有操作波长下同时透射的区域。
16.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述标准具的自由光谱范围超过固态激光介质的光学增益区的波长宽度。
17.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述固态激光介质的光学增益区具有散布在高增益区之间的低增益波长区，所述低增益区与标准具的光学通带相对应。
18.根据权利要求1所述的可调激光器，其中热学可调透射带的波长由于准直束的吸收而改变。
19.根据权利要求18所述的可调激光器，还包括控制电路，所述控制电路操作为响应于准直束的吸收来改变光学滤波器的温度。
20.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述可调激光器还包括绝热标准具，光学滤波器标准具的自由光谱范围小于绝热标准具的自由光谱范围。
21.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括光栅，用于机械地调谐激光输出。
22.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变光学滤波器的温度来保持恒定的激光输出功率。
23.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变镜面反射的准直束的功率来保持恒定的激光输出功率。
24.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述激光输出在连续波操作的第一所需波长上，并且激光介质电信号被脉冲输出以将激光器调谐至连续波操作的第二所需波长。
【文档编号】H01S3/10GK103907248SQ201280023504
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年5月16日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】马一山, 查尔斯·M·马歇尔 申请人:红移系统有限公司
【专利摘要】一种可调激光器包括：固态激光介质，具有光学增益区，并且通过晶面产生相干辐射。透镜收集相干辐射并且产生准直束。外腔的部件包括反射面和光学滤波器，所述反射面将准直束反射回透镜和激光介质，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间并且具有两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热可调光学透射带。所述光学滤波器(1)在所需的操作波长下透射入射的准直束的主要部分，以及(2)从每个表面镜面反射入射的准直束的其余部分，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成非零角度地传播。
【专利说明】热光可调激光器系统
【发明内容】
[0001]能够根据输入参数改变光学透射的可调光学部件在光学器件中具有许多应用。一个示例是具有压电换能器的空气隙标准具，所述压电换能器可以根据电信号改变它的空气隙，从而改变光学通带。另一个示例是由于硅的折射率的温度依赖性而具有根据标准具温度变化的通带的硅标准具。
[0002]量子级联激光器(QCL)是单极固态激光器，所述单极固态激光器实现了红外波长的激射，包括在分子光谱学相当感兴趣的3μπι和13 μ m之间的范围内的波长。QCL在不同的设计结构中可用，包括分布反馈(DFB)和法布里-波罗(FP)激光器。在许多波谱学应用中特别感兴趣的是可调激光器，可调节激光器是一种通过工作参数的调节可以实现不同波长下激射的激光器。可调节的参数可以包括激光器的工作温度或者激光器驱动电流。DFB或者FP结构的激光器典型地通过这些调节具有非常有限的补偿调谐范围，因为在这两种结构中激光腔局限于QCL激射介质。但是将激光腔扩展到QCL介质外部的外腔器件并不具有相同的限制。通过使用光栅或其他波长选择部件，如果激光器的增益介质支持，则可以实现相对较宽范围的调谐范围，超过中心波长的20%。可以实现宽增益区是QCL在分子光谱学中特别有吸引力的一个特征，因为其有助于提供改进的背景区别、并且提供利用单一激光器检测感兴趣的多种材料(气体、液体和固体)的吸收线的能力。因此，使用波长选择部件将激光器调谐至多个波长的方法是感兴趣的，尤其是那些在包含医药、工业、环境、军事和生物市场的应用中制造成本低并且具有环境稳定性的那些方法。以下的公开描述了热光可调滤波器的多个实施例以及热光可调激光器的多个实施例，所述热光可调激光器包括一个或多个热光可调滤波器作为波长选择器件。
[0003]在一个实施例中，外腔激光器在激光器的外腔内包括量子级联激光器(QCL)以及一个或多个热光可调(TOT)滤波器。使用微机械(MEMS)工艺技术来制造所述滤波器，并且所述滤波器包括一个或多个光学腔，所述光学腔包含至少一种热光材料和由具有不同折射率的至少两种材料制成的分布式布拉格反射器(DBR)反射镜，所述两种材料可以本质上也具有热光性质或者可以不具有热光性质。这里所述的热光材料指的是具有随温度变化的至少一种光学性质(例如其η或k值)的材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]根据如【专利附图】
【附图说明】的本发明具体实施例的以下描述，前述和其他目的、特征和优势将变得清楚明白，其中贯穿不同的视图，相似的参考符号表示相同规定部件。附图不必按比例绘制，而是将重点放在说明本发明各种实施例的原理。
[0005]图1是激光器系统的方框图；
[0006]图2和图3是依赖于波长的透射峰的曲线图；
[0007]图4和图5是示出了热光滤波器的细节的激光器系统的示意图；
[0008]图6和图7是滤波器结构的示意图；
[0009]图8-10是示出了滤波器结构的MEMS结构的图；[0010]图11-12是多层薄膜滤波器的示意图；
[0011]图13(a)和13(b)是滤波器结构的示意图；
[0012]图14-15是描述了集成电路结构布局的图；
[0013]图16是制造滤波器结构的基于MEMS的方法的流程图；
[0014]图17-26是描述了图16的制造方法的不同阶段的MEMS工件的图；
[0015]图27 (a)和27 (b)是TOT-QCL激光器有源滤波器区的示意图。
【具体实施方式】
[0016]图1将可调激光器系统10描述为包括量子级联(QC)激光器元件12和外腔部件，所述外腔部件包括透镜4、反射器14和热光滤波器16。通过控制器18控制操作，所述控制器向QC激光器12提供驱动电流，并且向热光滤波器16提供加热器控制信号。控制器18典型地响应于输入来操作，所述输入包括从用户或系统输入的高电平控制以及来自激光器操作的反馈(FB)，例如所述反馈可以是对于测量的激光输出功率、波长或空间模式、激光器或外腔部件的操作温度、激光器驱动电流的指示。控制器可以按照现有技术已知的脉冲波或连续波(CW)操作来操作激光器。当处于连续波操作时，控制器也可以产生一个或多个所需宽度和幅度的单一脉冲，以便辅助调谐激光器系统。发射器14构成了激光腔的一个端面。在所示的实施例中，反射器14是部分透射的，并且通过反射器14透射的光组成了激光输出。在另一个实施例中(未示出)，反射器可以是全反射的，并且激光输出直接由QC激光器兀件12的晶面产生。QC激光器兀件12包括QC激光器增益介质，QC激光器增益介质被配置为与反射器14和滤 波器16形成总的激光腔，从而在一些实施例中包括构成腔体其他边界的分离的晶面反射器(图1中未示出)。如现有技术已知的，QC激光器元件12可以提供光学增益，因此支持在相对较宽的波长范围内(称作“增益区”)的激光器操作。热光滤波器16是热可调波长选择器，其确立激光器操作的特定波长。如下面更加详细地描述的，操作波长的这种选择可以具有粗略部分和精细部分。
[0017]图2和图3说明了用于设计图1的激光器系统的两种不同的方法。垂直箭头代表热光滤波器16根据波长的透射峰。如下面更加详细地描述的，透射峰的周期性形状表征了光学薄膜滤波器的特定类型。还示出了“增益曲线”19，代表QC激光器12的增益-波长特性。图2示出了在示出为λ ^的波长下QC激光器12的增益区只与一个透射峰重叠的情况。可以通过QC激光器元件12和热光滤波器16的适当设计来实现这种有限的重叠，这种有限的重叠是粗略波长选择的示例——激光器系统将只在一个重叠透射峰的波长λ ^下操作。如下所述，可以在操作期间通过热光滤波器的温度调节来改变λ。的实际值，从而提供操作波长的更精细选择。
