專利名稱：被動(dòng)式飽和箝位輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的碲鎘汞光限幅器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被動(dòng)式半導(dǎo)體光學(xué)限幅器，具體是指可實(shí)現(xiàn)對大功率激光器的輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)和飽和箝位的碲鎘汞(HgCdTe)光限幅器。
背景技術(shù)：
光學(xué)限幅器件具有在較低的入射光強(qiáng)下，其輸出強(qiáng)度隨入射光強(qiáng)呈線性關(guān)系變化，而在較高的入射光強(qiáng)下其輸出光強(qiáng)箝位在一個(gè)固定飽和值的特點(diǎn)。隨著大功率可調(diào)諧脈沖激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，為保護(hù)精密光學(xué)器件和人眼免受其損傷，迫切需要有與之相適應(yīng)的光學(xué)限幅器。同時(shí)，光限幅器也是光學(xué)穩(wěn)幅和光學(xué)通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用光學(xué)元件之一。光限幅器有主動(dòng)式和被動(dòng)式之分，相對于主動(dòng)式光限幅器，被動(dòng)式光限幅器因只涉及到一束入射光就可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制，因此這種限幅器被證明是一種更有效的限幅方式。被動(dòng)式限制光強(qiáng)可調(diào)光限幅器不僅能夠滿足對輸出光強(qiáng)進(jìn)行限制，而且可通過對材料的雙光子吸收的人為調(diào)控而對輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，具有很快的響應(yīng)速度，因此可以在簡化儀器結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高能量的利用率和系統(tǒng)的信噪比，為儀器的小型化、輕量化和增強(qiáng)器件功能提供有效的技術(shù)途徑。
傳統(tǒng)的被動(dòng)式光限幅器有二種結(jié)構(gòu)1)基于改變吸收體積的限幅結(jié)構(gòu)基于改變雙光子吸收體積的限幅結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)可調(diào)的最典型的限幅器，該限幅器結(jié)構(gòu)為一個(gè)具有大的雙光子吸收系數(shù)的半導(dǎo)體材料，入射光正入射在限幅器表面，通過調(diào)節(jié)吸收層的厚度而改變雙光子吸收。但由于雙光子吸收是效率很低的非線性吸收過程，且與光吸收材料相互作用的長度成線性關(guān)系，因此若實(shí)現(xiàn)其對光強(qiáng)的調(diào)節(jié)必須要有很長的吸收長度，而從器件的實(shí)際應(yīng)用角度來看，簡單靠提高雙光子吸收長度來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)節(jié)和輸出飽和并不是一種有效可行的方案。
2)基于光學(xué)諧振腔與雙光子吸收材料結(jié)合結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是將雙光子吸收材料放在光學(xué)諧振腔中間，通過光束在諧振腔中的振蕩來改變光束在雙光子吸收材料中的吸收等效長度，以此提高雙光子吸收的效率。其中，光學(xué)諧振腔由F-P諧振腔組成。這種方法雖然有效地增加了材料的雙光子吸收長度，但其輸出光強(qiáng)仍然保持在固定值而沒有滿足其輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的特性。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述光限幅器由于結(jié)構(gòu)上存在的問題，而限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明的目的是要提出一種可對大功率激光器的輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)和飽和箝位的HgCdTe限幅器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將HgCdTe光電二極管置于光學(xué)諧振腔中間作為吸收層，通過人為調(diào)控HgCdTe光電二極管的反向電壓而實(shí)現(xiàn)對入射激光的飽和箝位和光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)。
