什么是Pockels激光器？Pockels激光器的工作原理

什么是Pockels激光器？Pockels激光器的工作原理？

Pockels激光器是将Pockels效应集成到半导体激光器中而制成的混合集成激光器。这种激光器通过集成电光（EO）效应，具有高频调制速度和快速开关。它是第一种多色激光器，通过频率加倍在红外和可见光频率下发生激光。它具有窄线宽和宽调谐性。

该激光器具有III-V/外部腔体结构，具有高稳定性。通过使用绝缘体上的铌酸锂（LNOI）波导元件作为外部腔体，III-V族增益部分与Pockels效应在一个集成激光器中结合起来。

Pockels激光器的设计

图1：Pockels激光器的示意图

图1描述了Pockels激光器的原理图。这种混合集成激光器是由一个III-V反射半导体光放大器（RSOA）与LNOI芯片上的外部腔体边缘耦合而成。在RSOA和LNOI之间有可能出现模式不匹配导致的插入损耗，这可能导致功率损失。这可以通过在RSOA的边缘使用一个光点尺寸转换器来解决。一个抗反射层被涂在III-V面，以减少面的反射。为了实现降低反射率和匹配注入光的角度，LNOI的输入面波导被倾斜了10度。为了进一步降低反射率，在LNOI的输入面涂上了一层AR涂层。通过电光调制该装置的移相器，实现了激光频率调制。

LNOI的外部腔体是由两个赛场谐振器组成的游标镜结构。赛道和总线波导的设计是为了减少耦合模式族的数量，并防止多模式发光。耦合的选择是通过考虑发光功率、激光线宽和腔体的调谐速度而谨慎进行的。谐振器的自由光谱范围被设定为70GHz，两个谐振器之间有2GHz的差异。

每个谐振器都有一个独特的用途。第一个谐振器包含一个微加热器，用于利用热光学效应进行宽波段调谐。第二个谐振器是为高速电光调谐而设计的，在它里面集成了驱动电极。嵌入第二个谐振器内的周期性抛光铌酸锂（PPLN）空腔部分使其与二次谐波生成过程兼容。为了使纵向激光腔模式与游标模式保持一致，在腔体中还实现了一个可调谐的相位控制部分，该部分利用EO效应进行操作，因为铌酸锂的EO波克尔系数非常大。这种方法允许高速、节能和独立控制各个功能。在外部空腔的末端有一个萨格纳克环，作为输出端镜子，反射率为30%。

两个赛道谐振器都使用不同的耦合结构。第一个使用滑轮耦合器结构，第二个使用直波导，用于产生电信和近红外波长的二次谐波。这两种母线波导结构主要是为基本的准TE模式工作而设计的。

通过滑轮耦合结构改善了发光光谱的带宽，但多模发光的风险很高。使用第二种耦合设计可以解决这个问题，实现单模发光并抑制距离一个游标谱区的模式。高单模抑制率在50dB以上。

如图2所示，该激光器的调谐波长范围为1576纳米至1596纳米，这是由热光学调谐实现的。该激光器的基本发射波长为1518.12纳米，属于近红外范围，频率加倍的波长为790.56纳米，属于可见光范围，如图3所示。二次谐波光的功率相对较低，限制了基本频率下的腔内激光功率。这可以通过优化RSOA和LN芯片之间的耦合效率以及在腔内实施较长的PPLN部分来提高SHG效率来改善。

Pockels激光器的优点是在激光腔内加入了一个波长转换器，提供了更快的可见光配置，这对原子/离子捕获实验进行光泵浦、控制图像光和激光冷却步骤非常重要。

Pockels激光器应用

集成Pockels激光器可用于不同的应用，如原子物理学、LiDAR、微波光子学等。在原子物理学中，在可见光和近可见光波段的离子/原子操作中，开关速度需要达到MHz的水平，LiDAR需要一个窄线宽的激光器，具有高线性度和高于MHz范围的速度。