[0018]图3说明了另一种方法，其中QC激光器12的增益区与单一光学滤波器元件的多个透射峰重叠。在这种情况下，热光滤波器16包括两个分离的元件，一个元件表现出第一周期性的透射峰图案，另一个元件表现出第二(通常是不同的)周期性的透射峰图案。在图3中分别通过实线箭头和虚线箭头示出了这些。在这种情况下，在连续波操作条件下，只在两个元件都具有透射峰的波长(例如所示的Xci)下发生激射。在脉冲模式操作下，通常在充分重叠的波长下发生激射，所述充分重叠是以重叠的量来衡量的。热学地控制滤波器元件之一或者两者，以实现操作波长的精细选择。[0019]图3说明了在QC激光腔内可以如何调谐一对滤波器以产生光谱地改变的激光输出，例如所述激光输出可以用于气体感测。可以将两个滤波器设计为具有略微不同的光谱透射率，使得通过控制一个或两个滤波器的温度，可以实现通过两个滤波器的高透射率的操作波长。依赖于滤波器的类型，这可以称作游标调谐，并且滤波器可以是具有略微不同的自由光谱范围的标准具类型，以便实现所需的光学通带以及总体的调谐范围特性。
[0020]结合了以上原理的激光器可能对于感测多种气体特别有利。代替光栅调谐激光器的连续调谐或者机械切换滤波器的机械复杂度，这些热光滤波器可以设计为相对于设计用于快速热响应的滤波器以90%或99%的占空比(目标测量波长的重复时间周期的％)，从一个目标波长转变至另一个目标波长。对于具有三个可选择透射峰的组合滤波器设计，两个感兴趣的气体线和参考波长可以全部与高占空比一起包含在内。
[0021]尽管图2和图3分别与使用一个和两个滤波器元件相对应，也可以使用多于两个滤波器元件或者滤波器与其他光谱区分器件(例如衍射光栅)的组合。总之，确切的配置通常将依赖于QC激光器12的波长特性、滤波器元件的组合光谱特性以及对于具体应用的激光输出要求。
[0022]图4和图5示出了两种类型的示例配置，即，只使用一个滤波器元件和使用两个滤波器元件。在每一种情况下，QC激光器12具有高反射率(HR)背面涂层20和抗反射(AR)前面涂层22。HR背面涂层20和反射器14限定了激光器腔的边界，反射器14是部分透射的以便输出耦合激光束信号，通过透镜24的作用来准直所述激光束信号。在图4中，单一的薄膜滤波器元件26形成了图1的滤波器16，而在图5中滤波器16由一对薄膜滤波器元件30、32形成，如上面结合图3所讨论的。在每一种情况下，薄膜滤波器元件26、30、32优选地相对于光轴略微倾斜，以将反射光(参见下面所述的图6和图7)导引出腔室。光学透明的楔形衬底28、34、36可以用于保持薄膜滤波器元件26、30、32和反射器14的所需间隔和朝向。通常，对于宽度比毫米小得多的激光器晶片孔径和直径在几个毫米量级的光束，甚至偏移法向几度(例如< 10度)的入射角度足以实现这一目的。例如，比40度大得多的角度可能导致滤波器性能的减小，具体地滤波器通带的展宽。
[0023]可以将激光器系统安装到热导衬底和热电(TE)冷却器(都没有示出)上，并且QC激光器12和滤波器16与控制器18电连接，所述控制器18按照需要在器件之间提供电学控制信号。典型地，可以控制滤波器16的信号以随时间实现所需的温度(因此，光学透射率)。激光器系统可以包含在密封封装(例如“蝶形”封装或TO型封装)中，并且可以具有一个或多个透射窗口，使能光信号从激光器封装的输出。
[0024]尽管QC激光器12是所公开实施例的元件，可以代替地使用具有支持在电磁谱(例如，可见光、近红外和远红外光谱)的增益范围的多个波长下激射的能力的其他类型的激光器。对于任意给定的应用，将存在针对感兴趣波长的外腔设计和光学材料的相应选择。
[0025]在一个实施例中，反射离开滤波器(例如26)的反射光可以用于提供来自激光器的输出信号。可以将滤波器设计为实现用于提供所需输出信号功率级别的反射率。这种反射光可以是来自激光器的主输出信号(即，没有从发射器14或者其他光学元件耦合的输出)，或者可以是用于监测激光器工作性质(例如功率或波长)的次输出信号。次信号可以用作激光器的控制回路(例如图1所示的反馈FB)的一部分或者滤波器控制信号。因为每当准直束入射到滤波器上时产生反射光，可以针对每一个滤波器元件产生两个反射的输出信号。反射光可以从腔体中的另一个元件(例如反射器14)弹回，以便满足可调激光器系统的特定机械常数。
[0026]在系统的操作期间，入射准直束和反射准直束两者都将在所需的操作波长下。在滤波器上入射的准直束的反射百分比可以根据调谐TOT滤波器而改变，作为示例，使得反射的准直束的功率增加，从而增加了腔内损耗并且减小了通过部分透射镜14耦合的输出光的功率。TOT滤波器透射函数可以设计为使得反射的准直束的功率的百分比变化的变化速率比例如通过部分透射的反射器14直接耦合出腔体的激光输出的功率的变化速率大。这种增加的变化速率在提供用于系统控制的反馈信号方面可以是有利的。
[0027]反射的准直束可以用于产生其他类型的反馈信号。反射的准直束功率表示外腔内的损耗机制，并且是激光器效率的组成部分。当例如通过两个TOT滤波器的透射峰的不重合或者通过在与TOT滤波器的峰值波长不同的波长下操作TOT-QCL激光器减小了操作波长下的TOT滤波器透射率时，反射的准直束中包含的功率(以及激光腔损耗)增加。可能需要在将反射束中的功率与输出功率的比率最小化的情况下操作激光器。因此，当改变QCL的电功率或者当改变TOT-QCL波长时，反射的准直束功率与输出功率的比率可以用作至TOT-QCL控制器的反馈信号。
[0028]参考图5，如果一个滤波器(例如30)固定(即不是热学可调的)而另一个滤波器(例如32)是热学可调的，光谱覆盖可以不连续。然而，如果两个滤波器30、32都是可调的，则可以实现连续的光谱覆盖。
[0029]图6示出了实施例，其中将反射器14组合到与滤波器26相同的结构上，镜面反射面与光轴垂直以将反射光反馈到激光器增益介质(QC激光器12)，并且使用楔形衬底28以将可调滤波器26相对于激光器光轴对准。图6还示出了上述来自滤波器26 —侧的反射光27。
[0030]图7示出了另一个实施例，其中将薄膜滤波器30、32组合到公共的导热且光学透明的衬底40 (例如硅或者锗)的相对表面上，优选地使用楔形形状或者其他倾斜表面来将来自每一个滤波器30、32的反射光转向离开外腔。在另一个实施例中，如果公共导热衬底40包含“环形孔”以通过该孔在相对表面上的滤波器之间传送激光，则公共导热衬底40不必是光学透明的。按照这种方式，导热和/或导电材料(诸如铝之类的金属或诸如Al2O3之类的陶瓷)可以用作衬底。然后可以将公共衬底附着至TE冷却器以控制衬底的温度，或者提供对于外腔的热能化光学平台。也可以将这种TE冷却器附着至QC激光器12以同时辅助控制激光器的温度。也可以将两个以上的滤波器堆叠在单一的器件中，将滤波器和楔形形状的衬底组合在“三明治”的层中。
[0031]更具体地，在图7中，将两个薄膜滤波器30、32结构性地组合到公共底座42上，公共底座42典型地由一种或多种导热金属、陶瓷或半导体材料构成。所述结构包括标准具，用于提供参考自由光谱范围(用于确定操作波长)或者提供优选的纵模，以改进热光可调QC激光器(TOT-QCL)系统的稳定性。限定了材料支撑臂40的标准具包括:具有适当地光学反射涂层的一个表面，其形成了所述标准具的一个反射表面；以及第二表面，所述第二表面是用于滤波器30、32之一的热学和机械支撑结构。标准具腔室44可以是空气隙，或者是具有与标准具限定材料不同折射率的材料。滤波器30、32相对于光轴成角度，而标准具与光轴正交。如果标准具是空气隙类型的，那么所述间隙可以包含真空或者用气体来填充，所述气体在参考波长处提供光谱吸收，对于保持系统的波长校准和稳定性是有用的。支撑臂40是楔形形状的，并且可以设计为使得可调滤波器30、32平行、相对于光轴成非垂直的任意角度或者相对于光轴成相同的正和负角度，使得根据斯涅耳定律，光束不会偏离。固定两个支撑臂的载体42也可以固定部分透射的输出耦合反射镜，从而以光学对准的方式固定可调滤波器、标准具(可选的)和反射镜。在另一个方面，可以将透镜安装到载体，从而提供用于与激光器对准的单一组件，并且还提供单一的热能化组件。
[0032]在另一个实施例中，可以将热光滤波器沉积到诸如透镜24之类的透镜的表面上，或者沉积到可以结合到透镜的曲面上的柔性衬底。
[0033]图8-10示出了可调滤波器实施例的通用体系结构。在所示的实施例中，使用微机电(MEMS)和半导体处理技术将光学滤波器元件制造到绝缘体上硅(SOI)晶片上。图8说明了一个实施例，其中在光学滤波器元件52的外部的一个或多个层中包含光学透射的电阻片加热器50，用于改变光学滤波器元件52的温度。同样示出的是硅“处理晶片”54(例如，硅衬底)、加热器电触点56和通过掩埋氧化物(BOX)层58与处理晶片54分离的电引线(未示出)。图9-10示出了实施例的一个方面，其中在滤波器的热光腔室层内包含光学透射的电阻加热器60(例如，低掺杂晶体硅或锗)。图10中还示出了光学滤波器元件52的DBR反射镜62。在另一个实施例(未示出)中，在滤波器元件周围制造光学不透明加热器(例如，金属环加热器)。可以用作电阻加热器的光学透射材料包括但是不限于硅、锗及其合金。在另一个实施例(未示出)中，滤波器元件52包括SOI器件层，所述SOI器件层具有合适厚度以形成热光腔室，并且在所述层的上表面和下表面上具有沉积的DBR反射镜。所述光学叠层结构也可以设计为包括BOX层。
