阅读说明：本技术 一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器及其实现方法 (Quantum cascade laser for frequency stabilization of intermediate infrared fiber bragg grating and implementation method thereof ) 是由 施进丹 冯宪 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器及其实现方法,该中红外激光器包括中红外量子级联激光器、第一中红外透镜、第二中红外透镜、中红外单模光纤、光纤布拉格光栅和温度控制单元；空间输出模式差、线宽稳频能力低的中红外量子级联激光器激光输出耦合进入一段中红外单模光纤,在中红外单模光纤上的窄线宽布拉格光栅作为外腔稳频单元,实现波长稳定、窄线宽光纤输出的单横模激光。本发明可以实现结构紧凑、输出模式质量高、中红外4微米以上的窄线宽光纤输出激光光源。(The invention discloses a quantum cascade laser for frequency stabilization of an intermediate infrared fiber bragg grating and an implementation method thereof, wherein the intermediate infrared laser comprises an intermediate infrared quantum cascade laser, a first intermediate infrared lens, a second intermediate infrared lens, an intermediate infrared single-mode fiber, a fiber bragg grating and a temperature control unit; the laser output of the intermediate infrared quantum cascade laser with poor space output mode and low line width frequency stabilization capability is coupled into a section of intermediate infrared single-mode fiber, and a narrow line width Bragg grating on the intermediate infrared single-mode fiber is used as an external cavity frequency stabilization unit, so that single transverse mode laser with stable wavelength and narrow line width fiber output is realized. The invention can realize the narrow linewidth optical fiber output laser light source with compact structure, high output mode quality and over 4 microns of mid-infrared.)

一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种中红外波段窄线宽的半导体激光器，具体涉及一种单模光纤输出的、波长可调谐的中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器及其实现方法。

背景技术

中红外2-20微米波段具有重要的实用价值，与生命相关的含碳、氢、氧、氮的气体分子和挥发性有机物的指纹性基频振动吸收谱线都落在这个波段内；同时3-5微米和8-12微米是大气的两个透明窗口，激光信号能够在大气中实现公里至几十公里的低损耗传输，因此中红外激光光谱技术在大气遥感、卫星通信方面、国防安全等领域有着诸多重要的需求，譬如在环境监测、工业生产过程监控、有毒易爆气体检测、疾病诊断等诸多应用场景中，可以对多组分痕量气体进行快速准确、同步在线的高精度定性定量分析。由于被探测的气体分子基团振动吸收光谱在中红外表现为MHz量级线宽的梳状谱线，其波长位置呈现指纹式特征，因此，急需一种波长可调谐的、线宽在百kHz以下的高性能中红外激光器。

中红外量子级联激光器芯片通过周期性层状半导体材料构建而成，超晶格半导体结构的子能级之间在电激励的条件下实现电子跃迁发光，从而产生中红外波段激光。量子级联激光器是通过电-光转换实现激光输出的，其电-光转换效率高；同时其激光输出波长能够覆盖4微米以上所有中红外波长，所以量子级联激光器是最有应用前景的结构紧凑型中红外激光光源。

目前，中红外量子级联激光器主要有三种类型：(1)法布里-珀罗腔量子级联激光器(FP-QCL)：在激光腔两端利用其自然反射的端面或镀有反射介质的端面作为激光反馈镜构成法布里-珀罗激光谐振腔(FP腔)；FP-QCL的输出功率较大，但是输出光谱带宽较宽(纳米-几十纳米范围)，光源的相干性较差。(2)分布式反馈型量子级联激光器(DFB-QCL)：在半导体量子级联芯片上直接蚀刻分布式反馈光栅(DFB)；DFB-QCL的激光输出线宽较窄，但输出功率相比于FP-QCL要低很多。(3)外腔调制量子级联激光器(EC-QCL)：将量子级联芯片和体布拉格光栅(VBG)结合起来，形成外腔VBG选频的QCL激光输出；这类QCL既可以提供窄光谱输出，又可以在量子级联芯片整个增益带宽上(数百cm^-1)提供毫秒级的高速调谐能力。然而，以上三种结构的量子级联激光器都是采用空间光输出的方式，其激光输出的发散角大，不利于激光耦合和系统集成等问题；另一个方面，由于在中红外存在热的问题，半导体材料在温度波动情况下又存在较大的载流子波动，这样由于温度的影响，激光输出波长(即频率)的不稳定性(抖动)就导致其实际线宽变宽；因此即使对于窄线宽的DFB-QCL和EC-QCL，其输出线宽也在MHz以上，必须通过其他复杂的稳频技术来实现更窄线宽的输出。

