專(zhuān)利名稱(chēng)：石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器(Graphene Mode-locked Optically PumpedThin Disk Semiconductor Lasers, GML-0PDSL)兼顧了面發(fā)射半導(dǎo)體激光器、邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器和固體激光器三者的優(yōu)點(diǎn)，既有好的光斑模式TEM00 (與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比)和較高的輸出功率(與面發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比)，波長(zhǎng)又很容易設(shè)計(jì)成不同波段(與固體激光器相比)；除此之外，還有ー個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)是GML-0PDSL的増益芯片和腔鏡是分離的，激光腔中可以加入加入調(diào)諧元件，獲得不同的功能。當(dāng)在腔中加入石墨烯可飽和吸收元件吋，引入被動(dòng)鎖模機(jī)制，即可產(chǎn)生皮秒或飛秒寬度的脈沖輸出。而超短脈沖激光在生物醫(yī)學(xué)、光通訊、光時(shí)鐘信號(hào)等領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用價(jià)值。在生物醫(yī)學(xué)中觀測(cè)的活性樣品在連續(xù)光照射下容易被破壞，利用紅外超短脈 沖光源的雙光子吸收可以解決這個(gè)問(wèn)題。典型的熒光蛋白質(zhì)的吸收光譜一般在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(例如488nm-514nm波長(zhǎng)范圍)，其雙光子吸收的光源波長(zhǎng)即為近紅外波長(zhǎng)(例如976nm-1028nm附近)，是GaAs/InGaAs的發(fā)光波段，材料制作エ藝比較成熟。另外，由于MTDSL的脈沖重復(fù)頻率不受電調(diào)制的限制，可以做得很高(MOGHz)，作為計(jì)算機(jī)或者光通信的時(shí)鐘信號(hào)很有發(fā)展前途?，F(xiàn)有的薄片半導(dǎo)體激光器包括泵浦光源、散熱裝置、半導(dǎo)體增益芯片、外腔鏡，輸出光為連續(xù)光；所述的鎖模薄片半導(dǎo)體激光器在腔內(nèi)加入石墨烯可飽和元件，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出Ps或fs級(jí)激光脈沖。由于石墨烯材料為零帶隙的材料，理論上它的可飽和吸收特性對(duì)波長(zhǎng)沒(méi)有選擇特性。非常適合做各種不同波長(zhǎng)的鎖模器件，得到穩(wěn)定的自啟動(dòng)鎖模脈沖輸出。但石墨烯可飽和元件如何設(shè)置才能有效地產(chǎn)生超短脈沖光，目前還在探索階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種利用石墨烯可飽和吸收鏡作為鎖模元件的自啟動(dòng)鎖模薄片半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案采用V形諧振腔及泵浦光源，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構(gòu)成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置上的半導(dǎo)體增益芯片，泵浦光源通過(guò)透鏡組照射于半導(dǎo)體増益芯片。所述端面反射鏡采用石墨烯可飽和吸收鏡，且石墨烯可飽和吸收鏡包含可飽和吸收層及多層介質(zhì)膜反射鏡層；量子阱有源區(qū)、布拉格反射層在300-450度的溫度下生長(zhǎng)而成。所述半導(dǎo)體増益芯片包含周期性多量子阱層和布拉格反射鏡層，其中周期性多量子阱層由交替的半導(dǎo)體量子阱有源層和量子阱勢(shì)壘層構(gòu)成。所述泵浦光源是800-810nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層為InGaAs，其中In含量為0. 18-0. 20，量子阱勢(shì)壘層為GaAs或AlGaAs，其中量子阱個(gè)數(shù)為6-16個(gè)；半導(dǎo)體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對(duì)GaAs/AlAs ；輸出耦合鏡為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)I微米波長(zhǎng)的激光透射率1%_10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ Ti02。當(dāng)所述泵浦光源是630_670nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層及量子阱勢(shì)壘層為GaAs/AlGaAs ;半導(dǎo)體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)850nm附近激光透射率1%-10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ Ti02?？梢缘玫讲ㄩL(zhǎng)850nm的激光脈沖。