基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置

本发明涉及光电子，更具体的说是涉及一种中红外波段(如2.8 μm波段)中红外激光光源发生装置，可以应用于遥感、大气检测、激光光谱学、激光医疗、红外军事对抗等领域。

背景技术：

1、2～4μm中红外激光在生物医学、材料加工、气体检测、红外军事对抗等诸多领域都具有极其重要的应用前景而被广泛关注。尤其是工作波长位于2.8 μm波段的中外红激光，由于水分子以及大气中的很多气体分子如co2、h2s、 ash3等分子的强吸收峰区域波长恰好位于该波段，因而被广泛应用于遥感、大气检测、激光光谱学与红外军事对抗等领域；此外，由于人体组织中的主要成分是水分子，因此2.8μm激光光源也是医疗领域所需的理想光源，目前已经被应用于各种激光手术中。近十几年来，得益于中红外光纤材料与器件的迅速发展，2.8μm波段的激光光源已经取得很多重要突破。

2、一方面，稀土er3+离子在2.8μm波段具有极宽的荧光增益谱 (2700～2950nm)，该种离子掺杂的氟化物光纤(zblan)是该波段比较理想的激光器用增益光纤介质。另一方面，为获得2.8μm波段，采用980nm的抽运光可以在理论上提供最高的量子效率；另外，大功率半导体激光器由于体积小，重量轻，可直接调制，电光转换效率高，输出光束质量好等优点，非常适宜作为光纤激光器的泵浦光源。因此采用980nm高功率半导体激光器作为泵浦光源，高掺杂er3+氟化物光纤作为增益光纤，是获得2.8μm波段中红外光源的理想方案。

3、但是，如何将泵浦光源激射的泵浦光简单、高效地耦合进入增益光纤是亟待解决的问题。目前已报道的技术中，多采用泵浦光源准直系统与微透镜聚焦耦合系统相结合来实现二者的耦合，但是该种耦合方式一方面增加了光源系统的复杂度，使得光源体积小型化有一定的困难；另一方面该种耦合方式对各系统器件的空间摆放位置精度要求较高，同时耦合效率较低，导致泵浦光的利用率较低。因此，如何获得一种结构简单紧凑、工艺简便、耦合效率高的中红外激光光源，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置，是一种基于光子引线键合实现高耦合效率、基于高功率近红外波段(如 980nm，790nm及650nm波段等)半导体激光器提供泵浦光源、以掺杂稀土离子(如er3+)氟化物光纤为增益光纤的性能优良的中红外波段(如2.8μm) 激光输出；可减少传统中红外光源的器件数，降低系统的复杂程度；可实现泵浦光与增益光纤的高效耦合，降低耦合损耗至平均0.73db。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置，包括：热沉衬底、泵浦光源发生部、中红外波段增益光纤和耦合光波导；所述热沉衬底表面形成有沟槽；所述泵浦光源发生部和所述中红外波段增益光纤嵌设在所述沟槽内；所述耦合光波导的两端连接所述泵浦光源发生部的输出端和所述中红外波段增益光纤的输入端。

4、所述泵浦光源发生部为边发射高功率半导体激光器；所述耦合光波导为使用光子引线键合技术获得的聚合物光波导；所述中红外波段增益光纤为掺稀土元素(如er3+)的增益光纤；所述热沉衬底为设有用于安置器件的沟槽的钨铜热沉；所述泵浦光源发生部与中红外波段增益光纤集成在热沉衬底上，并保持两者出光端面在空间位置中对准，但允许一定的对准误差；所述耦合光波导通过端面键合的方式与泵浦光源发生部及中红外波段增益光纤的出光端面连接，且耦合光波导外围包裹弹性优良的缓冲胶。

5、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述热沉衬底为铜钨衬底，其尺寸与结构根据泵浦光源发生部与中红外波段增益光纤的尺寸设计；所述热沉衬底设有沟槽，以安置泵浦光源发生部与中红外波段增益光纤；所述热沉衬底设有脊形结构，用以分隔泵浦光源发生部与中红外波段增益光纤，从而为耦合光波导提供空间。

