专利名称：石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。
背景技术：
石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器(Graphene Mode-locked Optically PumpedThin Disk Semiconductor Lasers, GML-0PDSL)兼顾了面发射半导体激光器、边发射半导体激光器和固体激光器三者的优点，既有好的光斑模式TEM00 (与边发射半导体激光器相比)和较高的输出功率(与面发射半导体激光器相比)，波长又很容易设计成不同波段(与固体激光器相比)；除此之外，还有ー个极大的优点是GML-0PDSL的増益芯片和腔镜是分离的，激光腔中可以加入加入调谐元件，获得不同的功能。当在腔中加入石墨烯可饱和吸收元件吋，引入被动锁模机制，即可产生皮秒或飞秒宽度的脉冲输出。而超短脉冲激光在生物医学、光通讯、光时钟信号等领域有很重要的应用价值。在生物医学中观测的活性样品在连续光照射下容易被破坏，利用红外超短脉 冲光源的双光子吸收可以解决这个问题。典型的荧光蛋白质的吸收光谱一般在可见光范围内(例如488nm-514nm波长范围)，其双光子吸收的光源波长即为近红外波长(例如976nm-1028nm附近)，是GaAs/InGaAs的发光波段，材料制作エ艺比较成熟。另外，由于MTDSL的脉冲重复频率不受电调制的限制，可以做得很高(MOGHz)，作为计算机或者光通信的时钟信号很有发展前途。现有的薄片半导体激光器包括泵浦光源、散热装置、半导体增益芯片、外腔镜，输出光为连续光；所述的锁模薄片半导体激光器在腔内加入石墨烯可饱和元件，能够实现锁模运转，输出Ps或fs级激光脉冲。由于石墨烯材料为零带隙的材料，理论上它的可饱和吸收特性对波长没有选择特性。非常适合做各种不同波长的锁模器件，得到稳定的自启动锁模脉冲输出。但石墨烯可饱和元件如何设置才能有效地产生超短脉冲光，目前还在探索阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种利用石墨烯可饱和吸收镜作为锁模元件的自启动锁模薄片半导体激光器，实现皮秒或飞秒的超短脉冲输出。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案采用V形谐振腔及泵浦光源，谐振腔由出射端镜、中间反射镜、端面反射镜构成，其中，出射端镜采用输出耦合镜，中间反射镜采用安装在散热装置上的半导体增益芯片，泵浦光源通过透镜组照射于半导体増益芯片。所述端面反射镜采用石墨烯可饱和吸收镜，且石墨烯可饱和吸收镜包含可饱和吸收层及多层介质膜反射镜层；量子阱有源区、布拉格反射层在300-450度的温度下生长而成。所述半导体増益芯片包含周期性多量子阱层和布拉格反射镜层，其中周期性多量子阱层由交替的半导体量子阱有源层和量子阱势垒层构成。所述泵浦光源是800-810nm波长的半导体激光器；半导体增益芯片中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层为InGaAs，其中In含量为0. 18-0. 20，量子阱势垒层为GaAs或AlGaAs，其中量子阱个数为6-16个；半导体增益芯片的布拉格反射镜层为26-28对GaAs/AlAs ；输出耦合镜为光学玻璃，镀有对I微米波长的激光透射率1%_10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ Ti02。当所述泵浦光源是630_670nm半导体激光器；半导体增益芯片中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层及量子阱势垒层为GaAs/AlGaAs ;半导体增益芯片的布拉格反射镜层为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜为光学玻璃，镀有对850nm附近激光透射率1%-10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ Ti02。可以得到波长850nm的激光脉冲。当所述泵浦光源是808nm半导体激光器；半导体增益芯片中的周期性多量子阱 层中的半导体量子阱有源层及量子阱势垒层为GalnNAs/GaAs ;半导体增益芯片的布拉格反射镜层为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜为光学玻璃，镀有对1220nm附近激光透射率1%-10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ Ti02。可以得到波长1220nm的激光脉冲。当所述泵浦光源是976nm半导体激光器；半导体增益芯片中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层及量子阱势垒层为InGaAsP/InP ;半导体增益芯片的布拉格反射镜层为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜为光学玻璃，镀有对1550nm附近激光透射率1%-10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ Ti02。可以得到波长1550nm的激光脉冲。本发明的积极效果在光泵锁模薄片半导体激光器中加入了简单的锁模元件-石墨烯可饱和吸收镜，而实现了锁模脉冲输出；由于可饱和吸收镜是采用零带隙石墨烯材料作为吸收区，因此可饱和吸收带宽没有波长选择性，可饱和恢复时间非常短，易于产生自启动皮秒或飞秒的超短脉冲输出。整个系统结构简单、易于调节、输出脉宽窄，重复频率高。