當(dāng)所述泵浦光源是808nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片中的周期性多量子阱 層中的半導(dǎo)體量子阱有源層及量子阱勢(shì)壘層為GalnNAs/GaAs ;半導(dǎo)體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)1220nm附近激光透射率1%-10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ Ti02?？梢缘玫讲ㄩL(zhǎng)1220nm的激光脈沖。當(dāng)所述泵浦光源是976nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層及量子阱勢(shì)壘層為InGaAsP/InP ;半導(dǎo)體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)1550nm附近激光透射率1%-10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ Ti02?？梢缘玫讲ㄩL(zhǎng)1550nm的激光脈沖。本發(fā)明的積極效果在光泵鎖模薄片半導(dǎo)體激光器中加入了簡(jiǎn)單的鎖模元件-石墨烯可飽和吸收鏡，而實(shí)現(xiàn)了鎖模脈沖輸出；由于可飽和吸收鏡是采用零帶隙石墨烯材料作為吸收區(qū)，因此可飽和吸收帶寬沒(méi)有波長(zhǎng)選擇性，可飽和恢復(fù)時(shí)間非常短，易于產(chǎn)生自啟動(dòng)皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)、輸出脈寬窄，重復(fù)頻率高。


圖I為本發(fā)明中的鎖模薄片半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為鎖模薄片半導(dǎo)體激光器中的半導(dǎo)體增益芯片結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中的石墨烯可飽和吸收鏡結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明中的散熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、泵浦光源，2、透鏡組，3、半導(dǎo)體增益芯片，4、散熱裝置，5、可飽和吸收鎖模元件，6、基質(zhì)襯底，7、輸出耦合鏡，8、激光脈沖，9、窗ロ層，10、半導(dǎo)體量子阱層，11、量子阱勢(shì)壘層，12、布拉格反射層，13、襯底，14、保護(hù)層，15、石墨烯可飽和吸收層，16、多層介質(zhì)反射層，17、石英襯底，18、熱沉，19、半導(dǎo)體制冷芯片，20、水循環(huán)裝置，21、水嘴。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖1-4及一些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖I所示，本發(fā)明的石磨稀光泵鎖模薄片半導(dǎo)體激光器包括泵浦光源I、半導(dǎo)體増益芯片3、散熱裝置4、石墨烯鎖模元件5、熱沉6、輸出耦合鏡7。所述的鎖模元件為石墨烯可飽和吸收鏡，主要包括石墨烯可飽和吸收區(qū)15和多層介質(zhì)膜反射層16，在作可飽和吸收元件調(diào)制腔內(nèi)光強(qiáng)的同時(shí)，也起到了折疊光和高反鏡的作用。由于石墨烯材料的零帶隙及恢復(fù)時(shí)間短的特性，使得它易于實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、穩(wěn)定的鎖模輸出，這樣的設(shè)置易于調(diào)節(jié)和鎖模，且易輸出高重復(fù)頻率，窄脈寬的激光脈沖，工作狀態(tài)穩(wěn)定。在石墨烯層上面還可以鍍有防止石墨烯氧化的保護(hù)層14，保護(hù)層為SiO2或Ti02。半導(dǎo)體增益芯片3的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由窗ロ層9、量子阱有源區(qū)、布拉格反射層12、襯底13構(gòu)成，半導(dǎo)體增益芯片3安裝在散熱裝置4上組成。其中，量子阱有源區(qū)為周期性多量子阱層，由半導(dǎo)體量子阱有源層10和量子阱勢(shì)壘層11交替構(gòu)成。石墨烯可飽和吸收鏡5的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。包含石墨烯可飽和吸收層、多 層介質(zhì)膜反射鏡層以及石英襯底。其中石墨烯可飽和吸收層15為1-7成石墨烯材料、多層介質(zhì)膜反射層16為20-25對(duì)SiO2/ TiO2。散熱裝置4的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括熱沉18，半導(dǎo)體制冷芯片19和水循環(huán)裝置20。其中，熱沉18用導(dǎo)熱效果好的紫銅或純銅制成；半導(dǎo)體制冷芯片19由控制電源供電和設(shè)定溫度，是整個(gè)半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)工作中的溫度控制系統(tǒng)；循環(huán)水裝置20是用黃銅材料制成的，有兩個(gè)水嘴21，是循環(huán)水的進(jìn)水口和出水ロ，外接循環(huán)水系統(tǒng)，帶走由半導(dǎo)體制冷器19產(chǎn)生的熱量。泵浦光源I發(fā)出的光經(jīng)過(guò)ー組透鏡2 (此圖只畫(huà)了一個(gè)透鏡)準(zhǔn)直聚焦后入射到半導(dǎo)體增益芯片3上，光被多周期量子阱層的勢(shì)壘層11吸收，產(chǎn)生光生載流子。這些光生載流子進(jìn)ー步被量子阱有源層10俘獲，經(jīng)過(guò)輻射復(fù)合后發(fā)光，產(chǎn)生與量子阱能帶相應(yīng)的光子，這些光子在由増益芯片的布拉格反射層12，石墨烯可飽和吸收鏡中的多層介質(zhì)膜反射鏡層16及輸出鏡7形成的腔中來(lái)回振蕩，形成諧振。