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洛桑联邦理工学院的芯片级铒激光器具有广泛的波长可调性

2024-06-14 14:30:25  来源:激光网    

  光纤激光器使用掺杂稀土元素(铒、镱、钕等)的光纤作为光增益源。它们发射高质量的光束,高效耐用,并且通常比气体激光器小。据瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家称,光纤激光器现在是低相位噪声的“黄金标准”,这意味着它们的光束会随着时间的推移保持稳定。

  但尽管如此,对芯片级光纤激光器小型化的需求不断增长。铒基光纤激光器之所以令人感兴趣,是因为它们满足了保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是,将它们小型化在小规模上保持其性能方面遇到了挑战。

  现在,由洛桑联邦理工学院刘阳博士和Tobias Kippenberg教授领导的科学家已经建立了有史以来第一个芯片集成的掺铒波导激光器,该激光器接近基于光纤的激光器的性能,将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。该研究发表在《自然光子学》杂志上。

  芯片级激光器

  研究人员使用最先进的制造工艺开发了他们的芯片级铒激光器。他们首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。“尽管芯片尺寸紧凑,但我们能够将激光腔设计为米级长度,这要归功于这些微环谐振器的集成,这些微环谐振器可以有效地扩展光路,而无需物理放大设备,”刘博士说。

  然后,该团队在电路中植入了高浓度的铒离子,以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后,他们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成在一起,以激发铒离子,使它们能够发光并产生激光束。为了改进性能并实现精确的波长控制,研究人员设计了一种创新的腔内设计,该设计具有基于微环的游标滤光片,这是一种可以选择特定频率光的光学滤光片。

  功率、精度、稳定性、低噪声

  滤光片允许在很宽的范围内动态调谐激光的波长,使其用途广泛,可用于各种应用。这种设计支持稳定的单模激光,其固有的线宽非常窄,仅为 50 Hz。它还允许显著的侧模抑制,即激光器能够以单一、一致的频率发射光,同时将侧模的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的稳定输出。

  新型激光器的输出功率超过 10 mW,侧模抑制比大于 70 dB,性能优于许多传统系统。洛桑联邦理工学院(EPFL)表示,它还具有较窄的线宽,这意味着它发出的光“非常纯净和稳定”,这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。

  基于微环的游标滤光片在 C 波段和 L 波段内为 40 nm 的激光器提供了宽波长可调性,在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器,同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。

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