图I为本发明中的锁模薄片半导体激光器结构示意图；图2为锁模薄片半导体激光器中的半导体增益芯片结构图；图3为本发明中的石墨烯可饱和吸收镜结构图；图4为本发明中的散热装置的结构示意图。图中1、泵浦光源，2、透镜组，3、半导体增益芯片，4、散热装置，5、可饱和吸收锁模元件，6、基质衬底，7、输出耦合镜，8、激光脉沖，9、窗ロ层，10、半导体量子阱层，11、量子阱势垒层，12、布拉格反射层，13、衬底，14、保护层，15、石墨烯可饱和吸收层，16、多层介质反射层，17、石英衬底，18、热沉，19、半导体制冷芯片，20、水循环装置，21、水嘴。
具体实施方式
下面结合附图1-4及一些实施例对本发明进行详细说明如图I所示，本发明的石磨稀光泵锁模薄片半导体激光器包括泵浦光源I、半导体増益芯片3、散热装置4、石墨烯锁模元件5、热沉6、输出耦合镜7。所述的锁模元件为石墨烯可饱和吸收镜，主要包括石墨烯可饱和吸收区15和多层介质膜反射层16，在作可饱和吸收元件调制腔内光强的同时，也起到了折叠光和高反镜的作用。由于石墨烯材料的零带隙及恢复时间短的特性，使得它易于实现自启动、稳定的锁模输出，这样的设置易于调节和锁模，且易输出高重复频率，窄脉宽的激光脉冲，工作状态稳定。在石墨烯层上面还可以镀有防止石墨烯氧化的保护层14，保护层为SiO2或Ti02。半导体增益芯片3的结构如图2所示，由窗ロ层9、量子阱有源区、布拉格反射层12、衬底13构成，半导体增益芯片3安装在散热装置4上组成。其中，量子阱有源区为周期性多量子阱层，由半导体量子阱有源层10和量子阱势垒层11交替构成。石墨烯可饱和吸收镜5的结构示意图如图3所示。包含石墨烯可饱和吸收层、多 层介质膜反射镜层以及石英衬底。其中石墨烯可饱和吸收层15为1-7成石墨烯材料、多层介质膜反射层16为20-25对SiO2/ TiO2。散热装置4的结构如图4所示，包括热沉18，半导体制冷芯片19和水循环装置20。其中，热沉18用导热效果好的紫铜或纯铜制成；半导体制冷芯片19由控制电源供电和设定温度，是整个半导体激光器系统工作中的温度控制系统；循环水装置20是用黄铜材料制成的，有两个水嘴21，是循环水的进水口和出水ロ，外接循环水系统，带走由半导体制冷器19产生的热量。泵浦光源I发出的光经过ー组透镜2 (此图只画了一个透镜)准直聚焦后入射到半导体增益芯片3上，光被多周期量子阱层的势垒层11吸收，产生光生载流子。这些光生载流子进ー步被量子阱有源层10俘获，经过辐射复合后发光，产生与量子阱能带相应的光子，这些光子在由増益芯片的布拉格反射层12，石墨烯可饱和吸收镜中的多层介质膜反射镜层16及输出镜7形成的腔中来回振荡，形成谐振。当满足阈值条件，即腔内的増益大于损耗吋，由输出耦合镜7输出激光。如果没有石墨烯可饱和吸收镜5，则输出的光为连续激光；当腔中加入石墨烯可饱和吸收镜5时，腔内的光强被可饱和吸收元件调节，形成激光脉冲8输出。半导体增益芯片2和石墨烯可饱和吸收镜5中的衬底13，17是起支撑材料作用的。当腔内振荡光入射到可饱和吸收镜5上吋，ー开始石墨烯可饱和吸收镜5吸收率很高，吸收振荡光。当吸收到一定量的光能量后，石墨烯可饱和吸收镜5开始饱和，此时吸收层相对于振荡光来说是透明的，则石墨烯可饱和吸收镜5完全作为了ー个全反镜，由于石墨烯可饱和吸收元件为零带隙材料，因此饱和时间和恢复时间很短，使激光器获得超短脉冲输出。同时多层介质膜反射层16起到了全反镜的作用，因此可饱和吸收镜5可以作为ー个端镜来用。由于石墨烯材料的可饱和恢复时间很短，因此可以产生皮秒或飞秒的超短脉冲输出。实施例I :对于输出脉冲光波长为I微米附近的激光，泵浦光源I是800_810nm波长的带光纤输出的半导体激光器；半导体增益芯片3中，周期性量子阱层中的半导体量子阱有源层10为InGaAs，其中In含量为0. 18-0. 20，周期性多量子阱层中的量子阱势垒层11为GaAs或AlGaAs，其中量子阱个数为6-16个；半导体布拉格反射镜层12为26-28对GaAs/AlAs。半导体增益芯片3用散热装置4带走多余的热量并且控制芯片温度。散热装置4的结构示意图如图4所示，半导体增益芯片用导热胶粘贴到热沉18上，热沉为紫铜或纯铜；热沉18用In连接到半导体制冷器19上，控制芯片温度；半导体制冷芯片与水循环装置20充分接触，带走激光器产生的多余热量。输出耦合镜7为光学玻璃，镀有对I微米波长的激光部份透射的宽带介质膜，输出激光；石墨烯可饱和吸收镜5中含有石墨烯可饱和吸收区及多层介质膜反射镜层，石墨烯可饱和吸收区为1-7层石墨烯材料。多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ TiO2o当有泵浦光存在时，半导体增益芯片势垒层吸收泵浦光，产生光生载流子，之后被量子阱俘获，复合发光；在没有泵浦光，只有振荡光存在吋，石墨烯可饱和吸收镜吸收振荡光，成为调节元件。实施例2:将实施例I中的泵浦光源换成波长为630_670nm半导体激光器，周期性多量子阱层换成GaAs/AlGaAs量子阱和势垒，石墨烯可饱和吸收镜换成碳纳米管材料的吸收镜，可 以获得850nm附近的锁模脉冲光输出。实施例3:将实施例I中的泵浦光源换成波长为808nm的半导体激光器，周期性多量子阱层换成GalnNAs/GaAs量子阱和势垒，石墨烯可饱和吸收镜换成碳纳米管材料吸收镜，就可以获得1220nm附近的锁模脉冲光输出。实施例4:将实施例I中的泵浦光源换成波长为976nm的半导体激光器，周期性多量子阱层换成InGaAsP/InP量子阱和势垒，石墨烯可饱和吸收镜换成碳纳米管材料吸收镜，就可以获得1550nm附近的锁模脉冲光输出。