外腔光纤布拉格光栅稳频技术在近红外半导体窄线宽激光器中被广泛使用，并已经实现了百kHz量级的窄线宽输出。在中红外4微米以上，由于光纤布拉格光栅制备技术的不成熟，迄今未见采用中红外光纤布拉格光栅作为外腔稳频器件实现量子级联激光输出的工作。

发明内容

针对上述中红外4微米以上量子级联激光器存在的线宽、输出模式、波长可调谐三个核心性能方面存在的技术问题，本发明提供一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器及其实现方法。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案如下：一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器，包括：

中红外量子级联激光器，作为中红外QCL激光输出增益基质；

第一中红外透镜，位于中红外量子级联激光器的前端，用于平行准直QCL输出；

第二中红外透镜，位于第一中红外透镜的前端，用于聚焦耦合QCL输出进入中红外单模光纤纤芯；

中红外单模光纤，用于被刻写上窄线宽布拉格光栅和最终的窄线宽QCL激光输出；

光纤布拉格光栅，刻写在中红外单模光纤上，其中心波长位于中红外量子级联激光器增益带宽内，用于作为窄线宽波长选择性单元，将落于布拉格光栅窗口内的QCL输出作为种子光反射回QCL芯片，并与QCL芯片构成外腔，允许种子光在外腔内多次反复来回振荡；

温度控制单元，置于光纤布拉格光栅之下，用于调谐光纤布拉格光栅的中心波长。

优选的，所述中红外量子级联激光器的中心波长为4-14微米。

优选的，所述第一中红外透镜为球面透镜，材质为氟化钙、氟化镁、锗、硒化锌中的一种，焦距为5-200毫米，直径为1/4-1英寸。

优选的，所述第二中红外透镜为球面透镜，材质为氟化钙、氟化镁、锗、硒化锌中的一种，焦距为5-200毫米，直径为1/4-1英寸。

优选的，所述中红外单模光纤采用中红外单模氟化物玻璃光纤、中红外单模硫化物玻璃光纤、中红外单模硒化物玻璃光纤、中红外单模碲化物玻璃光纤中的一种。

优选的，采用飞秒激光直写技术刻写光纤布拉格光栅。

优选的，所述温度控制单元的温度调节范围为-5摄氏度至200摄氏度。

基于权利要求1所述的中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器的实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、中红外量子级联激光器的激光输出通过第一中红外透镜平行、准直；

S2、中红外量子级联激光器的激光输出经平行准直后再通过第二中红外透镜聚焦耦合进入中红外单模光纤的纤芯；

S3、中红外单模光纤上刻有低反射率、窄线宽的布拉格光栅，光栅起到一个弱反射腔镜的作用，选择性地对落在光纤光栅反射波段窗口内的中红外量子级联激光器信号反射回量子级联激光器；这样由量子级联激光器和窄线宽中红外光纤光栅构成一个外腔谐振腔，而通过反射注入的一个窄线宽弱信号被作为种子信号，种子信号光通过量子级联激光器的增益放大，经过反复振荡最终实现窄线宽的激光输出；窄线宽的激光最后通过中红外单模光纤输出，实现中红外窄线宽、单横模输出；

S4、通过温度控制单元调节中红外单模光纤光栅中心波长，重复步骤S3，波长调谐后的窄线宽的激光最终通过中红外单模光纤输出，实现波长可调谐的、中红外窄线宽、单横模输出。