[0034]图11和12示出了如下构造的多腔室滤波器的示例，第一材料的偶数个四分之一波(QW)热光腔室层被具有更大或更小折射率的第二材料的奇数个QW隔离物层分离，并且被DBR反射镜包围。图11说明了具有三个腔室的设计，称作“32223三峰”，图12说明了具有两个腔室的设计，称作“4224双峰”。对于一起操作以执行调谐的滤波器对或单一腔室标准具，需要让滤波器在在透射峰之间具有不同的间距，可以通过按照具体的滤波器公式改变腔室层或隔离物层的厚度或者改变两者来实现这一点。具体的应用所要求的腔室设计和腔室的个数依赖于许多设计参数，包括要分解的波长的个数、所需的激光输出特性、在腔室和DBR反射镜中使用的材料、DBR反射镜对的个数以及滤波器光学机械热学设计要求。可以使用工业标准沉积技术(例如PECVD、IBS、电子束等等，取决于所沉积的材料)将这些层沉积到衬底上。
[0035]例如图11的三腔室设计可以用于测量例如在检测NO和NO2气体时有用的三个分立的波长。另一个三腔室设计利用两个反射镜对、三个4QW腔室、3个QW隔离物结构。用于高指数层和低指数层的材料示例分别包括但不限于无定型硅和Ta205。替代地，在反射镜对中使用的高指数层和低指数层两者可以由均不是电介质的材料构成。实际上，它们可以都是半导体(例如，硅和锗)，只要在感兴趣的波长下存在指数差异。必须注意选择与感兴趣的波长匹配的材料，因为甚至低至10_3的消光系数也可以导致谐振光学结构内实质上的滤波器透射损耗。
[0036]通过滤波器及其周围之间的热导率和滤波器的有效热质量来确定与滤波器的加热和冷却相关联的热时间常数。与周围热隔离的滤波器(例如，参见微测热辐射计结构)需要更少的功率来改变滤波器温度，但是也减小了滤波器的响应时间。类似地，较厚的滤波器典型地将具有较高的热质量和减小的响应时间(即，较长的时间常数)。
[0037]滤波器可以包括加热器元件和温度感测元件的至少一个。可以在单一的滤波器器件上使用一个或多个加热器。这将允许在滤波器两端的温度梯度的故意产生或者补偿与滤波器平均温度的控制分开。
[0038]加热器可以包括图案化的金属，并且温度感测元件(例如RTD)可以包括图案化的金属，其中图案化提供所需的电学和热学性质。可以使用诸如光刻或遮光板之类的技术来实现图案化。沉积的Pt、N1、Cr可以用作加热器材料。因为这些材料是光学不透明的，所以可以在波束路径外面对这些材料进行图案化。
[0039]也可以通过半导体材料(例如S1、Ge)的扩散掺杂来实现加热器。电阻器图案包括但是不限于环形加热器、盘旋形加热器或者片状加热器。
[0040]可以在控制回路中使用加热器和温度传感器，以随时间将滤波器设置在所需的温度。在一个操作方面，可以随时间将温度保持在特定的温度。在另一个操作方面，温度可以倾斜上升，接着是冷却或者稳定时间段。在另一个实施例中，与滤波器热学耦合的TE冷却器可以用于将滤波器的温度降低为小于环境温度，或者加速滤波器的冷却周期。
[0041]在操作期间，TOT滤波器可以经历在有源滤波器元件两端的热梯度(即滤波器中具有可调透射并且与激光束光学相互作用的部分)。在一个示例中，将滤波器和片状加热器限定为在四个边(例如图8中，BOX层58在加热器58下面延伸)上热学地附着(即与热沉相接)的薄热绝缘隔膜顶部的宽条带。因为峰值透射波长将在滤波器平面两端改变，从而在滤波器上入射的准直束两端改变，所以滤波器温度梯度可以加宽光谱带通并且增加滤波器的平均透射损耗。热学梯度可能起因于多种因素，包括滤波器的机械设计和热隔离结构、导热路径的量和物理位置、滤波器中激光束的吸收性加热、温度传感器的加热以及加热器引起的不均匀性。在一个实施例中，可以设计加热器或热隔离区的形状和电阻系数以减小由诸如激光器吸收之类的其他来源引起的不均匀性。例如，滤波器周围或者贯穿热隔离隔膜上的滤波器而嵌入的加热器可以具有高电阻率区和低电阻率区，或者高图案密度区和低图案密度区，以按照通过热隔离结构抵消不均匀热损耗的方式来提供隔膜的不均匀加热。类似地，与滤波器的一个表面接触的透明加热器可以设计为具有不均匀的厚度或物理位置或者图案，以便通过激光的吸收来抵消滤波器的加热。准直束也可以是本质上不均匀的，因为可以是由于非对称光束、高斯波束形状、或者多个横向空间模的存在而引起的。也可以对加热器整形以减小由于这种准直束产生的不均匀吸收性加热而导致的温度梯度。
[0042]附加地，如图13(a)和13(b)所示，可以将滤波器透射率构建为使得滤波器透射率在滤波器结构两端(即与光轴垂直)空间地改变，以便抵消热不均匀性并且保持所要求的滤波器光学性质。作为示例，可以通过在滤波器中心比滤波器边缘略薄(更短的波长)的位置进行故意的膜沉积来补偿可能将较高的温度(因此更长的波长)集中于滤波器中心处的热不均匀性。图13(a)和13(b)(没有按比例绘制)示出了空间变化的滤波器52，所述空间变化的滤波器52具有热光腔室62和在腔室62的上表面和下表面上的DBR反射镜对62。在图13(a)中，空间变化是腔室62的厚度的一系列离散台阶。在图13(b)中，空间变化是腔室62的厚度的连续变化。这可以通过使用现有技术中已知的光刻胶显影、刻蚀、沉积和掩模技术(例如，部分光刻胶显影以产生刻蚀速率的空间变化)来完成这一处理。图13(a)的滤波器的离散厚度台阶可以用作衍射光栅，所述衍射光栅改变滤波器的透射光和反射光。这种台阶尺寸、间隔和形状(例如，矩形、圆形等)可以被设计为如TOT-QCL内的非热可调光学兀件或光栅来执行，以散开一定波长的光。
[0043]图14和15示出了示例TOT滤波器布局，TOT滤波器布局具有结合焊盘70、金属连接线72、由图案化的热隔离腿80组成的热隔离区78、由加热器74构成的热隔离平台82、两个四点测量电阻温度检测器(RTD)温度传感器(未示出)以及热光滤波器区76。在这一方面，所述布局具有对称性以减小由于加热器、RTD温度传感器和接合焊盘的引线的热导率产生的热学梯度。在另一个实施例中，热隔离区可以是非图案化的，并且可以是一种或多种材料的固态片。在另一个实施例中，将热隔离区78图案化为具有不同几何形状的隔离腿80，以改变热光滤波器区76的热隔离，并且按照这种方式改变滤波器的时间响应以及加热器为了实现滤波器温度的给定变化所需的功率。图15示出了具有环形加热器74和梯度加热器84(为了清楚起见省略了连接引线72)的热隔离平台82的另一个实施例。如将要考虑的，梯度加热器82在增加或降低热光滤波器区76中的热梯度方面是有利的。
[0044]在所示的实施例中，加热器74是在热隔离平台82上的滤波器76周围的“环形”类型的加热器，如在后续的图中清楚的。类似地在该实施例中，将两个RTD类型的温度传感器放置在热隔离平台82上的加热器附近。也可以使用更少或更多的温度传感器和其他类型的传感器。与现有技术的加热器实施例类似，代替环形加热器或者除了环形加热器之外附加地，加热器可以包括热光滤波器区76中内的一个或多个层。加热器也可以是放置在热光滤波器区76内部或外部的光学透明层。可以使用具有所需性质的材料来构建温度传感器。例如，适当掺杂、厚度和形状的硅可以用作温度传感器，也是形成层、滤波器反射镜或四分之一波长腔室的材料。
[0045]图16至图26描述了滤波器方面的制造工艺，其中通过SOI硅晶片的器件层近似地限定了滤波器腔室。说明了用于制造这里所述的滤波器方面的技术。在所示的实施例中，热隔离区包括滤波器的反射镜层，并且按照这种方式，反射镜材料用作热隔离结构，并且用作光学滤波器结构以及对于滤波器区上的器件的机械支撑。其他实施例也是可能的，包括热隔离区内使用更少的反射镜层以便改变热隔离，或者使用一个或多个腔室层来实现类似的结果。在所示实施例中，加热器和温度传感器的电引线也与热隔离区相交，并且进行图案化以在保持可接受的电导率的同时增加热阻。因此，图案化的引线包括热隔离区，并且在一个实施例中可以专有地包括热隔离区。
[0046]如图16所示，制造工艺包括以下步骤:
[0047]1.在80，执行前侧硅机械加工。这包括使用KOH用于倾斜侧壁，以及剥离和重新沉积LPCVD氮化物，除非是平滑且未损坏的。图17-19说明了处理的中间阶段。
[0048]2.在82，前侧加热器集成。这包括Ti金属化以及大致50um倾斜形貌上的图案化。在图20中示出了这种情况。
[0049]3.在84，沉积前侧反射镜，所述前侧反射镜可以是SiNx/SI或者Ta205/Si或Ge/Si。这一步骤包括刻蚀接触焊盘孔，并且可能得限定用于高热阻的支撑桥。在图21中示出了这一过程。
[0050]4.在86，后侧硅机械加工。锗包括使用硬固化的聚酰亚胺保护前侧，然后是对氮化物硬掩模图案化、KOH和BOE。在图22-23中示出了这一过程。[0051]5.在88，沉积后侧反射镜，这再次可以是SiNx/Si或者Ta205/SI或Ge/Si。这是毯状涂层-没有进行图案化-如图24所示。
[0052]6.在90，完成工艺，所述工艺将典型地包括划片和其他修整步骤。在图25-26中示出了这一过程。在该实施例中，使用对于MEMS技术中的普通技术人员已知的多种技术的任一种将滤波器管芯焊接在一起，或者是在管芯级别或者是在晶片级别。
