專利名稱：光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及垂直外腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
垂直外腔面發(fā)射激光器屬于面發(fā)射激光器中的一種，是半導(dǎo)體激光技術(shù)中的新型器件以其高功率、優(yōu)質(zhì)光束質(zhì)量和易于二維列陣的特點(diǎn)在激光顯示、激光通信、材料加工、醫(yī)療及國(guó)防工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是其易于倍頻和二維平面列陣的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的高功率激光輸出，這些優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)加工、固體激光和光纖激光泵浦、晶體倍頻等領(lǐng)域有著非常大的研發(fā)前景。
垂直外腔面發(fā)射激光器與固體激光器和邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。一，傳統(tǒng)的固體激光器體積龐大、造價(jià)高、轉(zhuǎn)換效率低；垂直外腔面發(fā)射激光器具有體積小、成本低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。而且半導(dǎo)體材料的帶隙是可以調(diào)節(jié)的，它能獲得固體激光器所沒(méi)有的波長(zhǎng)。這些將大大拓展它的應(yīng)用領(lǐng)域。二，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)散角大，需要對(duì)輸出光束進(jìn)行整形，這套整形系統(tǒng)精度要求很高，目前我國(guó)還沒(méi)有能力生產(chǎn)這套系統(tǒng)；垂直外腔面發(fā)射激光器具有極小的發(fā)散角、圓對(duì)稱光斑、易于單縱模激射，不用經(jīng)過(guò)復(fù)雜的整形系統(tǒng)就可以直接使用，大大降低成本。另外，高功率半導(dǎo)體激光器在光泵浦、醫(yī)療、材料處理、自由空間通信傳輸?shù)阮I(lǐng)域的巨大應(yīng)用市場(chǎng)使得高功率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器件的研究近年來(lái)也得到了重視和發(fā)展。三，對(duì)于小尺寸(＜10um)的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，雖然其輸出光束是理想的單模圓形光束，但功率被限制在10mW左右。而對(duì)于功率大于180mW的器件，輸出光束是多模。光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器在原則上解決了這些問(wèn)題，它通過(guò)外腔鏡調(diào)節(jié)光學(xué)諧振腔達(dá)到單模輸出。此外，在垂直外腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)中加入倍頻晶體和可飽和吸收鏡進(jìn)行倍頻和被動(dòng)鎖模和調(diào)Q，可以擴(kuò)大輸出波長(zhǎng)的范圍。輸出功率可達(dá)到幾百毫瓦，輸出圓對(duì)稱光束。垂直外腔面發(fā)射激光器作為新型的面發(fā)射激光器正在成長(zhǎng)為一種有代表性的器件。因?yàn)樗w積小、光束質(zhì)量好、功率較大、易于倍頻和鎖膜，并且制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在顯微分析、三元色顯示等方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
在以往的光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器中，其周期增益結(jié)構(gòu)中有一個(gè)量子阱，因而填充因子很低，導(dǎo)致激光器閾值電流密度升高，外量子阱效率降低，激光器很難實(shí)現(xiàn)高功率輸出(S W.Corzine etc.“Design of Fabry-PerotSurface-Emitting Lasers with a periodic GainStructure，”IEEEJ.QuantumElectron.vol.25，NO.6.pp.1513-1524，1989)。因此要想獲得更高功率的輸出，需要增加周期結(jié)構(gòu)中量子阱的個(gè)數(shù)，不過(guò)，并非周期結(jié)構(gòu)中量子阱的個(gè)數(shù)越多越好，存在一個(gè)最理想的量子阱個(gè)數(shù)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)中固體激光器體積大、造價(jià)高、轉(zhuǎn)換效率低；半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，整形系統(tǒng)復(fù)雜且難于制作；特別是以往的光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器很難實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是得到一種線性極化的，圓形對(duì)稱的，近于衍射極限的高功率激光輸出，本發(fā)明的一個(gè)重要特征在于提供一種周期增益結(jié)構(gòu)中包含2-3個(gè)量子阱的光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器，而且在該激光器外腔中加入倍頻晶體和可飽和吸收鏡進(jìn)行倍頻和被動(dòng)鎖模和調(diào)Q，可以擴(kuò)大輸出波長(zhǎng)的范圍。