6、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述泵浦光源发生部为直接输出的边发射高功率半导体激光器，激射波长位于近红外波段。

7、所述泵浦光源发生部为直接输出的边发射inp基高功率半导体激光器，激射波长为近红外波段(如980nm，790nm及650nm等)，出射功率为 500mw～1200mw。

8、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述泵浦光源发生部采用均匀布拉格光栅或λ/4相移取样光栅分布反馈式 (dfb)半导体激光器，或采用双沟脊波导结构。

9、也可以用650μm，790μm等波段的半导体激光器作为泵浦光源发生部。

10、此外，为保证泵浦光源优良的出光质量以提高泵浦效率，所述泵浦光源发生部须保证良好的单纵模特性与单横模特性。

11、为保证良好的单纵模特性，所述泵浦光源发生部可采用分布反馈式 (dfb)半导体激光器，其光栅可采用均匀布拉格光栅结构或带有λ/4相移的取样布拉格光栅结构。

12、为保证良好的单横模特性，所述泵浦光源发生部采用双沟脊波导结构，以限制高阶模激射，提高基横模的增益。

13、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述中红外波段增益光纤为掺稀土元素氟化物光纤。

14、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述中红外波段增益光纤的增益波段为中红外波段附近波段。

15、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述中红外波段增益光纤刻蚀调制光栅结构。

16、所述中红外波段增益光纤为掺稀土元素(如er3+)氟化物(zblan)光纤，er3+掺杂浓度为＞70000ppm；所述中红外波段增益光纤包括芯层和包层，其中内包层为双d型结构，其纤芯、内包层和外包层的直径分别为10μm、 240μm×260μm、290μm。

17、所述中红外波段增益光纤增益波段为中红外(如2.8μm)附近；所述中红外波段增益光纤也可刻蚀调制波导布拉格光栅(fbg)结构，获得中心波长如2.8μm窄光谱激光。

18、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述耦合光波导通过580nm波段飞秒脉冲激光器使光刻胶曝光，利用双光子曝光原理引起多光子聚合反应，再结合3d打印技术实现波导结构，并通过显影获得聚合物光波导。

19、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述耦合光波导通过端面键合的方式与所述泵浦光源发生部和所述中红外波段增益光纤的端面连接。

20、优选的，在上述一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置中，所述耦合光波导通过光子引线键合技术获得，且外围包裹弹性缓冲聚合物胶。

21、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于光子引线键合的泵浦中红外光源发生装置，具有以下有益效果：

22、1、本发明提供的基于光子引线键合与高功率半导体激光器泵浦中红外光源发生装置，采用光子引线获得的聚合物光波导，作为泵浦光源与增益光纤的耦合光波导，一方面避开了现有技术中复杂的泵浦光束准直系统与微透镜组耦合系统，另一方面提高了泵浦光的耦合效率，最低耦合损耗低至平均 0.73db。

23、2、本发明提供的基于光子引线键合与高功率半导体激光器泵浦中红外光源发生装置，使用了掺杂浓度＞70000ppm的氟化物光纤作为增益光纤，相比于低掺杂浓度(＜70000ppm)增益光纤，该种增益光纤能够显著提升稀土元素如er3+离子能级跃迁中稀土离子间的能级转移上转换过程(etu1，4i13/2→4i9/2，4i15/2)，进而抑制激光自终止现象，从而提高激光斜率效率。

24、3、本发明提供的基于光子引线键合与高功率半导体激光器泵浦中红外光源发生装置，借助光子引线键合技术，将泵浦光源与增益光纤混合集成至同一热沉衬底上，可实现单片集成式中红外光源；热沉兼具为泵浦光源与增益光纤提供散热通道。

25、4、本发明提供的基于光子引线键合与高功率半导体激光器泵浦中红外光源发生装置，工艺简便，光源体积小，为单片集成式中红外光源，结构新颖、简单紧凑，具有较好的稳定性。