[0053]如前所述，可以对热隔离区图案化以实现滤波器岛的所需热隔离。可以通过考虑材料、工艺和布局来确定图案化的形状。可以确定所述形状以便实现滤波器岛两端的一定的热轮廓或者热梯度。在一个实施例中，加热器、激光束、滤波器热隔离平台、电引线、结合焊盘和热隔离区的形状和位置的一个或多个可以用于减小滤波器两端的热学梯度。在一个实施例中，作为示例，将电引线和结合焊盘定位和图案化为例如具有对称性，因此减小了滤波器岛、热隔离区以及在与滤波器岛相对一侧上的热隔离区周围或者附着至热隔离区的区域中减小的热学梯度。
[0054]一@细节和替代
[0055]TOT-QCL激光器，其中滤波器元件的光学面积大于激光器的准直束。在一个实施例中，滤波器直径比光束的Ι/e2直径(在上下文中，所述直径通常指的是与光束传播方向正交方向的光束二维空间尺度，并且并不意味着严格暗示了圆形或对称的光束横截面)至少大22%。在改进滤波器的热学均匀性方面是有利的。
[0056]图27所示的TOT-QCL激光器，其中有源滤波器区面积110小于激光器112的光束的面积，并且在激光束的光路中的滤波器区(排除了有源滤波器区)是不同光学透射率的非可调滤波器区114。这些非可调滤波器区114可以具有高透射率以确保通带内良好的平均光学透射率。非可调滤波器区114可以包围滤波器，如图27a所示，或者可以按照检查板或其他图案散布在滤波器中，如可以使用如图27b所示的光刻技术实现的。在一个实施例中，有源滤波器面积110比光束的Ι/e2直径(或者所说的面积)至少小22%。这方面在减小滤波器的热学质量、改进均匀性或者产生所需级别的波长选择性和腔室损耗方面是有利的。在另一个实施例中，非可调滤波器区可以是可调的，但是具有与有源区域不同的可调透射性质。
[0057]TOT滤波器，其中包括腔室或DBR反射镜的一种或多种材料是导热的，以提供改进的热均匀性，因此提供滤波器两端的波长均匀性。
[0058]TOT滤波器，其中向滤波器结构添加导热且光学透明材料以提供滤波器两端改进的热均匀性。在另一个方面，这种材料也是导电的。在另一个方面，这种材料可以是部分反射的。可以使用硅或锗。
[0059]TOT-QCL激光器，其中当入射光只是部分准直或者非准直的时，可以通过使用弯曲表面来针对增加的透射率或者改进的精细度而设计滤波器。
[0060]图26的TOT-QCL激光器封装或者集成滤波器间隔200具有回填气体，所述回填气体也用于以下的一个或多个:(i)用作滤波器，用于产生针对激光器的参考信号或准直信号的目的；(ii)用作滤波器，用于至少部分地确定激光器的输出波长；(iii)更改加热或冷却期间滤波器的时间响应。然后可以针对调谐速度来权衡输入功率。
[0061]在SOI晶片中使用掩埋氧化物作为后侧刻蚀的刻蚀停止层，掩埋氧化物也用作光学滤波器的光学机械设计的一部分。[0062]TOT滤波器，机械地附着至QC激光器的晶面，并且也可以与具有等于或大于I的折射率的材料光学耦合。光学耦合的材料可以设计为相对于硅或者在QCL的光学腔室中使用的材料具有低热导率的材料。这种滤波器可以是弯曲的或者可以厚度改变以适应QC激光器的发散光学输出。
[0063]TOT滤波器，具有与光轴标称垂直的空间厚度梯度，所述空间厚度梯度补偿了以下的一种或多种:(i)滤波器中的热学梯度；(ii)在滤波器上入射的发散或会聚光束。
[0064]TOT滤波器，具有与光轴标称垂直的空间厚度梯度，所述空间厚度梯度是使用光刻技术制造的。所述厚度梯度可以是均匀地正或者负(即，从滤波器中心到边缘的厚度变换是恒定的)，或者所述梯度可以按照离散的正或负步长变换(即，通过使用如在MEMS处理中常用的离散光刻刻蚀步骤)。
[0065]TOT-QCL,在激光器腔室中具有热学受控元件，通过热学地改变元件的折射率来改变光学腔室路径长度。在一个实施例中，热光材料的单层是在两侧涂覆的AR，并且具有集成加热器，所述集成加热器用于改变温度、进而改变元件的光程长度。
[0066]TOT-QCL中的热光滤波器，将激光器脉冲接通或关断，或者通过改变滤波器的温度并因此改变其透射率来实质上调制激光输出，从而在不改变供应给激光器的电功率的情况下使能激光器的脉冲操作或时变操作。这一方面也可以用作AC耦合的检测器的光学调制器，例如热电红外检测器。
[0067]在TOT-QCL中的热光滤波器，其中同时控制滤波器的温度和激光器的功率以实现激光器的所需光谱输出。例如，对于按照脉冲模式操作的激光器，通过脉冲驱动激光器电功率并且控制滤波器的温度，可以调制激光输出，使得在比不存在热滤波器的情况下所实现的更小的时间段来实现激射。按照相同的方式，也可以控制脉冲期间的光谱线宽或者激光器模式的个数。
[0068]T0T-QCL，其中根据TOT滤波器的温度改变至QCL的电功率或者激光器温度，使得实现所需的激光输出特性。这种输出特性可以包括激光功率级别、激光纵模或横模、同时的激光模的个数以及激光波长的一个或多个。
[0069]T0T-QCL，其中根据激光器温度或激光器电功率改变至滤波器的电功率或者滤波器温度，使得实现所需的激光输出特性。这种输出特性可以包括激光功率级别、激光纵模或横模、同时激光模的个数以及激光波长的一个或多个。
[0070]T0T-QCL，其中QCL中的增益介质(I)实现了光谱区域中的激射，在所述光谱区域中感兴趣的一种或多种物质具有感兴趣的光谱特性；以及(2)激光器增益介质具有臂具有多个透射峰(例如，针对标准具类型滤波器的自由光谱范围)的TOT滤波器的透射峰之间的间距窄的增益轮廓。当TOT滤波器峰之一位于激光器增益窗口内时，只有在单一 TOT滤波器峰下面的那些激光器模式将激射。按照这种方式，可以在TOT-QCL中使用更少的TOT滤波器。QCL可以特别地设计以匹配TOT滤波器特性，并且也可以设计为在多于一个感兴趣的光谱区域中操作，即具有多个增益区，每一个具有小于自由光谱范围的宽度并且通过不支持激射的低增益区相分离。
[0071]T0T-QCL，其中激光的吸收改变了 TOT滤波器的温度，从而改变了滤波器的峰值透射波长以及优选的激射波长。对于激光器操作连续波，当TOT滤波器透射峰移动至第二波长时，激光器可以仍然在第一波长下操作，从而导致了增加的腔室损耗和减小的激光输出。类似地，对于不是在TOT滤波器峰值的波长下的激光器操作连续波，当TOT滤波器透射峰移动到第二波长时，激光器可以仍然在第一波长下操作，从而导致减小的腔室损耗和增加的激光输出。
[0072]当与第二 TOT滤波器组合时，由于激光吸收导致的第一 TOT滤波器中的透射波长变化可以依赖于两个TOT滤波器的峰值透射的相对对准程度来增加或降低激光输出功率。作为说明，如果将一个TOT滤波器的透射峰波长对准在第二 TOT滤波器的透射峰的斜面上，一个滤波器相对于第二滤波器的透射波长的小变化可以导致相对较大的插入损耗、因此相对较大的激光功率。这一方面在光谱应用中是有用的，在CW或脉冲操作中提供对于激光功率调制的附加增益。在设计的另一方面中，可以对激光器输入电信号进行调制。T0T-QCL，激光的吸收按照空间不均匀方式改变了 TOT滤波器的温度，从而加宽或者变窄激光输出的波长线宽(例如，纵模的个数)。通过改变QCL的电流(即，电功率)，激光功率将改变，从而吸收感应的线宽展宽的量将改变。这一方面可能在光谱应用中是有用的，以在保持恒定激光器中心波长的同时提供在CW操作或脉冲操作中的改变的探测线宽。在设计的另一个方面中，可以相应于激光功率的变化来改变TOT滤波器温度，以维持优选的透射波长。
[0073]T0T-QCL，其中TOT滤波器用于维持恒定的操作波长，以改变QCL温度、改变QCL功率级别或者改变周围或其他环境条件。
[0074]T0T-QCL，其中TOT滤波器和第二光学滤波器用于维持恒定的操作波长，以改变QCL温度、改变QCL功率级别、改变周围温度或其他环境条件。可能需要调制的QCL功率以向AC耦合的红外检测器提供光信号，例如热电或声学检测器，或者可以通过改变检测宽度来改进系统灵敏度，例如利用同步锁定放大器或光谱信号处理来执行。
[0075]TOT-QCL还包括两个滤波器:Τ0Τ滤波器和具有实质上较低热光系数的滤波器，从而消除了控制第二滤波器温度的需要。第二主要绝热滤波器可以用于限制落在QCL的增益曲线内的有用TOT滤波器透射峰的个数。作为示例，空气隙标准具可以用作绝热标准具。
[0076]TOT-QCL还包括滤波器和光栅。与使用机械运动进行调谐的光栅调谐外腔QCL的间题是实现波长稳定性和可重复性的困难。光栅和TOT滤波器，其中光栅提供在宽光谱范围上的粗略调谐能力，而TOT滤波器提供在光栅的每一个机械位置处的精细调谐，提供改进的波长稳定性和可重复性。将TOT滤波器的调谐范围设计为超过粗略调谐步长以及在光栅设计中的波长不确定性的量或者可重复性误差。例如，光栅调谐的QCL可以具有波长随时间的不确定性0.2CHT1，并且TOT滤波器可以具有0.4cm-1的调谐范围。在一个实施例中，可以将滤波器和光栅组合到公共衬底上。