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器包括泵浦光源1、外延片2、熱沉3、外腔鏡4、倍頻晶體5；其中外延片2包括窗口層6、保護(hù)層7、有源區(qū)8、多層布拉格反射鏡11、襯底12；其中有源區(qū)8包括量子阱層9、吸收層10；保護(hù)層7上端面與窗口層6下端面固定連接，保護(hù)層7下端面與有源區(qū)8的量子阱層9固定連接，吸收層10上端與量子阱層9緊密接觸，有源區(qū)8的吸收層10與多層布拉格反射鏡11的上端面固定連接，多層布拉格反射鏡11的下端面與襯底12的上端面固定連接，外延片2下端與熱沉3的上端面固定連接，外腔鏡4與外延片2相隔20-50mm，外腔鏡4上下兩端固定在光學(xué)微調(diào)架上；其特征在于量子阱層9中的量子阱個(gè)數(shù)范圍選擇在2-3個(gè)。
量子阱層9中的量子阱個(gè)數(shù)可選則的范圍選擇在1-3個(gè)。本發(fā)明采用2-3個(gè)量子阱為周期結(jié)構(gòu)中量子阱個(gè)數(shù)的理想范圍。因?yàn)楫?dāng)量子阱個(gè)數(shù)為4個(gè)或4個(gè)以上時(shí)，同周期結(jié)構(gòu)中包含2-3個(gè)量子阱的激光器相比，激光器的閾值電流密度高，輸出功率低；以往技術(shù)采用周期結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)量子阱的光泵浦垂直外腔面發(fā)射技術(shù)，主要是為了通過(guò)增加有源區(qū)中吸收層的幾何厚度，提高吸收系數(shù)，因此提高了有源區(qū)對(duì)泵浦光的吸收。在以往技術(shù)中，由于單個(gè)量子阱層很薄，通常忽略了量子阱對(duì)泵浦光的吸收。實(shí)際上，本發(fā)明注意到由于量子阱的帶隙能量要小于吸收層的帶隙能量，相同厚度的量子阱層對(duì)泵浦光的吸收要強(qiáng)于吸收層，因此當(dāng)周期結(jié)構(gòu)中采用2-3個(gè)量子阱時(shí)，考慮到量子阱對(duì)泵浦光的吸收，這不僅是增加量子阱的個(gè)數(shù)，而是通過(guò)增加量子阱的個(gè)數(shù)來(lái)增加量子阱層的厚度，這樣做雖然減少了吸收層的厚度，但卻通過(guò)增加量子阱層的厚度進(jìn)一步提高了吸收系數(shù)，因此提高了有源區(qū)對(duì)泵浦光的吸收；并且，激光器的周期增益結(jié)構(gòu)中包含2-3個(gè)量子阱，提高了激光器的填充因子，降低了閾值電流密度，提高了外量子阱效率，因此提高了器件的輸出功率。因此，它成為本發(fā)明的重要發(fā)明點(diǎn)。
多層布拉格反射鏡11可采用多層鋁、銀、金或鉑金屬反射鏡，以往技術(shù)采用多層介質(zhì)膜反射鏡，雖然該反射鏡反射率很高，但其散熱較差，因此在制作激光器的過(guò)程中需要采用其它多種方法來(lái)解決激光器的散熱問(wèn)題，使激光器的后續(xù)制作工藝過(guò)于復(fù)雜；并且對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，多層介質(zhì)膜反射鏡的制作非常困難；多層布拉格反射鏡采用多層鋁、銀、金或鉑金屬反射鏡，制作簡(jiǎn)單，特別是散熱好，因此使后續(xù)工藝簡(jiǎn)單化。
多層布拉格反射鏡11采用光子晶體，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率的材料；已有技術(shù)采用多層介質(zhì)膜反射鏡，不能對(duì)激光器的出射光場(chǎng)的橫向模式進(jìn)行限制，因此需要通過(guò)外腔鏡調(diào)節(jié)光學(xué)諧振腔達(dá)到單模輸出，多層布拉格反射鏡采用光子晶體避免了激光器多膜運(yùn)轉(zhuǎn)，而使激光器的調(diào)制性能更好；并且，多層布拉格反射鏡采用光子晶體能增加激光的出射面積從而提高激光器的輸出功率。
本發(fā)明的激光器工作時(shí)器件以光泵浦方式工作。泵光被有源區(qū)吸收，產(chǎn)生光生載流子，落入量子阱層，進(jìn)行載流子復(fù)合，發(fā)射出另一波長(zhǎng)的光，波長(zhǎng)由量子阱層帶隙差決定。窗口層厚度一般為幾百納米，目的是防止壘區(qū)產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散到材料表面。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與已有技術(shù)中的固體激光器和半導(dǎo)體激光器相比，本發(fā)明采用成熟的大功率半導(dǎo)體激光器做泵光源，泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器的外延片，再通過(guò)類似于固體激光器的外腔鏡進(jìn)行選模輸出，兼顧了兩類激光器的優(yōu)點(diǎn)。輸出功率可達(dá)到幾瓦，輸出光束為近衍射極限的圓光斑。當(dāng)在外延片和外腔鏡之間加入倍頻晶體或可飽和吸收鏡進(jìn)行倍頻或被動(dòng)鎖模和調(diào)Q，可以擴(kuò)大輸出波長(zhǎng)的范圍，得到短波長(zhǎng)如藍(lán)綠光輸出或脈寬為納秒或皮秒的脈沖輸出。另外，本發(fā)明的激光器采取光泵的方式，工藝大大簡(jiǎn)化，減少了光刻，制作電極，鍍膜等很多道程序，不但減少了成本，也大大提高了成品率。本發(fā)明激光器的周期增益結(jié)構(gòu)中包含2-3個(gè)量子阱，提高了激光器的填充因子，降低了閾值電流密度，提高了外量子阱效率，因此提高了器件的輸出功率。


