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傳感用激光器
回音壁模式微腔二極管激光器線寬降至200Hz
材料來源:激光世界           錄入時間:2011-7-28 9:54:13

注:本文版權(quán)為《激光世界》所有,未經(jīng)許可,請勿轉(zhuǎn)載!

作者:John Wallace

 具有長相干長度的激光器應(yīng)用廣泛,其涉及的領(lǐng)域包括激光雷達(dá)、光通信、光學(xué)干涉、智能監(jiān)視以及中紅外波段的生物分子傳感。要想獲得長相干長度所需要的窄光譜線寬,激光器通常復(fù)雜且昂貴,盡管采用半導(dǎo)體激光器設(shè)計能夠在一定程度上降低激光器的復(fù)雜程度并縮小體積。目前,美國OEwaves公司開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的耐用型半導(dǎo)體激光器。該半導(dǎo)體激光器采用回音壁模式(WGM)微腔,將輸出線寬穩(wěn)定在了亞千赫茲量級。

該原型激光二極管輸出功率為3mW,其采用標(biāo)準(zhǔn)的蝶形封裝和光纖(單模或保偏單模光纖)輸出,并且通過共振光學(xué)反饋耦合到高Q值回音壁模式微腔中。盡管標(biāo)準(zhǔn)波長包括用于電信領(lǐng)域的C波段和L波段(均位于1550nm波段),但是該產(chǎn)品的設(shè)計本身更為靈活,可以在390~2900nm的波長范圍內(nèi)獲得窄線寬激光輸出。如果采用中紅外半導(dǎo)體光源,還可以覆蓋更長的波長。

表面Rayleigh背散射

該WGM微腔由氟化鈣(CaF2)材料制成,也可以采用氟化鋁(如圖)[1]。分布反饋激光二極管通過棱鏡耦合到直徑為2mm的微腔中。微腔無負(fù)載Q值為2×109,用棱鏡耦合時Q值降到1×109。激光器與微腔間的耦合通過微腔中的表面Rayleigh背散射實現(xiàn),從而獲得注入鎖定。

圖:晶體WGM微腔由CaF2制成,其無負(fù)載Q值為2×109。極高的Q值導(dǎo)致明顯的表面Rayleigh背散射,使得微腔能夠耦合到分布反饋半導(dǎo)體激光器中,進(jìn)而將激光線寬降至200Hz以下。

 激光二極管和微腔均安裝在熱電散熱器上,以確保波長穩(wěn)定性,同時可以獲得2nm的熱調(diào)諧波長范圍。耦合將激光二激管的自然線寬減小了10000倍,從而將瞬時線寬降至200Hz以下,長期線寬漂移每天小于10MHz。采用直流耦合,激光器的調(diào)制速度0~20MHz之間;采用交流耦合,調(diào)制速度可以達(dá)到200MHz~1GHz。OEwaves 公司總裁兼首席執(zhí)行官Lute Maleki表示,CaF2晶體環(huán)境穩(wěn)定性好,并且具有良好的熱屬性和機械屬性,使得它對震動不敏感,并且很容易實現(xiàn)熱穩(wěn)定。此外,該激光器的單片設(shè)計也使得整個裝置對震動不敏感。

在過去的兩年中,OEwaves公司制造的這些激光器已經(jīng)用于公司自產(chǎn)的微波光子學(xué)產(chǎn)品中,例如濾波器、振蕩器以及接收器。為了讓該激光器獲得更廣泛的應(yīng)用,OEwaves公司在2011年P(guān)hotonics West會議上展示了該激光器的原型,并計劃在今年6月份推出第一款產(chǎn)品。

Maleki稱:“該激光器的重要特征之一在于其填補了該光譜區(qū)不存在高相干度、窄線寬激光器這一空白,其中包括1064nm波長范圍——盡管激光器線寬可以達(dá)到幾千赫茲,但它們不能滿足傳感需求。此外,在2~6μm的其他光譜波段不存在窄線寬激光器。OEwaves研制的這款窄線寬激光器,能夠用于多種生化分子傳感領(lǐng)域。”

Maleki表示,OEwaves公司的下一個的目標(biāo)是將現(xiàn)有的激光器構(gòu)架與高功率半導(dǎo)體激光器以及外放大器相結(jié)合,以提供窄線寬、并且功率水平與光纖激光器相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。OEwaves公司還計劃開發(fā)可見光以及紫外波段的激光器,以為光譜學(xué)、原子物理以及該波段的其他新興應(yīng)用提供新的光源選擇。 

參考文獻(xiàn)
1. W. Liang et al., Opt. Lett., 35, 16 (Aug. 15, 2010).


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