[0077]在TOT-QCL的另一个方面，可以将第二加热器添加至TOT滤波器的第一加热器以在滤波器两侧引入热梯度，从而改变有效滤波器精细度和激光器线宽。第二加热器的功率可以是恒定的或者是时间变化的，从而设置精细度或者线宽、或者感应出时变的精细度和线宽。按照这种方式，可以动态地改变激光器纵模的个数、反射的准直束功率或者激光输出功率，波长有变化或者没有变化。加热器可以采取沿滤波器一侧的条带形式，导致了从滤波器一侧到另一侧的近似一维的梯度。替代地，加热器可以采取在滤波器中心的“点状”加热器的形式，从而提供从中心到滤波器边缘的径向热梯度。当调制精细度时，可以一起控制第一加热器和第二加热器以保持恒定的平均透射波长。
[0078]在TOT-QCL的另一个方面，隔膜滤波器/标准具可以变形，允许其用作透镜。这可以故意地进行以改进或退化外腔，使得激光器接通或关断，并且使中心波长偏移。可以通过热感应的热膨胀失配或者通过隔膜两端的压力差来实现机械变形。
[0079]在TOT-QCL的另一个方面，在激光器增益区内具有多个光谱透射峰(“多峰”)的单一滤波器元件可以用在腔室内，以选择多于一个同时激射模式，其中这些激射模式不是相邻的或者处于连续的波长顺序。对于可以支持在Iambdal、lambda2和lambda3波长下的同时激射的激光器增益介质，这可以对于单一激光器是有益的以支持在Iambdal和lambda3而不是在lambda2下的同时激射，并且这可以通过结合在Iambdal和lambda3而不是在lambda2下具有透射峰的TOT滤波器元件来实现。可以通过二向性滤波器或者通过使用分立滤波器来在激光输出功率检测器处实现波长区分。
[0080]在TOT-QCL的另一个方面中，在激光器增益区内具有多个光谱透射峰(“多峰”)的TOT滤波器可以用在激光腔中，以选择多于一个非同时激射波长，其中TOT滤波器温度保持恒定。激光器操作条件中的一个或多个变化可以用于实现非同时激射，包括作为脉冲激光器(即，激光器接通和关断)操作、改变脉冲占空比、改变脉冲持续时间、改变激光功率或者改变激光温度。作为示例，考虑在波长I和波长2具有通带的多峰滤波器(或者滤波器的组合)。如果在波长I操作时改变激光温度，那么可能在波长3下引入不同的操作波长。然而，利用插入到激光器腔中的TOT滤波器，波长3对于激光器操作不比波长2优选，并且激光器将在波长2操作。按照这种方式，可由优选地选择或排除一定的操作波长，例如需要与一定的参考波长相结合来选择特定的气体吸收线。
[0081]可以通过两个TOT滤波器进行游标调谐使得两个波长具有等价的透射特性，来实现多峰TOT滤波器。可以通过TOT滤波器调谐中的较小变化或者通过在操作条件中感应出一些气体变化，来迅速地在不同的波长之间切换，例如改变激光器操作温度或者驱动电流，从而改变QCL曾益曲线特性。当按照CW模式操作时，有利地是通过暂停CW激光器的优先级以保持其电流操作波长来脉冲驱动激光器电流，以辅助实现新的波长，而不管另一个波长下产生更多的有利操作条件。使用不同类型的滤波器或者前述滤波器的组合，多峰滤波器包含了多于两个峰的可能性。
[0082]本领域普通技术人员应该理解的是不可调多通带滤波器可以实现这些结果，而无须动态地调节新的波长或者操作条件的能力。然而，可调TOT滤波器可以是优选的。例如，由于环境条件(例如，外腔温度)或者激光器增益轮廓(如随着老化或者强化实验而发生的)中的变化，TOT滤波器可以调节其通带特性以补偿这些变化，从而确保随时间和环境维持所需的操作波长或功率。
[0083]在TOT-QCL的另一个方面，在激光器增益区内具有多个透射峰(“多峰”)的TOT滤波器，其中滤波器透射峰可以设计为与激光器增益波长匹配(或者反之亦然)，以便实现在多于一个波长下同时激射或者由于TOT-QCL操作条件(例如，激光功率、脉冲持续时间、功率级别或温度)的变化而激射。
[0084]在许多工业应用中，激光器稳定性是用于实现可靠操作、通过背景扫描或平均化实现的信噪比改进以及低维护成本的重要准则。因此，用于改进激光器系统稳定性的技术是重要的。一个这种技术是通过系统的一种或多种元件的设计，减小系统对于环境或者系统混乱的灵敏度。透镜热能化是光学设计中的这种设计的一个示例。
[0085]考虑到T0T-QCL，其中增强一定的纵向腔模，使得特定操作条件下的小变化不会导致激光波长(EM-QCL)的变化。例如，可以通过QC激光器晶面的反射来产生纵模(例如，通过QCL的两个端面、QCL晶面之间以及外腔内的其他部分或全反射表面的晶面反射来产生光学谐振或腔室模式)。尽管需要面向外腔的腔体晶面(表面)上的良好抗反射涂层来减小这种模式的强度，也可以通过提供晶面表面的更大反射来加强这种效果。因此，激光器将具有增加的性能，以只在QCL腔室模式支持的那些波长下激射。因此，当TOT滤波器改变温度(或者例如，光学腔的有效长度随着腔室结构中的温度变化而变化)时，激光器将停留在一个波长，直到温度变化足以在另一个QCL腔室模式下产生优选的激射条件。作为示例，对于在4.5um下操作的典型QCL，QCL模式间隔可以是lnm，并且在从纵模到横模转变时TOT滤波器温度中的变化可能超过5摄氏度。因此，现在减小了对于TOT滤波器的温度稳定性要求。重要的是也减小了在TOT滤波器的整个温度范围的绝对温度精度。例如，如果TOT滤波器在400°C和500°C之间操作，其要求在500°C下5°C的温度改变来越过腔室模式，所述系统值需要将长期温度精度保持在2.5°C即可。然而，短期稳定性和长期可靠性的容限不是独立的，必须在系统设计中进行分配和平衡。
[0086]QCL的晶面可以是未涂覆的以便增强晶面反射率。可以将涂层沉积到晶面上，具有大于I %的反射率以增强腔室纵模。模式选择强度(通过增加晶面反射率)和将TOT滤波器调谐远离模式波长时发生的激光器阈值增加(当TOT滤波器调谐时可能导致激光功率的变化)之间存在折衷。
[0087]对于一些应用，Inm左右的纵向间隔可能是需要的。外腔内的其他表面可以用于获得所需的间隔。替代地，可以将诸如标准具或其他滤波器结构的模式产生光学元件引入到具有正确模式间隔和表面反射率的腔室中，以实现所需的波长和模式强度。可以将这些光学元件热能化或者安装到TE冷却器以实现所需的温度稳定性和可重复性。可以通过将元件相对于光轴对准来进一步调节模式间隔，并且通过机械装置(例如，压电驱动器)固定在位、或者实现动态可调。
[0088]激光器可以具有多于一种模式增强结构。例如，存在由如前所述的激光器芯片、EC(外腔)反射(或输出耦合)反射镜、另一个至少部分反射的表面以及EC内的其他光学表面产生的纵模。TOT-QCL可以设计为在不同的波长(或间隔)和不同的强度下具有多个模式产生结构(例如，图7的标准具腔室44)。例如，可以通过具有相对良好抗反射涂层的表面以及模式之间的较短波长间隔(即较厚的低Q标准具)来产生一组弱腔室模式，而可以在比第一组大的波长间隔(即，具有差AR晶面涂层的QC)下产生第二组较强的腔室模式。第一组腔室模式可以在一定波长下间隔开，以实现激光器是所需光谱分辨率。第二组腔室模式可以是便于在更大波长、较长的时间段、环境条件条件变化或者其他因素下的激光器校准的间隔。因此可以预想模式间隔和模式强度的不同组合，每一个相对于保持所需的波长或者功率可重复性、激光波长的稳定性或间隔、或者激光器操作条件的功率调制的具体级别具有特别的优势。
[0089]在所述的EM-QCL中，激光器可以按照脉冲操作或者连续操作模式操作。如果按照Cff操作，激光器可以“锁定”到给定的波长，使得当TOT滤波器用于调谐激光器时，激光器“固定”在给定的频率(和纵模)上，从而强制TOT滤波器调谐甚至超过TOT滤波器透射峰与下一个纵模对准的点，以实现在相邻纵模下激射波长的变化。这具有另外的缺点:当TOT滤波器调谐进一步远离当前操作波长的最优波长时，阈值功率增加，并且减小了来自激光器的输出功率。可以通过允许激光器在脉冲接通时在TOT滤波器与腔室纵模最靠近对准的波长激射，将按照CW模式操作的激光器脉冲驱动以减轻或者小于这种效应。
[0090]因此，对CW操作下的TOT-QCL激光器进行调谐的方法如下:
[0091]1.建立激光器的操作的第一波长，其中激光器的腔室纵模和TOT滤波器通带对准(注意:Τ0Τ滤波器可以包括一个或多个光学滤波器，并且腔室纵模可以是有TOT-QCL内的模式产生表面的组合产生的有效模式)
[0092]2.将TOT滤波器调谐到激光器的第二纵模的波长位置，所述激光器继续在第一操作波长下激射
[0093]3.减小单一脉冲下激光器的电功率，使得激光器在与激光器的第二纵模相对应的波长下激射
[0094]在另一个方面，按照非常长的占空比(即，99.9%全功率，1%减小的功率)并且相对于激光器用于收集数据的时间较短的脉冲时间(即I微秒)，来连续地脉冲驱动激光器。这替换了所述的步骤3。
[0095]在另一个方面，通过改变TOT滤波器波长以最大化激光功率的方法来确定腔室模式与TOT滤波器透射峰的对准。
[0096]在另一个方面，使用控制回路在给定的腔室模式波长下维持最大输出功率，其中以下方式实现控制:1)设置所需的操作波长；2)利用检测器监测激光输出功率；以及3)改变TOT滤波器的温度以实现所需的功率、或者功率和波长(输出量)。