當(dāng)滿足閾值條件，即腔內(nèi)的増益大于損耗吋，由輸出耦合鏡7輸出激光。如果沒(méi)有石墨烯可飽和吸收鏡5，則輸出的光為連續(xù)激光；當(dāng)腔中加入石墨烯可飽和吸收鏡5時(shí)，腔內(nèi)的光強(qiáng)被可飽和吸收元件調(diào)節(jié)，形成激光脈沖8輸出。半導(dǎo)體增益芯片2和石墨烯可飽和吸收鏡5中的襯底13，17是起支撐材料作用的。當(dāng)腔內(nèi)振蕩光入射到可飽和吸收鏡5上吋，ー開(kāi)始石墨烯可飽和吸收鏡5吸收率很高，吸收振蕩光。當(dāng)吸收到一定量的光能量后，石墨烯可飽和吸收鏡5開(kāi)始飽和，此時(shí)吸收層相對(duì)于振蕩光來(lái)說(shuō)是透明的，則石墨烯可飽和吸收鏡5完全作為了ー個(gè)全反鏡，由于石墨烯可飽和吸收元件為零帶隙材料，因此飽和時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間很短，使激光器獲得超短脈沖輸出。同時(shí)多層介質(zhì)膜反射層16起到了全反鏡的作用，因此可飽和吸收鏡5可以作為ー個(gè)端鏡來(lái)用。由于石墨烯材料的可飽和恢復(fù)時(shí)間很短，因此可以產(chǎn)生皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。實(shí)施例I :對(duì)于輸出脈沖光波長(zhǎng)為I微米附近的激光，泵浦光源I是800_810nm波長(zhǎng)的帶光纖輸出的半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片3中，周期性量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層10為InGaAs，其中In含量為0. 18-0. 20，周期性多量子阱層中的量子阱勢(shì)壘層11為GaAs或AlGaAs，其中量子阱個(gè)數(shù)為6-16個(gè)；半導(dǎo)體布拉格反射鏡層12為26-28對(duì)GaAs/AlAs。半導(dǎo)體增益芯片3用散熱裝置4帶走多余的熱量并且控制芯片溫度。散熱裝置4的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，半導(dǎo)體增益芯片用導(dǎo)熱膠粘貼到熱沉18上，熱沉為紫銅或純銅；熱沉18用In連接到半導(dǎo)體制冷器19上，控制芯片溫度；半導(dǎo)體制冷芯片與水循環(huán)裝置20充分接觸，帶走激光器產(chǎn)生的多余熱量。輸出耦合鏡7為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)I微米波長(zhǎng)的激光部份透射的寬帶介質(zhì)膜，輸出激光；石墨烯可飽和吸收鏡5中含有石墨烯可飽和吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，石墨烯可飽和吸收區(qū)為1-7層石墨烯材料。多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ TiO2o當(dāng)有泵浦光存在時(shí)，半導(dǎo)體增益芯片勢(shì)壘層吸收泵浦光，產(chǎn)生光生載流子，之后被量子阱俘獲，復(fù)合發(fā)光；在沒(méi)有泵浦光，只有振蕩光存在吋，石墨烯可飽和吸收鏡吸收振蕩光，成為調(diào)節(jié)元件。實(shí)施例2:將實(shí)施例I中的泵浦光源換成波長(zhǎng)為630_670nm半導(dǎo)體激光器，周期性多量子阱層換成GaAs/AlGaAs量子阱和勢(shì)壘，石墨烯可飽和吸收鏡換成碳納米管材料的吸收鏡，可 以獲得850nm附近的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例3:將實(shí)施例I中的泵浦光源換成波長(zhǎng)為808nm的半導(dǎo)體激光器，周期性多量子阱層換成GalnNAs/GaAs量子阱和勢(shì)壘，石墨烯可飽和吸收鏡換成碳納米管材料吸收鏡，就可以獲得1220nm附近的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例4:將實(shí)施例I中的泵浦光源換成波長(zhǎng)為976nm的半導(dǎo)體激光器，周期性多量子阱層換成InGaAsP/InP量子阱和勢(shì)壘，石墨烯可飽和吸收鏡換成碳納米管材料吸收鏡，就可以獲得1550nm附近的鎖模脈沖光輸出。
權(quán)利要求
1.石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，采用V形諧振腔及泵浦光源，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構(gòu)成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置上的半導(dǎo)體增益芯片，泵浦光源通過(guò)透鏡組照射于半導(dǎo)體增益芯片，其特征在于所述端面反射鏡采用石墨烯可飽和吸收鏡，且石墨烯可飽和吸收鏡包括鍍多層介質(zhì)膜反射鏡層和石墨烯層。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述泵浦光源是800-810nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層(IO)SInGaAs,其中In含量為O. 18-0. 