本发明属于激光器，尤其涉及一种片上集成的单频激光器。
背景技术：
1、单频激光器在单一的纵模下运行，其输出激光的谱线宽度通常在兆赫兹量级及其以下，具有激光谱线宽度窄、相干作用长度长、激光光束质量好等优点，在激光雷达、干涉测量、激光遥感、全息影像、激光医疗、激光光谱学、光频标准和非线性光学频率变换等众多科研及工程领域中存在广泛的应用价值。例如在光学频率标准方面，单频激光器可以作为光学频率标准的源，广泛应用于气体频率标准、光学钟等，对于导航系统、国防安全等具有重大意义；在干涉方面，单频激光器的光束稳定，相干性高，可应用于微小位移、变形、畸变的检测，对于超精细加工、智能制造等领域不可或缺；在光谱学方面，单频激光器可广泛应用于线谱分析、分子光谱学、原子光谱学等领域，是前沿科学研究的重要工具。
2、目前常见的单频激光器多为光纤激光器或固体激光器。光纤激光器中光纤的盘绕必须满足一定的要求，因此其体积都比较大，不能进行器件尺寸上的深度压缩。固体激光器也因为需要众多的腔内选频元件，且其对泵浦光源和增益介质的散热要求都比较苛刻等原因，其器件不能做到小尺寸。此外，受到增益介质本身特性的限制，上述两种单频激光器的发射波长都非常有限，无法实现发射波长的多样化。但在实际应用中，比如军事应用，以及遥感卫星上的应用等场合，可能需要单频激光器的发射波长随环境及任务的不同而改变，最关键的是，需要单频激光器的器件尺寸越小越好，因此对单频激光器的体积大小提出了严格的要求，最好的情况是做到片上集成的规模。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种片上集成的单频激光器，整体激光器的光学部分和电学控制部分都可以集成在小尺寸的基片底板上，把光学部分和电学部分高度集成，使器件紧凑模块化，可即插即用，极大地提高了器件的机械稳定性，显著提升器件的环境适应能力，以适应国防军事等某些特殊的应用场景中的需要。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种片上集成的单频激光器，包括绝缘基片底板、光学部分和电学部分，所述绝缘基片底板用于承载所述光学部分和电学部分并能够进行传热；
3、所述光学部分用于产生单频激光束，所述光学部分包括激发系统、散热装置、激光增益反射镜和单频激光产生及控制系统，所述激发系统用于产生激发光，所述激光增益反射镜固定在所述散热装置上，所述激光增益反射镜能够吸收所述激发系统发出的激发光；所述单频激光产生及控制系统包括依次设置的偏振控制及波长调谐元件、线宽控制元件、耦合输出镜、谐振腔腔长控制装置和分光镜组件；所述激光增益反射镜、偏振控制及波长调谐元件、线宽控制元件和耦合输出镜之间构成激光谐振腔；所述偏振控制及波长调谐元件用于将激光谐振腔内的激光变成线偏振光，并且通过旋转偏振控制及波长调谐元件能够对激光谐振腔内的激光波长进行调谐；所述线宽控制元件用于压窄输出激光的线宽；所述耦合输出镜用于输出单频激光束；所述耦合输出镜固定在所述谐振腔腔长控制装置上，所述谐振腔腔长控制装置能够控制激光谐振腔的腔长；所述分光组件至少包括两组分光镜，所述单频激光束经过所述分光组件中的一个分光镜时，会分出一部分光束形成功率光束；所述单频激光束经过所述分光组件中的其他分光镜中的一个分光镜时，会分出一部分光束形成频率光束；