权利要求
1.石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，采用V形谐振腔及泵浦光源，谐振腔由出射端镜、中间反射镜、端面反射镜构成，其中，出射端镜采用输出耦合镜，中间反射镜采用安装在散热装置上的半导体增益芯片，泵浦光源通过透镜组照射于半导体增益芯片，其特征在于所述端面反射镜采用石墨烯可饱和吸收镜，且石墨烯可饱和吸收镜包括镀多层介质膜反射镜层和石墨烯层。
2.如权利要求I所述的石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，其特征在于所述泵浦光源是800-810nm波长的半导体激光器；半导体增益芯片(3)中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层(IO)SInGaAs,其中In含量为O. 18-0. 20，量子阱势垒层(11)为GaAs或AlGaAs，其中量子阱个数为6_16个；半导体增益芯片(3)的布拉格反射镜层(12)为26-28对GaAs/AlAs ；输出耦合镜(7)为光学玻璃上镀有对中心波长I微米的激光透射率1%_10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜(5)中含有石墨烯可饱和吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/TiO2，其中/均表示两者交替生长。
3.如权利要求I所述的石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，其特征在于所述泵浦光源是630-670nm半导体激光器；半导体增益芯片(3)中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层(10)及量子阱势垒层(11)为GaAs/AlGaAs ;半导体增益芯片(3)的布拉格反射镜层(12)为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜(7)为光学玻璃，镀有对中心波长850nm激光透射率1%_10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜(5)中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/TiO2，其中/均表示两者交替生长。
4.如权利要求I所述的石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，其特征在于所述泵浦光源是808nm半导体激光器；半导体增益芯片(3)中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层(10)及量子阱势垒层(11)为GalnNAs/GaAs ;半导体增益芯片(3)的布拉格反射镜层(12)为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜(7)为光学玻璃，镀有对1220nm附近激光透射率1%_10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜(5)中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ TiO2,其中/均表示两者交替生长。
5.如权利要求I所述的石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，其特征在于所述泵浦光源是976nm半导体激光器；半导体增益芯片(3)中的周期性多量子阱层中的半导体量子阱有源层(10)及量子阱势垒层(11)为InGaAsP/InP ;半导体增益芯片(3)的布拉格反射镜层(12)为26-28对GaAs/AlAs ;输出耦合镜(7)为光学玻璃，镀有对1550nm附近激光透射率1%-10%的宽带介质膜；可饱和吸收镜(5)中含有石墨烯吸收区及多层介质膜反射镜层，可饱和吸收区为1-7层零带隙的石墨烯材料，多层介质膜反射镜层为20-25对SiO2/ TiO2，其中/均表示两者交替生长。
6.如权利要求I至5中任一项所述的光泵锁模薄片半导体激光器，其特征在于所述散热装置(4)由热沉(18)、半导体制冷芯片(19)和水循环装置(20)三者依次排列组成。
全文摘要
本发明涉及石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。本发明采用V形谐振腔及泵浦光源，谐振腔由出射端镜、中间反射镜、端面反射镜构成，其中，出射端镜采用输出耦合镜，中间反射镜采用安装在散热装置上的半导体增益芯片，泵浦光源通过透镜组照射于半导体增益芯片，其特征在于所述端面反射镜采用石墨烯可饱和吸收镜，且石墨烯可饱和吸收镜包含石墨烯可饱和吸收层及多层介质膜反射镜层。由于可饱和吸收镜是采用零带隙石墨烯材料作为吸收区，因此可饱和吸收带宽没有波长选择性，可饱和恢复时间非常短，易于产生自启动皮秒或飞秒的超短脉冲输出。证明整个系统结构简单、易于调节、输出脉宽窄，重复频率高。
文档编号H01S5/065GK102769249SQ20121018037
公开日2012年11月7日 申请日期2012年6月2日 优先权日2012年6月2日
发明者于振华, 宋晏蓉, 张晓 , 张鹏, 田金荣 申请人:北京工业大学