[发明专利]基于波长可调谐超表面的外腔激光器

说明书

一种激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为以相对于反馈光束的方向为非零的角度将光的第二部分作为输出光束反射。超表面可被配置为将光的第二部分作为输出光束透射通过超表面远离刻面。可以通过平移超表面来调谐激光设备的发射波长。输出光束可以在调谐波长的同时朝向固定方向准直。

相关申请的交叉引

本申请要求于2020年5月8日提交的美国临时申请No.63/022,270的权益和优先权，该申请通过引用整体并入本文。

政府许可权

本发明是由国家科学基金会(National Science Foundation)授予的在1807323和1541959下的政府支持完成的。政府对本发明享有某些权利。

技术领域

本申请总体上涉及可调谐激光器系统。

背景技术

外腔激光器可以包括基于增益介质和一组光学元件的设备，该组光学元件可以在某些条件下发出激光。

发明内容

本公开的系统和方法涉及可以结合超表面的可调谐激光器系统。超表面可以包括亚波长间隔的光学元件的整体，并且可以包括多个超晶胞。提供了基于作为激光器的腔的一部分的超表面的外腔激光器的波长、光谱和偏振调谐。可以通过移动具有平移台的超表面或电气地来实现调谐。

提供了色散反射和透射超表面、结合这些超表面的波长可调谐激光器系统以及制造、布置、控制和对准这些系统的方法。也提供了用于调谐波长、抑制或诱导激光模式跳跃、控制发射光的偏振及耦合不同激光器的详细系统、方法及配置。在这些系统中使用的超表面可以产生波长相关和/或偏振相关反馈，该波长相关和/或偏振相关反馈可以被反向反射至组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)，这可以确定激光波长和/或偏振。在一些实施例中，可以通过机械平移和/或旋转超表面元件或系统的其他组件或使用电可调谐超表面元件来实现可调谐性。在一些实施例中，由超表面产生的反馈光束和输出光束两者可以是任意形状的并且可以包括光学相位和偏振奇点以实现精确的相位和偏振控制以及多波长操作。在一些实施例中，本公开的系统和方法使用一类基于超晶胞的超表面。基于超晶胞的超表面可以允许独立地设计激光的输出光束和朝向组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)的反馈光束。

本公开的至少一个方面涉及一种激光设备。该激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且可以被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为以相对于反馈光束的方向为非零的角度将光的第二部分作为输出光束反射。

本公开的另一方面涉及一种激光设备。该激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为将光的第二部分作为输出光束透射通过超表面远离刻面。

在一些实施例中，该系统可以包括一个或更多个光学组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)。光学组件可以包括半导体激光器、固态激光器、气体激光器、染料激光器、金属蒸气激光器、单极激光器、或能够放大光或电磁辐射而对波长、大小和功率没有任何限制的设备。该增益介质或该增益介质的一部分可以涂覆有减反射(AR)涂层(例如，抗反射涂层)以便使沿着该增益介质传播的波与自由空间辐射相匹配。在一些实施例中，增益介质或增益介质的一部分可以涂覆有高反射率(HR)涂层以防止光在某些方向上的传播。在一些实施例中，可以使用减反射涂层和反射涂层两者。