[发明专利]应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器

说明书

本发明提供一种应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器，在输出光端面设置滤光/反馈薄膜组和部分反射膜，滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料‑低折射率材料薄膜，VCSEL激光芯片输出的相干光束经滤光/反馈薄膜组选频率得到单波长光束，然后被部分反射膜部分反射，反射光在由输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值。本发明将VCSEL激光芯片和多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的滤光/反馈薄膜组集成一体化，获得一种小型集成化、窄线宽的激光器，具有结构简单、生产低成本、高抗干扰性、窄线宽特性，因此适用于芯片级原子光学器件并实现批量生产。

【技术领域】

本发明涉及半导体激光器技术，尤其涉及一种可应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器。

【背景技术】

芯片原子光学器件的发展得益于可调制单频微型半导体激光器技术，即需要一种能够同时满足窄线宽、低功耗、可调制、单模态的光源来激发碱金属原子。垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其窄线宽、低功耗、高调制效率、小体积和易集成等特征，使得原子光学领域向微型化和低功耗方向发展成为可能，进而VCSEL在芯片级原子光学器件研制中被广泛采用。

2014年5月长春光机所在国内研制出碱金属原子光学传感技术的795nm和894nmVCSEL激光器，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。国内外芯片级原子钟的发展现状可以看出小体积、低功耗和易集成的半导体激光器在原子光学仪器向小体积、低功耗方面发展起着重要的作用。

VCSEL激光器可以工作在能够调制到铷或铯原子的Dl或者D2共振波长的单频率状态上。相关的跃迁波长(在真空中)对铯原子来说是D1线894.6nm和D2线852.4nm，对于铷原子来说是D1线795nm和D2线780.2nm。如果有效的VCSEL不可能冷却，那么VCSEL的工作温度必须选择在原子钟工作的最大温度以上环境。例如，如果原子钟的工作温度是0℃～70℃，那么VCSEL的工作温度可能要选择在85℃。如果VCSEL的温度只能够在正负5℃的范围内变化，那么VCSEL的波长必须精确到正负0.3nm(假设通常VCSEL的调节系数是0.06nm/℃)。因此原子钟控制系统需要恒定电路驱动，温度控制系统，增加了系统复杂度，且稳定性差。

如何研制出小型集成化、低成本、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感的激光光源，以减少芯片级原子光学器件的系统复杂度并提高稳定性，成为近期的热点问题和挑战。并且这一直是技术难题，国际上尚没有这种专用技术，也没有相关产品的对应报道。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种小型集成化、低成本、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感的干涉型VCSEL激光器。

本发明的思路是将滤光和外腔反馈功能以镀膜方式集成在VCSEL激光芯片上，实现干涉型VCSEL激光器的小型集成化、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感。

为此，本发明提供一种应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器，所述激光包括由依次设置的P极、P光栅、增益区、N光栅和N极组成的VCSEL激光芯片，在所述P极的输出光端面设置滤光/反馈薄膜组，所述滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料-低折射率材料薄膜，以及设置在所述输出光端面远端的部分反射膜；所述VCSEL激光芯片输出的相干光束经所述滤光/反馈薄膜组选频率得到单波长光束，该单波长光束被所述部分反射膜部分反射，反射光在由所述VCSEL激光芯片的输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值，使所述部分反射膜的透射光作为输出激光。

在本发明中，这种滤光/反馈薄膜组起到超窄带滤光的功能和稳定输出激光中心波长作用，从而压窄激光线宽；VCSEL激光芯片和滤光/反馈薄膜组集成一体化提高激光器结构稳定性，从而使激光输出波长对温度和电流变化不敏感；而且可以在膜系设计时通过调整参数使输出激光波长与原子跃迁谱线共振。