4、所述电学部分为所述光学部分提供驱动及控制，所述电学部分包括反馈控制总端、绝缘基片底板温度传感及控制系统、激光增益反射镜温度传感及控制系统、功率传感及控制系统和频率传感及控制系统；所述绝缘基片底板温度传感及控制系统用于感应所述绝缘基片底板的温度数据并发送给所述反馈控制总端，所述反馈控制总端对数据进行处理并将处理结果转变为第一控制信号发送给所述绝缘基片底板温度传感及控制系统，所述绝缘基片底板温度传感及控制系统能够对所述绝缘基片底板的温度进行控制；所述激光增益反射镜温度传感及控制系统用于感应所述激光增益反射镜的温度数据并发送给所述反馈控制总端，所述反馈控制总端对数据进行处理并将处理结果转变为第二控制信号发送给所述激光增益反射镜温度传感及控制系统，所述激光增益反射镜温度传感及控制系统能够对所述激光增益反射镜的温度进行控制；所述功率传感及控制系统用于感应所述功率光束的功率数据并发送给所述反馈控制总端，所述反馈控制总端对数据进行处理并将处理结果转变为第三控制信号发送给所述激发系统，所述第三控制信号用于改变所述激发系统发出的激发光的功率；所述频率传感及控制系统用于感应所述频率光束的频率数据并发送给所述反馈控制总端，所述反馈控制总端对数据进行处理并将处理结果转变为第四控制信号发送给所述谐振腔腔长控制装置，所述谐振腔腔长控制装置根据所述第四控制信号对激光谐振腔的腔长进行控制。
5、进一步，所述激发系统包括激发光源、第一汇聚透镜和第二汇聚透镜，所述激发光源所发出的激发光的激光能量能够被所述激光增益反射镜吸收，所述第一汇聚透镜用于将激发光源所发出的发散光束汇聚为平行光束，所述第二汇聚透镜用于将第一汇聚透镜所形成的平行光束再次汇聚到所述激光增益反射镜上。
6、进一步，所述激发系统和激光增益反射镜分别位于所述散热装置的两侧或同侧；所述激发系统和激光增益反射镜分别位于所述散热装置的两侧时，所述散热装置上设有通孔，所述激发系统发出的激发光能够穿过所述通孔到达所述激光增益反射镜上；所述激发系统和激光增益反射镜分别位于所述散热装置的同侧时，所述激发系统发出的激发光倾斜射向所述激光增益反射镜。
7、进一步，所述激光增益反射镜包括激光反射镜、激光有源区、载流子阻挡层和氧化保护层；所述激光反射镜包括若干个交替设置的高折射率层和低折射率层，每个高折射率层和低折射率层的光学厚度都等于四分之一激光波长，所述激光反射镜用于对激光波长进行反射，激光反射镜对激发光是透明的；所述激光有源区包括若干个交替设置的高势垒层和低势垒层，所述高势垒层能够吸收所述激发系统发出的激发光的激光能量并产生光生载流子；所述高势垒层中的光生载流子能够扩散到所述低势垒层中并在其中发生受激辐射；所述载流子阻挡层的势垒高于高势垒层的势垒和低势垒层的势垒，能够阻挡高势垒层和低势垒层的载流子继续扩散到所述激光增益反射镜的外表面；所述氧化保护层用于保护所述激光增益反射镜不被氧化。
8、进一步，所述光学部分和电学部分中的所有元件均固定在所述绝缘基片底板上；所述电学部分中的所有线路均采用集成电路方法制作在所述绝缘基片底板上。
9、进一步，所述散热装置与所述激光增益反射镜之间通过高导热率的金属过渡并焊接在一起。
10、进一步，所述激光增益反射镜还包括衬底，所述衬底在完成激光增益反射镜的外延生长之后，在激光增益反射镜的封装过程中，被去除掉。
11、进一步，所述偏振控制及波长调谐元件以布儒斯特角放置在激光谐振腔内；绕通过偏振控制及波长调谐元件的通光面的中心法线旋转时，能够对激光谐振腔中的激光波长进行调谐。
12、进一步，所述线宽控制元件的两个通光面都镀有对激光波长进行反射的第一膜层，能够压窄输出激光的线宽；所述耦合输出镜上镀有对激光波长进行透射的第二膜层；所述分光镜的后表面均镀有对输出激光波长进行透射的第三膜层，分光镜的前表面均镀有对激光束进行分光的第四膜层。
13、进一步，所述通孔为锥形孔，所述锥形孔的大径端靠近所述激发系统，所述锥形孔的小径端靠近所述激光增益反射镜，所述激发系统发出的激发光能够不被阻挡地穿过所述锥形孔。
