线偏振窄线宽外腔式半导体激光器

本发明属于半导体激光器，尤其涉及一种线偏振窄线宽外腔式半导体激光器。

背景技术：

1、量子精密测量在国防军事、空间探测、生物医疗和基础科学等领域有着至关重要的意义，其是雷达成像、精确制导、核磁共振成像和冷原子物质波干涉实验等领域的关键技术。其中，原子钟、原子陀螺仪、原子磁强计和原子重力仪等典型量子测量系统是基于光、磁与原子的相互作用，通过原子极化、自旋、压缩态和相干态等量子态操纵，实现时间、磁场、惯性、引力波等物理量的表征。激光器的高偏振有助于提升pdh稳频系统和干涉系统性能，实现高准确度和高分辨率的精密测量。上述应用需要窄线宽激光器来满足原子的精细能级跃迁和探测，如铷原子的d1线和d2线分别需要795nm波段的激光光源和780nm波段的激光光源，以及对应铯原子的d1线和d2线分别需要894nm波段的激光光源和852nm波段的激光光源。原子的精细能级跃迁与探测对激光线宽有着苛刻的性能要求，兼具窄线宽、结构紧凑优势的窄线宽半导体激光器成为量子精密测量光源的首选。

2、目前，光纤和固体激光器容易实现khz量级的线宽输出，但难以直接实现原子跃迁和探测所需激光波长，需采用倍频或和频方法。基于二次谐波效应的倍频激光器方案，其结构更加复杂，也受到频率转换效率的制约。单片集成半导体激光器通过优化光栅耦合系数、腔长，可以实现百khz的线宽，但芯片长度限制了线宽的进一步压窄，二次外延和百纳米光刻精度也增加了复杂度和成本。基于littrow和littman结构的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器具有波长控制灵活和窄线宽的优势，但调节复杂度和有限的机械稳定性，容易因为振动导致波长失谐。上述几种方案虽然可以获得20db左右的偏振消光比（polarizationextinction ratio，per），但想要获得更高的偏振消光比，需要引入外部被动偏振控制器。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种结构简单、工艺灵活、提高偏振消光比的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，包括：脊波导增益芯片、光子滤波器和耦合透镜，脊波导增益芯片与光子滤波器通过耦合透镜进行耦合；其中，脊波导增益芯片采用压应变量子阱结构，以提升te模式增益并抑制tm模式增益；光子滤波器基于自身的双折射效应，以增强脊波导增益芯片的te模式选择和反馈，实现窄线宽线偏振的激光输出。

4、进一步的，耦合透镜为光学透镜或锥形光纤透镜。

5、进一步的，在脊波导增益芯片靠近耦合透镜的一端镀制增透涂层，在脊波导增益芯片远离耦合透镜的一端镀制高反射涂层或低反射涂层。

6、进一步的，光子滤波器采用高反射率结构或布拉格光纤光栅结构。

7、进一步的，布拉格光纤光栅结构采用飞秒激光逐点刻写而成，通过飞秒激光诱导的折射率调制和形貌调制，实现光子滤波器的双折射效应。

8、进一步的，通过调节飞秒激光的能量加工出不同切趾函数分布的光子滤波器。

9、进一步的，脊波导增益芯片采用脊型弯曲波导结构，脊型弯曲波导结构靠近耦合透镜的端面相对于耦合透镜的光轴弯曲7°。

10、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

11、1、脊波导增益芯片采用压应变量子阱，基于晶格失配引入应变以提高te模式与tm模式的模式增益差，光子滤波器通过飞秒激光诱导引入双折射效应，通过较大的波长差，增强对te模式的选择，实现更大的模式增益差，提高整个外腔式半导体激光器的偏振消光比，最终实现窄线宽线偏振的激光输出。

12、2、通过调节飞秒激光能量可以灵活的制备光子滤波器，而不受限于波段、周期等限制，也无需大量使用光刻版。

技术特征：

1.一种线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，包括：脊波导增益芯片、光子滤波器和耦合透镜，所述脊波导增益芯片与所述光子滤波器通过所述耦合透镜进行耦合；其中，所述脊波导增益芯片采用压应变量子阱结构，以提升te模式增益并抑制tm模式增益；所述光子滤波器基于自身的双折射效应，以增强所述脊波导增益芯片的te模式选择和外腔反馈，实现窄线宽线偏振的激光输出。

2.根据权利要求1的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，所述耦合透镜为光学透镜或锥形光纤透镜。

3.根据权利要求1的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，在所述脊波导增益芯片靠近所述耦合透镜的一端镀制增透涂层，在所述脊波导增益芯片远离所述耦合透镜的一端镀制高反射涂层或低反射涂层。

4.根据权利要求1的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，所述光子滤波器采用高反射率结构或布拉格光纤光栅结构。

5.根据权利要求4的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，所述布拉格光纤光栅结构采用飞秒激光逐点刻写而成，通过飞秒激光诱导的折射率调制和形貌调制，实现所述光子滤波器的双折射效应。

6.根据权利要求4或5的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，通过调节飞秒激光的能量加工出不同切趾函数分布的光子滤波器。

7.根据权利要求1的线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，其特征在于，所述脊波导增益芯片采用脊型弯曲波导结构，所述脊型弯曲波导结构靠近所述耦合透镜的端面相对于所述耦合透镜的光轴弯曲7°。

技术总结
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种线偏振窄线宽外腔式半导体激光器，包括：脊波导增益芯片、光子滤波器和耦合透镜，脊波导增益芯片与光子滤波器通过耦合透镜进行耦合；其中，脊波导增益芯片采用压应变量子阱结构，以提升TE模式增益并抑制TM模式增益；光子滤波器基于自身的双折射效应，以增强脊波导增益芯片的TE模式选择和反馈，实现窄线宽线偏振的激光输出。本发明通过外腔光反馈注入锁定技术，利用光子滤波器的双折射效应，为脊波导增益芯片提供主偏振本征模式的选择和反馈，实现窄线宽线偏振的激光输出。

技术研发人员：陈超,陈加齐,张建伟,宁永强,王立军
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12