本发明所述激光器工作原理如下：

所述中红外量子级联激光器通过其本身两端面构成自身的F-P谐振腔，其激光输出线宽较宽，输出光通过第一中红外透镜平行准直，继而通过第二中红外透镜聚焦耦合进入中红外单模光纤的纤芯，中红外单模光纤上刻写有窄线宽、弱反射布拉格光栅，窄线宽弱反射光纤布拉格光栅选择性地把落在布拉格光栅窗口内的量子级联激光器的输出信号反射回量子级联激光器芯片，该弱信号成为反向注入量子级联激光器芯片的种子光，量子级联激光器和光纤布拉格光栅构成一个外腔，反向注入的种子光信号在腔内经过多次往返振荡最终实现窄线宽输出；光纤布拉格光栅被置于微型温度控制单元上，通过温度调节调谐光纤布拉格光栅中心波长位置，从而实现波长可调谐的、窄线宽中红外量子级联激光器输出。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

a)光纤布拉格光栅由于栅区长度长，可以实现3dB带宽小于1纳米，因此可以实现4微米波长以上、窄线宽中红外激光输出；

b)中红外单模光纤直接确保单横模的高光束质量的激光输出，无需其他横模选择元件；

c)通过温度控制光纤布拉格光栅中心波长实现波长的高精度可调谐，

d)光纤抗弯曲的特点使得整个激光器输出更为灵活，利于实现结构紧凑的激光器件。

附图说明

图1为本发明的中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器的结构示意图；其中，1-中红外量子级联激光器；2-第一中红外透镜；3-第二中红外透镜；4-中红外单模光纤；4.1-纤芯；4.2-包层；5-光纤布拉格光栅；6-温度控制单元；

图2为中红外高功率QCL输出光谱；

图3为中红外光纤布拉格光栅结构示意图；

图4为外腔光纤布拉格光栅透射光谱；

图5为基于外腔光纤布拉格光栅稳频的窄线宽QCL激光输出光谱；

图6为窄线宽QCL激光输出中心波长和温度关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的一种中红外光纤光栅稳频的量子级联激光器，包括：

一个4微米中红外法布里-珀罗腔量子级联激光器1作为光源，其输出光谱如图2所示，其激光器中心波长为4.045微米，光谱3dB带宽为19纳米；

第一中红外透镜2为CaF₂晶体平凸球面透镜，直径为英寸，焦距为30毫米；

第二中红外透镜3为CaF₂晶体平凸球面透镜，直径为英寸，焦距为10毫米；

一段中红外单模光纤4，作为用于刻写光纤布拉格光栅的载体和最终激光输出尾纤；本实施例中，中红外单模光纤选用中红外单模氟化铟玻璃光纤，包括纤芯4.1和包覆在纤芯4.1外的包层4.2，纤芯直径为9微米，数值孔径0.26，光纤总长度1.0米；

如图3所示，在中红外单模光纤4的输入端，即靠近量子级联激光器1和第一中红外透镜2、第二中红外透镜3一侧，通过800纳米飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯4.1上刻写光纤布拉格光栅5；

本实施例实测光纤布拉格光栅5的透过光谱如图4所示，其光栅中心波长位于4.05微米，其3dB带宽为0.46纳米，相比于基线水平，在峰值波长透过率下降为～80％，可以计算出其在峰值波长4.05微米的反射率约为20％。

中红外量子级联激光器1的激光输出通过第一中红外透镜2平行、准直；再通过第二中红外透镜3聚焦耦合进入中红外单模光纤4的纤芯4.1；窄线宽弱反射光纤布拉格光栅5选择性地把落在布拉格光栅窗口内的量子级联激光器1的输出信号反射回量子级联激光器1，该弱信号成为反向注入量子级联激光器1的种子光，量子级联激光器1和光纤布拉格光栅5构成一个外腔，反向注入的种子光信号在腔内经过多次往返振荡放大最终实现窄线宽激光输出；窄线宽的激光最后通过中红外单模光纤4输出，实现中红外窄线宽、单横模输出；图5为通过光谱仪测试的中红外稳频窄线宽量子级联激光器激光输出，其中心波长为4.05微米，受到光谱仪光谱分辨率限制，其实测线宽约为0.1纳米。

光纤布拉格光栅5被置于微型温度控制单元6上，温度控制单元6为半导体制冷片材料，温度调节范围为-5摄氏度至200摄氏度，通过调节温度调谐光纤布拉格光栅中心波长位置，从而实现波长可调谐的、窄线宽中红外量子级联激光器输出。图6给出了通过温度调谐窄线宽QCL激光输出中心波长的范围。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。