14、本技术方案的工作原理在于：从激发光源发出的激发光束，经过第一汇聚透镜被汇聚为平行光束，再经过第二汇聚透镜的汇聚，被聚焦在激光增益反射镜上。因为激光增益反射镜后端的激光反射镜对激发光是透明的，所以激发光束可以穿透激光增益反射镜后端的激光反射镜，到达激光增益反射镜中的激光有源区，被其中的高势垒层所吸收，在高势垒层中产生光生载流子。光生载流子扩散到激光有源区中的低势垒层，在其中发生受激辐射跃迁。
15、激光增益反射镜后端的激光反射镜与偏振控制及波长调谐元件、线宽控制元件、耦合输出镜一起构成激光谐振腔。低势垒层中发生的受激辐射跃迁，在激光谐振腔中形成激光振荡。偏振控制及波长调谐元件把激光变成线偏振光，并对激光波长进行调谐。线宽控制元件对激光的线宽进行压缩。激光增益反射镜、偏振控制及波长调谐元件和线宽控制元件三者共同作用，使激光器处于单纵模运行状态，从耦合输出镜输出窄线宽的单频激光束。
16、单频激光器的稳定性由电学部分加以保障。激光器总体的温度由绝缘基片底板的温度决定。当绝缘基片底板温度传感及控制系统探测到绝缘基片底板的温度后，将其变为绝缘基片底板温度传感信号，并送往反馈控制总端进行处理，然后发出第一控制信号(绝缘基片底板温度控制信号)返回到绝缘基片底板温度传感及控制系统，对绝缘基片底板的温度进行稳定性控制。
17、激光增益反射镜的温度由激光增益反射镜温度传感及控制系统测得，然后将其转变为激光增益反射镜温度传感信号，并送往反馈控制总端进行处理，然后发出第二控制信号(激光增益反射镜温度控制信号)返回到激光增益反射镜温度传感及控制系统，对激光增益反射镜的温度进行稳定性控制。
18、从耦合输出镜输出的单频激光束通过第一分束镜时，被分出一小部分功率光束。功率传感及控制系统检测到功率光束中的功率变化，并转化为功率传感信号，送往反馈控制总端进行处理后，发出第三控制信号(功率控制信号)到激发光源，对激发光源的功率进行相应改变，以此来控制输出单频激光束的功率使其保持稳定。
19、从耦合输出镜输出的单频激光束通过第二分束镜时，被分出一小部分频率光束。频率传感及控制系统检测到频率光束中的频率变化，并转化为频率传感信号，送往反馈控制总端进行处理后，发出第四控制信号(频率控制信号)到谐振腔腔长控制装置，对激光谐振腔的腔长做出相应的改变，以此来控制输出单频激光束的频率使其保持稳定。
20、本技术方案的有益效果在于：首先，片上集成的单频激光器把产生单频激光器所需要的光学部分和控制稳定频率的电学部分集成在小尺寸的基片底板上，实现了单频激光器的模块化，具备即插即用功能，便携性得到本质上的改善，可适用的场景获得极大的提升，特别适合于科研仪器、国防军事、空间遥感等特殊应用场合；其次，与传统的体积较大的单频光纤激光器或者单频固体激光器相比，片上集成的单频激光器由于集成化程度高，体积小重量轻，其机械稳定性能成倍增加；第三，片上集成的单频激光器便于更加严格的密闭封装，从而有效隔绝外部扰动，使激光发射更加稳定的同时，反馈控制总端所需功耗也会随之显著下降，从而从整体上有效降低激光系统的功耗，延长激光器的使用寿命；最后，在稳定性、降低功耗、提升寿命等各指标获得改善的同时，激光器的综合性能将得到提升，形成使用过程中的良性循环，发挥出更大片上激光的优势。
1.一种片上集成的单频激光器，其特征在于：包括绝缘基片底板(1)、光学部分(2)和电学部分(3)，所述绝缘基片底板(1)用于承载所述光学部分(2)和电学部分(3)并能够进行传热；
2.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述激发系统包括激发光源(4)、第一汇聚透镜(5)和第二汇聚透镜(6)，所述激发光源(4)所发出的激发光的激光能量能够被所述激光增益反射镜(8)吸收，所述第一汇聚透镜(5)用于将激发光源(4)所发出的发散光束汇聚为平行光束，所述第二汇聚透镜(6)用于将第一汇聚透镜(5)所形成的平行光束再次汇聚到所述激光增益反射镜(8)上。