[0097]在另一个方面，通过改变腔室模式确定装置的温度或其他操作条件来改变TOT-QCL的激射波长。作为示例，腔室模式确定装置可以是QC激光器，其中激光器的腔室模式是至少部分地由QC激光器的长度和温度确定的QC激光器的芯片模式。TOT滤波器的温度可以与腔室模式波长中的变化同时改变，以便保持腔室模式的波长和TOT滤波器对准。控制回路可以用于维持所述对准，其中调节TOT滤波器或者腔室模式确定装置以维持最大功率。
[0098]在另一个方面，控制回路可以操作以维持恒定功率而不是最大功率。通过这种装置，可以在每一个波长下保持激光功率恒定，其中激光器用于产生测量数据。
[0099]在另一个方面，可以通过改变输入到QC激光器的电流来改变腔室模式的波长。当激光器电流改变时，控制回路可以用于通过TOT滤波器的控制来维持恒定的激光输出功率。作为示例，可以控制相对于彼此调节两个TOT滤波器的透射峰的波长、组合的滤波器透射的中心波长和FWHM通带。在另一个方面，当改变QCL电流时，控制回路可以用于通过激光器温度的控制来维持恒定的激光输出功率。在另一个方面，当QCL激光器温度改变时，控制回路可以用于控制激光器输入电流。
[0100]在另一个实施例中，TOT滤波器(腔室或DBR材料)中的一定光学吸收特征可以用于提供波长基准。例如，已知由无定形硅构成的TOT滤波器具有在约5um周围的吸收特征。也可以将TOT滤波器设计为具有特定吸收特征的材料。例如，具有硅作为光学腔室的TOT滤波器可以具有掺杂有杂质的硅，当在可调波长上进行扫描时，所述杂质提供可以用作对TOT-QCL进行校准的光学基准的一个或多个吸收特征(即，所述滤波器在吸收波长下具有减小的透射，导致了相对于非吸收波长的激光输出功率调制)。替代地，可以将涂层沉积到滤波器上以实现吸收特征。[0101]模式产生光学元件也可以用作系统内的光学基准。
[0102]可以如图26所述地高度集成滤波器。在该实施例中，将滤波器管芯结合在一起，使用对于MEMS技术中的普通技术人员已知的多种技术之一在管芯级别或晶片级别进行结合。同样使用MEMS工艺技术，可以利用孔来密封或者减轻滤波器之间的间隙或腔室，以允许气体容易进入到滤波器之间的空间。有利的是对所述间隙进行密封和抽真空(可以使用晶片结合技术)或者用已知气体回填。所述气体的热导率可以比氮的热导率高或者低。所述气体也可以在基准波长下具有光谱吸收，对于保持系统的波长校准和稳定性是有用的。多于两个滤波器的堆叠也是可能的，所提供的空间或刻蚀的腔室用于避免热隔离滤波器元件之间的热接触，并且使用用于使能与掩埋引线的电接触的半导体技术。然后可以将作为单一组件的结合滤波器热学地附着至导热衬底或底座。
[0103]QCL的增益曲线也提供了基准波长。QCL增益曲线至少包含一个峰(图2)或者其他光谱特征，所述峰或其他光谱特征导致了 TOT-QCL的功率输出中的峰或光谱特征。QCL的增益曲线可以构建以提供增益曲线内的特征用作波长基准。当在增益曲线上调谐TOT-QCL时，可以对所得到的激光器的光谱密度输出进行分析以确定已知的QCL光谱特征相对于TOT-QCL滤波器温度的位置。按照这种方式，可以随时间重新校准TOT滤波器对于激光波长的校准，以考虑TOT-QCL系统中的漂移或不稳定。附加的光谱基准点可以用于增加基准校准的精度。
[0104]众所周知，一些激光器展现出横模和纵模。QCL可以具有单横模(例如ΤΕΜ00)，或者可以展现出多个横模。在许多应用中，单一 TEMOO模是优选的。然而，由于设计或制造，给定的QCL可能展现出非TEMOO行为。外腔中的TOT滤波器可以用于在QCL激光腔中提供反馈，以优先地选择优选的横模操作。可以通过提供针对优选操作模式的极高的腔内增益来实现优选的反馈。TOT滤波器可以设计为具有与光程正交的空间梯度，以增加一定的激光器横模的损耗。在另一个方面，滤波器可以被在QCL的操作波长吸收或者是非透射的材料包括，使得当准直束通过滤波器时阻挡了准直束的一部分。
[0105]尽管这里描述的许多实施例对于用作外腔激光器中的腔内元件是有用的，它们也对于用作激光器或其他光源的可调波长选择滤波器是有用的，所述激光器或其他光源在多个波长下具有光谱输出，例如法布里-波罗QCL。可调滤波器可以用于选择针对光源的感兴趣的光谱波长的一个或多个。
[0106]TOT滤波器也可以与QCL结合使用以产生如前所述的在多个波长下同事发射的激光源。作为示例如前所述，单一的TOT可以具有在TOT滤波器的自由光谱范围间隔开的多个通带。当用作EC-QCL中的可调元件时，激光器可以进行操作，使得激光器在多于一个波长下产生光学输出，在所述波长处TOT滤波器通带和以上的阈值激光器增益曲线相交。然后可以在自由光谱范围上调谐TOT滤波器以实现完整光谱覆盖，虽然在TOT滤波器的每一个操作点具有多个激光输出波长。
[0107]这种同时的波长激光源可以用作如在Pflugl等人(US2011/0058176A1)中的高亮度宽带源。然而，尽管Pflugl描述了静态的宽带单一光源(例如，FP激光器)或者用作单一光源的多个窄可调宽带源，我们描述了一种同时产生多个窄光谱发射的单一激光器，可以随时间进行调谐以产生所需的宽带光谱波长覆盖。
[0108]当与诸如干涉仪之类的波长色散元件相结合时，这种TOT-QCL同时波长源可以利用单一的激光器实现宽得多的光谱覆盖(使用扫描和可调谐性)，或者实现与阵列QC激光器相同的覆盖，所述每一个阵列QC激光器的每一个在不同的波长下操作(可能无需扫描并且具有窄的FSR)。与利用两个TOT滤波器来实现单一操作波长的模式操作相比较，同时的源和干涉仪消除了对于第一 TOT滤波器的需要，同时在通过干涉仪同时测量的光谱波长处提供之前不能获得的(利用宽带相干源)非常窄的高功率光谱线。
[0109]当用于干涉仪时，可以按照更慢、更快或者与干涉仪的扫描同相的速率调谐所述同时源。如果比干涉仪缓慢的进行扫描，典型的操作模式将手机干涉仪扫描、将源调谐到新的操作点，从而输出新的一组同时波长、接着是第二干涉仪扫描。
[0110]新颖性的方面
[0111]下面利用相应的编号1、100、200、300、400、500和600略述了新颖性的不同组的方面。
[0112]1.一种具有激光输出的可调激光器，包括:
[0113]固态激光介质，包括光学增益区，并且操作为响应于电信号通过晶面产生相干辐射；
[0114]透镜，操作为收集相干辐射，并且产生准直束；
[0115]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0116]光学滤波器，包括两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热学可调光学透射带，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，并且操作为:
[0117](I)在所需的操作波长下透射准直束，以及
[0118](2)从每一个表面镜面反射准直束，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播。
[0119]2.根据I所述的可调激光器，还包括第二光学滤波器，所述第二光学滤波器具有在激光介质的操作范围内的热学可调的透射带，位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，并且操作为:
[0120](I)在所需的操作波长下透射准直束，
[0121](2)从每一个表面镜面反射准直束，所述准直束入射到光学滤波器上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播，以及
[0122](3)在第一波长下透射与第一光学滤波器相同波段的辐射，并且在第二波长阻止透射
[0123]3.根据2所述的可调激光器，其中所述第一和第二光学滤波器是标准具，每一个滤波器具有不同的自由光谱范围并且配置为作为可调游标滤波器操作以产生可调激光
[0124]4.根据I所述的可调激光器，其中所述反射面是部分透射的以产生激光输出
[0125]5.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束是激光输出
[0126]6.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变
[0127]7.根据6所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束用作参考信号
[0128]8.根据I所述的可调激光器，其中将可调滤波器和发射面组合到光学透明的公共衬底上[0129]9.根据I所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到公共衬底上，所述公共衬底包括用于透射准直束的孔径
[0130]10.根据I所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率与激光输出的功率成反比关系