20，量子阱勢(shì)壘層(11)為GaAs或AlGaAs，其中量子阱個(gè)數(shù)為6_16個(gè)；半導(dǎo)體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層(12)為26-28對(duì)GaAs/AlAs ；輸出耦合鏡(7)為光學(xué)玻璃上鍍有對(duì)中心波長(zhǎng)I微米的激光透射率1%_10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡(5)中含有石墨烯可飽和吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/TiO2，其中/均表示兩者交替生長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求I所述的石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述泵浦光源是630-670nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層(10)及量子阱勢(shì)壘層(11)為GaAs/AlGaAs ;半導(dǎo)體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層(12)為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)中心波長(zhǎng)850nm激光透射率1%_10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡(5)中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/TiO2，其中/均表示兩者交替生長(zhǎng)。
4.如權(quán)利要求I所述的石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述泵浦光源是808nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層(10)及量子阱勢(shì)壘層(11)為GalnNAs/GaAs ;半導(dǎo)體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層(12)為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)1220nm附近激光透射率1%_10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡(5)中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ TiO2,其中/均表示兩者交替生長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求I所述的石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述泵浦光源是976nm半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導(dǎo)體量子阱有源層(10)及量子阱勢(shì)壘層(11)為InGaAsP/InP ;半導(dǎo)體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層(12)為26-28對(duì)GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學(xué)玻璃，鍍有對(duì)1550nm附近激光透射率1%-10%的寬帶介質(zhì)膜；可飽和吸收鏡(5)中含有石墨烯吸收區(qū)及多層介質(zhì)膜反射鏡層，可飽和吸收區(qū)為1-7層零帶隙的石墨烯材料，多層介質(zhì)膜反射鏡層為20-25對(duì)SiO2/ TiO2，其中/均表示兩者交替生長(zhǎng)。
6.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的光泵鎖模薄片半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述散熱裝置(4)由熱沉(18)、半導(dǎo)體制冷芯片(19)和水循環(huán)裝置(20)三者依次排列組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及石墨烯鎖模光泵薄片半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用V形諧振腔及泵浦光源，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構(gòu)成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置上的半導(dǎo)體增益芯片，泵浦光源通過(guò)透鏡組照射于半導(dǎo)體增益芯片，其特征在于所述端面反射鏡采用石墨烯可飽和吸收鏡，且石墨烯可飽和吸收鏡包含石墨烯可飽和吸收層及多層介質(zhì)膜反射鏡層。由于可飽和吸收鏡是采用零帶隙石墨烯材料作為吸收區(qū)，因此可飽和吸收帶寬沒(méi)有波長(zhǎng)選擇性，可飽和恢復(fù)時(shí)間非常短，易于產(chǎn)生自啟動(dòng)皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。證明整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)、輸出脈寬窄，重復(fù)頻率高。
文檔編號(hào)H01S5/065GK102769249SQ20121018037
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月2日
發(fā)明者于振華, 宋晏蓉, 張曉 , 張鵬, 田金榮 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)