本發(fā)明的HgCdTe光學(xué)限幅器包括一對分布布拉格反射鏡形成的F-P光學(xué)諧振腔和置于F-P光學(xué)諧振腔中間的作為吸收層的HgCdTe光電二極管及施加于HgCdTe光電二極管的直流穩(wěn)壓電源。
所說的分布布拉格反射鏡的兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質(zhì)膜，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數(shù)，膜層光學(xué)厚度為λ0/4。反射鏡襯底材料為Ge或Si，高折射率膜層為PbTe或Ge材料，低折射率膜層為ZnSe或SiO材料。
本發(fā)明的HgCdTe光學(xué)限幅器的工作原理是通過調(diào)節(jié)施加在HgCdTe光電二極管上的電壓可輕易改變其p-n結(jié)空間電荷區(qū)的電場強(qiáng)度。p-n結(jié)本身可在空間電荷區(qū)形成強(qiáng)電場，當(dāng)對p-n結(jié)施加反向偏壓時(shí)，反向偏壓將與空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場疊加，當(dāng)施加的反向偏壓使該區(qū)域的電場強(qiáng)度達(dá)到足夠強(qiáng)時(shí)，能帶發(fā)生較大傾斜，對于電子而言相當(dāng)于材料的有效帶隙減小，即Franz-Keldysh效應(yīng)出現(xiàn)，這導(dǎo)致空間電荷區(qū)的雙光子吸收系數(shù)發(fā)生明顯變化，外偏壓越強(qiáng)能帶將越傾斜，材料的有效帶隙變化越大，相應(yīng)的雙光子吸收變化越明顯。而結(jié)區(qū)外由于場強(qiáng)很弱，能帶基本不發(fā)生變化，所以雙光子吸收系數(shù)沒有發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)外偏壓就可以人為調(diào)控空間電荷區(qū)的雙光子吸收。由于HgCdTe光電二極管是放在光學(xué)諧振腔中，通過光束在諧振腔中的來回振蕩可保證雙光子吸收長度，從而提高雙光子吸收的效率，實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)對大功率激光器的飽和箝位輸出光強(qiáng)精確連續(xù)可調(diào)。這也正是本發(fā)明的光學(xué)限幅器較傳統(tǒng)光學(xué)限幅器的最大優(yōu)勢所在。此類光學(xué)限幅器件可在光學(xué)通信、保護(hù)人眼和光學(xué)器件免受大功率激光損傷、抑制輸出激光噪聲等方面具有廣泛應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的HgCdTe光學(xué)限幅器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明的HgCdTe光學(xué)限幅器的吸收層p-n結(jié)內(nèi)電場強(qiáng)度與雙光子吸收系數(shù)的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面以入射波長7920nm為設(shè)計(jì)波長，結(jié)合附圖對本發(fā)明的光學(xué)限幅器的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明本發(fā)明的HgCdTe光學(xué)限幅器的諧振腔1由一對分布布拉格反射鏡2組成，兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質(zhì)膜3，反射鏡襯底材料為Ge，H為高折射率膜層SiO，L為低折射率膜層PbTe，其折射率分別為2.35和5.55，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數(shù)，m＝2，膜層光學(xué)厚度為λ0/4，諧振腔長為7.92mm。將HgCdTe光電二極管4放在諧振腔中，并使光電二極管的p-n結(jié)中的空間電荷區(qū)5為諧振腔中心位置，以使光限幅達(dá)到最好效果。對7920nm入射波長，此諧振腔結(jié)構(gòu)透射光線寬為2.3nm，中心波長為7920nm，見圖1。
HgCdTe光電二極管4作為光吸收材料是限幅器的關(guān)鍵部分，它是一種窄禁帶半導(dǎo)體材料，光吸收主要發(fā)生在紅外波段，可通過調(diào)節(jié)Cd組分得到近、中、遠(yuǎn)紅外波段的光限幅吸收。對應(yīng)本例，使入射基頻光子能量為HgCdTe帶隙的60％，則相應(yīng)的Cd組分為0.305。制備方法是采用分子束外延方法生長在以GaAs為襯底的CdTe緩沖層上，形成p型外延層，在其表面注入硼離子，形成n+型突變n+-p結(jié)，再在其表面淀積CdTe鈍化層，以盡量降低表面復(fù)合。為滿足大功率脈沖激光光束的限幅，n+-p結(jié)的有效面積應(yīng)大于激光光斑直徑，此處取為2×2cm。