[0131]11.根据I所述的可调激光器，其中将激光器增益介质、透镜、光学滤波器和反射面安装到温度稳定的导热衬底上
[0132]12.根据I所述的可调激光器，其中将可调激光器和透镜进行组合以形成单一组件
[0133]13.根据I所述的可调激光器，其中在可调光学滤波器的所需操作波长下光学滤波器的热学可调透射区的空间直径比准直束的Ι/e2直径小至少22%
[0134]14.根据13所述的可调激光器，其中所述可调透射区还包括在可调激光器的所有操作波长下同时透射的区域
[0135]15.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述标准具的自由光谱范围超过了固态激光介质的光学增益区的波长宽度
[0136]16.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述固态激光介质的光学增益区具有散布在高增益区之间的低增益波长区，所述低增益区与标准具的光学通带相对应
[0137]17.根据I所述的可调激光器，其中热学可调透射带的波长由于准直束的吸收而改变
[0138]18.根据17所述的可调激光器，还包括控制电路，所述控制电路操作为响应于准直束的吸收来改变光学滤波器的温度
[0139]19.根据I所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述可调激光器还包括绝热标准具，所述光学滤波器标准具的自由光谱范围小于绝热标准具的自由光谱范围
[0140]20.根据I所述的可调激光器，还包括:光栅，用于机械地调谐激光输出
[0141]21.根据I所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变光学滤波器的温度来保持恒定的激光输出功率
[0142]22.根据I所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变镜面反射的准直束的功率来保持恒定的激光输出功率
[0143]-------------------------------
[0144]100.一种热可调光学滤波器，包括:
[0145]导热衬底；
[0146]滤波器区，包括热光材料和两个分布式布拉格反射器，所述滤波器区沿光传播方向的厚度小于导热衬底的厚度；
[0147]热隔离区，连接衬底和滤波器区，所述热隔离区具有温度梯度；
[0148]图案化的薄膜加热器，用于响应于电信号改变滤波器区的温度，所述加热器与滤波器区热学地耦合并且通过热隔离区与衬底隔离；
[0149]图案化的温度传感器，与滤波器区热学地连接；
[0150]所述滤波器区内的光学透射波长响应于提供给加热器的电信号而改变；以及
[0151]控制电路，操作为控制所述加热器电信号[0152]101.根据100所述的热可调滤波器，其中所述薄膜加热器是光学透射的，并且实质上覆盖滤波器区
[0153]102.根据100所述的热可调滤波器，其中所述薄膜加热器的形状和位置减小了滤波器区中的热学不均匀性
[0154]103.根据100的热可调滤波器，其中所述光学透射率沿与光学传播的优选方向正交的方向空间地变化，以减小光学通带的空间变化
[0155]104.根据100的热可调滤波器，其中所述分布布拉格反射器包括导热层
[0156]105.根据100的热可调滤波器，还包括导热、光学透明且导电的层
[0157]106.根据100的热可调滤波器，其中所述滤波器区是曲面
[0158]107.根据100的热可调滤波器，其中所述衬底包括掩埋氧化物层
[0159]108.根据100的热可调滤波器，其中对所述图案化的薄膜加热器被图案化为在光学透射区中产生空间变化的光学通带
[0160]109.根据100的热可调滤波器，其中对所述图案化的薄膜加热器被图案化为减小光学透射区中空间变化的光学通带[0161]110.根据102的热可调滤波器，还包括第二独立受控的加热器
[0162]------------------------------------------------------
[0163]200.一种外腔半导体激光器，包括:
[0164]固态激光介质，操作为响应于电信号通过第一晶面产生相干福射；
[0165]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0166]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0167]热光薄膜滤波器，所述热光薄膜滤波器垂直于准直束的光学传播方向具有空间厚度梯度
[0168]201.根据200的外腔半导体激光器，其中所述厚度梯度包括光学厚度的离散变化
[0169]202.根据200的外腔半导体激光器，还包括:热光材料，以根据所述热光材料的温度改变外腔的光程长度
[0170]---------------------------------------------
[0171]300.一种具有激光输出的外腔可调激光器，包括:
[0172]固态激光介质，操作为响应于激光器电信号通过第一晶面产生相干辐射；
[0173]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0174]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质；
[0175]两个热光薄膜滤波器，每一个热光薄膜滤波器具有加热器，两个热光薄膜滤波器一起作为光学游标波长调谐器操作；
[0176]控制电路，操作为产生用于控制热光薄膜滤波器的温度的加热器信号，并且调制游标光学通带和激光输出功率
[0177]301.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述游标光学通带的调制接通和关断激光输出
[0178]302.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出功率的调制实质上是正弦的
[0179]303.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器电信号
[0180]304.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出是脉冲信号，并且同步调制改变信号脉冲的持续时间
[0181]305.根据300的具有激光输出的外腔可调激光器，其中控制激光器温度，并且所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器温度
[0182]------------------------------------------------
[0183]400.一种具有激光输出的外腔可调激光器，包括:
[0184]固态激光介质，操作为向应于激光器电信号通过第一晶面产生相干辐射；
[0185]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0186]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质；
[0187]两个热光薄膜滤波器，每一个热光薄膜滤波器具有加热器，两个热光薄膜滤波器一起作为光学游标波长调谐器操作；
[0188]控制电路，操作为产生用于控制热光薄膜滤波器的温度的加热器信号，以调制游标光学通带，并且保持实质上稳定的激光输出功率
[0189]401.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器电信 号
[0190]402.根据401的具有激光输出的外腔可调激光器，其中所述激光输出是脉冲信号，并且同步调制改变信号脉冲的持续时间
[0191]403.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中控制激光器温度，并且所述控制电路同步地调制游标光学通带和激光器温度
[0192]404.根据400的具有激光输出的外腔可调激光器，其中将激光输出保持在恒定的波长
[0193]-------------------------------------------------
[0194]405.一种产生激光输出的可调激光器,包括:
[0195]固态激光介质，操作为响应于电信号通过第一晶面产生相干福射；
[0196]透镜，操作为收集相干辐射并且产生准直束；
[0197]反射面，用于将准直束反射回透镜和激光介质，从而产生外部激光腔；
[0198]光学滤波器，具有在激光介质的操作范围内的热学可调的透射带，并且位于反射面和透镜之间的外部激光腔内，所述可调透射带由于准直束的吸收而改变波长
[0199]406.根据405的可调激光器，其中通过准直束的吸收来调制激光输出功率
[0200]407.根据406的可调激光器，其中通过准直束的吸收来增加激光输出的光学线宽。
