[发明专利]石墨烯锁模光泵薄片半导体激光器

说明书

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 Pumped Thin Disk Semiconductor Lasers, GML-OPDSL）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，还有一个极大的优点是GML-OPDSL的增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时,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，材料制作工艺比较成熟。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（>40GHz），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一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增益芯片。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。所述半导体增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1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/ TiO₂。

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/ TiO₂。可以得到波长850nm的激光脉冲。