HgCdTe光電二極管的電極引出導(dǎo)線經(jīng)負(fù)載電阻6與直流穩(wěn)壓電源7聯(lián)接，負(fù)載電阻對HgCdTe光電二極管起保護(hù)作用，外加穩(wěn)壓直流電源對n+-p結(jié)形成反向偏壓方式。因n+-p結(jié)處于反偏時(shí)相對負(fù)載電阻輸入阻抗很大，可認(rèn)為直流電源輸出外電壓全部加在空間電荷區(qū)，通過控制外偏壓，可以改變施加在n+-p結(jié)上的電場強(qiáng)度，當(dāng)電場強(qiáng)度使材料的能帶傾斜到一定程度時(shí)，F(xiàn)ranz-Keldysh效應(yīng)的出現(xiàn)對材料的有效帶隙進(jìn)行調(diào)制，入射光子相對于材料的有效帶隙發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了對材料的二階吸收系數(shù)的人為調(diào)控，光限幅器的輸出光強(qiáng)相應(yīng)發(fā)生變化。F-P諧振腔使吸收材料對入射光的吸收效率增強(qiáng)。
在設(shè)計(jì)的過程中，由于光學(xué)吸收損耗材料n+-p結(jié)可承受的擊穿電壓有限，過強(qiáng)的外偏壓將導(dǎo)致n+-p結(jié)的擊穿，大的反向電流使空間電荷區(qū)的場強(qiáng)不再增強(qiáng)，因此過大反向偏壓無法再對輸出光強(qiáng)進(jìn)行人為調(diào)控。因此，在此例中根據(jù)擊穿電場強(qiáng)度，外偏壓最大不應(yīng)該超過-1V，此時(shí)在n+-p結(jié)處的電場強(qiáng)度已大于30kV/cm，雙光子吸收系數(shù)已相對零偏壓條件下增加了7倍。所以采用本發(fā)明，可以使得光限幅器的限幅能力調(diào)諧5倍左右。
權(quán)利要求
1.一種被動(dòng)式飽和箝位輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的碲鎘汞光限幅器，包括一對分布布拉格反射鏡(2)形成的F-P光學(xué)諧振腔(1)，其特征在于在F-P光學(xué)諧振腔中間置有HgCdTe光電二極管(4)，作為入射激光的吸收層，及施加于HgCdTe光電二極管(4)的直流穩(wěn)壓電源(7)；所說的分布布拉格反射鏡的兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質(zhì)膜，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數(shù)，m≥2，膜層光學(xué)厚度為λ0/4，襯底材料為Ge或Si，高折射率膜層為PbTe或Ge材料，低折射率膜層為ZnSe或SiO材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種被動(dòng)式飽和箝位輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的碲鎘汞光限幅器，其特征在于所說的HgCdTe光電二極管(4)是n+型突變n+-p結(jié)光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種被動(dòng)式飽和箝位輸出光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的碲鎘汞光限幅器，該光學(xué)限幅器包括一對分布布拉格反射鏡形成的F－P光學(xué)諧振腔和置于F－P光學(xué)諧振腔中間的作為吸收層的HgCdTe光電二極管及施加于HgCdTe光電二極管的直流穩(wěn)壓電源。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.由于吸收層采用HgCdTe光電二極管，通過控制施加于HgCdTe光電二極管的反向偏壓來達(dá)到雙光子吸收系數(shù)的人為調(diào)控；通過F－P光學(xué)諧振腔來增大雙光子吸收材料的等效吸收長度，從而實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)對大功率激光器的輸出光強(qiáng)精確連續(xù)可調(diào)和飽和箝位。2.由于吸收波長可通過HgCdTe材料中Cd組分來調(diào)節(jié)，因此，這種光學(xué)限幅器可以在整個(gè)紅外光學(xué)波段都能實(shí)現(xiàn)光學(xué)限幅要求。
文檔編號H01S3/08GK1996685SQ20061014806
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者陸衛(wèi), 崔昊楊, 李志鋒, 李寧, 甄紅樓, 張波, 陳平平, 李天信, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所