[0201]-------------------------------------------------------
[0202]500.一种热可调光学滤波器组件，包括:
[0203]第一和第二导热衬底；
[0204]第一和第二热光滤波器区，与第一和第二衬底热学隔离，所述第一和第二滤波器区分别具有第一和第二自由光谱范围；
[0205]温度控制组件，用于控制第一和第二滤波器区的温度；
[0206]第一和第二导热衬底，结合在一起以产生第一和第二滤波器区之间的热隔离间隙[0207]501.根据500的热可调光学滤波器组件，其中所述热隔离间隙包含真空
[0208]502.根据500的热可调光学滤波器组件，其中所述热隔离间隙包含在第一热光滤波器区的光学透射带内具有吸收线的气体
[0209]503.根据500的热可调光学滤波器组件，其中第一和第二滤波器区的面对热隔离间隙的表面形成了在第一和第二滤波器区的光学透射带内具有光学透射带的标准具
[0210]504.根据500的热可调光学滤波器组件，其中第一和第二滤波器区的面对热隔离间隙的表面是非平行的
[0211]--------------------------------------------
[0212]600.一种调谐外腔激光器的方法，包括:
[0213]向激光器增益介质供应控制信号以产生连续波操作的激光输出；
[0214]设置外腔内的可调部件的第一操作条件以选择第一光学反馈和激光器操作的第一波长； [0215]改变外腔内的可调部件的第二操作条件以选择第二光学反馈，所述激光器仍然在第一波长下操作；
[0216]在控制信号内产生脉冲以开始激光器操作的第二波长
[0217]601.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中脉冲长度小于10微秒
[0218]602.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中通过以小于控制信号初始幅度的50%调制控制信号来产生脉冲
[0219]603.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中使用腔内光学模式将激光器操作维持第一波长下，而改变可调部件的操作条件
[0220]604.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中在增益介质的晶面之间产生腔内模式
[0221]605.根据603的调谐外腔激光器的方法，其中在增益介质的晶面和外腔反射镜之间产生腔内模式
[0222]606.根据603的调谐外腔激光器的方法，其中通过可调部件产生腔内模式
[0223]607.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中可调部件是光栅，操作条件是机械位置，并且光学反馈条件是波长反射峰
[0224]608.根据600的调谐外腔激光器的方法，其中可调部件是热光滤波器，操作条件是温度，并且反馈条件是光学带通波长
[0225]尽管已经具体地示出和描述了本发明的各种实施例，本领域普通技术人员应该了解的是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。
【权利要求】
1.一种具有激光输出的可调激光器，包括: 固态激光介质，具有光学增益区，并且操作为响应于电信号通过晶面产生相干辐射； 透镜，操作为收集相干辐射，并且产生准直光束；以及 外腔的部件，包括反射面和光学滤波器，所述反射面将准直束反射回透镜和激光介质，所述光学滤波器位于反射面和透镜之间并且具有两个表面，所述两个表面具有在激光介质的光学增益区内的热学可调光学透射带，所述准直束入射到光学滤波器的每一个表面上，所述光学滤波器操作为: (1)在所需的操作波长下透射入射的准直束的主要部分，以及 (2)在所需的操作波长下镜面反射入射的准直束的其余部分，所述准直束入射到光学滤波器的每一个表面上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成非零角度地传播。
2.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述外腔还包括位于反射面和透镜之间的外部激光腔内的第二光学滤波器，所述第二光学滤波器具有在激光介质的操作范围内的热学可调透射带并且操作为: (1)在所需的操作波长下透射准直束的第二主要部分， (2)镜面反射准直束的第二其余部分，所述准直束入射到第二光学滤波器的每一个表面上，使得反射的准直束相对于入射的准直束成角度地传播，以及 (3)在第一波长下透射与第一光学滤波器相同波段的辐射，并且在第一光学滤波器的透射的第二波长下阻止透射。
3.根据权利要求2所述的可调激光器，其中所述第一和第二光学滤波器是标准具，每一个滤波器具有不同的自由光谱范围并且配置为作为可调游标滤波器来操作以产生可调激光。
4.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述反射面是部分透射的以产生激光输出。
5.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束是激光输出。
6.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变。
7.根据权利要求6所述的可调激光器，其中相比于镜面反射的准直束的功率根据对光学滤波器的热学调谐而改变，激光输出的功率按照更慢的速率改变。
8.根据权利要求6所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束用作参考信号。
9.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到光学透明的公共衬底上。
10.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调滤波器和反射面组合到公共衬底上，所述公共衬底包括用于透射准直束的孔径。
11.根据权利要求1所述的可调激光器，其中镜面反射的准直束的功率与激光输出的功率成反比关系。
12.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将激光器增益介质、透镜、光学滤波器和反射面安装到温度稳定的导热衬底上。
13.根据权利要求1所述的可调激光器，其中将可调激光器和透镜进行组合以形成单一组件。
14.根据权利要求1所述的可调激光器，其中在可调光学滤波器的所需操作波长下光学滤波器的热学可调透射区的空间直径比准直束的1/e2直径至少小22%。
15.根据权利要求14所述的可调激光器，其中所述可调透射区包括在可调激光器的所有操作波长下同时透射的区域。
16.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述标准具的自由光谱范围超过固态激光介质的光学增益区的波长宽度。
17.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，并且所述固态激光介质的光学增益区具有散布在高增益区之间的低增益波长区，所述低增益区与标准具的光学通带相对应。
18.根据权利要求1所述的可调激光器，其中热学可调透射带的波长由于准直束的吸收而改变。
19.根据权利要求18所述的可调激光器，还包括控制电路，所述控制电路操作为响应于准直束的吸收来改变光学滤波器的温度。
20.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述光学滤波器是标准具，所述可调激光器还包括绝热标准具，光学滤波器标准具的自由光谱范围小于绝热标准具的自由光谱范围。
21.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括光栅，用于机械地调谐激光输出。
22.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变光学滤波器的温度来保持恒定的激光输出功率。
23.根据权利要求1所述的可调激光器，还包括:控制电子装置和激光功率检测器，操作为通过改变镜面反射的准直束的功率来保持恒定的激光输出功率。
24.根据权利要求1所述的可调激光器，其中所述激光输出在连续波操作的第一所需波长上，并且激光介质电信号被脉冲输出以将激光器调谐至连续波操作的第二所需波长。
【文档编号】H01S3/10GK103907248SQ201280023504
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年5月16日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】马一山, 查尔斯·M·马歇尔 申请人:红移系统有限公司
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1