3.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述激发系统和激光增益反射镜(8)分别位于所述散热装置(7)的两侧或同侧；所述激发系统和激光增益反射镜(8)分别位于所述散热装置(7)的两侧时，所述散热装置(7)上设有通孔(31)，所述激发系统发出的激发光能够穿过所述通孔(31)到达所述激光增益反射镜(8)上；所述激发系统和激光增益反射镜(8)分别位于所述散热装置(7)的同侧时，所述激发系统发出的激发光倾斜射向所述激光增益反射镜(8)。
4.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述激光增益反射镜(8)包括激光反射镜(35)、激光有源区(36)、载流子阻挡层(37)和氧化保护层(38)；所述激光反射镜(35)包括若干个交替设置的高折射率层(39)和低折射率层(40)，每个高折射率层(39)和低折射率层(40)的光学厚度都等于四分之一激光波长，所述激光反射镜(35)用于对激光波长进行反射，激光反射镜(35)对激发光是透明的；所述激光有源区(36)包括若干个交替设置的高势垒层(41)和低势垒层(42)，所述高势垒层(41)能够吸收所述激发系统发出的激发光的激光能量并产生光生载流子；所述高势垒层(41)中的光生载流子能够扩散到所述低势垒层(42)中并在其中发生受激辐射；所述载流子阻挡层(37)的势垒高于高势垒层(41)的势垒和低势垒层(42)的势垒，能够阻挡高势垒层(41)和低势垒层(42)的载流子继续扩散到所述激光增益反射镜(8)的外表面；所述氧化保护层(38)用于保护所述激光增益反射镜(8)不被氧化。
5.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述光学部分(2)和电学部分(3)中的所有元件均固定在所述绝缘基片底板(1)上；所述电学部分(3)中的所有线路均采用集成电路方法制作在所述绝缘基片底板(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述散热装置(7)与所述激光增益反射镜(8)之间通过高导热率的金属过渡并焊接在一起。
7.根据权利要求4所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述激光增益反射镜(8)还包括衬底(34)，所述衬底(34)在完成激光增益反射镜(8)的外延生长之后，在激光增益反射镜(8)的封装过程中，被去除掉。
8.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述偏振控制及波长调谐元件(9)以布儒斯特角放置在激光谐振腔内；绕通过偏振控制及波长调谐元件(9)的通光面的中心法线旋转时，能够对激光谐振腔中的激光波长进行调谐。
9.根据权利要求1所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述线宽控制元件(10)的两个通光面都镀有对激光波长进行反射的第一膜层，能够压窄输出激光的线宽；所述耦合输出镜(11)上镀有对激光波长进行透射的第二膜层；所述分光镜的后表面均镀有对输出激光波长进行透射的第三膜层，分光镜的前表面均镀有对激光束进行分光的第四膜层。
10.根据权利要求3所述的一种片上集成的单频激光器，其特征在于：所述通孔(31)为锥形孔，所述锥形孔的大径端靠近所述激发系统，所述锥形孔的小径端靠近所述激光增益反射镜(8)，所述激发系统发出的激发光能够不被阻挡地穿过所述锥形孔。