圖1是本發(fā)明中垂直外腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中垂直外腔面發(fā)射激光器的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1如圖1和圖2所示，一種光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器包括泵浦光源1、外延片2、熱沉3、外腔鏡4、倍頻晶體5；對(duì)于激射波長(zhǎng)為980nm的輸出光，泵浦光源1是800-810nm大功率光纖耦合模塊。外延片2由半導(dǎo)體材料組成，外延片2包括窗口層6、保護(hù)層7、有源區(qū)8、多層布拉格反射鏡11和襯底12；窗口層6為AlAs或Si3N4或HfO2或SiNxOy。保護(hù)層7為GaAs。有源區(qū)8由量子阱層9和吸收層10組成；有源區(qū)8選擇不同的材料體系可以得到波長(zhǎng)425nm-1800nm的激光輸出。量子阱層9包含2-3個(gè)量子阱，可以重復(fù)9-21個(gè)周期，對(duì)于980nm波段，可由InGaAs材料制成。吸收層10由AlGaAs材料制成。多層布拉格反射鏡11由20-30對(duì)AlGaAs/GaAs材料交替制成。襯底12由GaAs材料制成。熱沉3由金剛石和、或紫銅和、或碳化硅和、或無(wú)氧銅材料制成，外腔鏡4由光學(xué)玻璃或石英晶體材料制成，直徑5-15cm，曲率半徑25-100mm，對(duì)980nm光反射率在95％-98％。倍頻晶體5為L(zhǎng)iB3O5(LBO)或β-BaB2O4(BBO)晶體材料組成。
外腔鏡4和多層布拉格反射鏡11之間形成了光學(xué)諧振腔，腔長(zhǎng)為20-50mm，在腔內(nèi)放入倍頻晶體可以得到功率100mW以上波長(zhǎng)為212nm-900nm的激光輸出。
實(shí)施例2將實(shí)施例1中泵浦光源換成975-1250nm高功率半導(dǎo)體激光器，窗口層6換成InP，有源區(qū)8換成InGaAsP/InP材料，多層布拉格反射鏡11換成InP/InGaAsP，襯底12換成InP，外腔鏡4對(duì)1550nm光高反射可獲得1550nm激光輸出的垂直外腔面發(fā)射激光器。
實(shí)施例3將實(shí)施例1、2中的多層布拉格反射鏡11換成多層鋁、銀、金或鉑金屬材料，其余部件和結(jié)構(gòu)如上所述，可實(shí)現(xiàn)980nm或1550nm的激光輸出。
實(shí)施例4將實(shí)施例1、2中的多層布拉格反射鏡12換成光子晶體，其余部件和結(jié)構(gòu)如上所述，可實(shí)現(xiàn)980nm或1550nm的激光輸出。
實(shí)施例5在實(shí)施例1中的外延片2和外腔鏡4之間放入倍頻晶體5，倍頻晶體可選用LiB3O5(LBO)或β-BaB2O4(BBO)等非線性晶體材料，可得到波長(zhǎng)488nm的藍(lán)光輸出。
實(shí)施例6在實(shí)施例1中的外延片2和外腔鏡4之間放入半導(dǎo)體可飽和吸收體(SESAM)，進(jìn)行被動(dòng)鎖模，能夠獲得納秒級(jí)的脈寬。
權(quán)利要求
1.一種光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器，包括泵浦光源1、外延片2、熱沉3、外腔鏡4、倍頻晶體5；其中外延片2包括窗口層6、保護(hù)層7、有源區(qū)8、多層布拉格反射鏡11、襯底12；其中有源區(qū)8包括量子阱層9、吸收層10；其特征在于量子阱層9中的量子阱個(gè)數(shù)范圍選擇在2-3個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器，其特征在于多層布拉格反射鏡11采用多層鋁、銀、金或鉑金屬反射鏡。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器，其特征在于多層布拉格反射鏡11采用光子晶體。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射激光器，其構(gòu)成包括泵浦光源1、外延片2、熱沉3、外腔鏡4、倍頻晶體5；外延片2包括窗口層6、保護(hù)層7、有源區(qū)8、多層布拉格反射鏡11、襯底12；有源區(qū)8包括量子阱層9、吸收層10。特征在于量子阱層9中包含2－3個(gè)量子阱的光泵浦高功率垂直外腔面發(fā)射技術(shù)，從而提高了激光器的填充因子，降低閾值電流密度，提高外量子阱效率，因此提高了器件的輸出功率。本發(fā)明得到一種線性極化的，圓形對(duì)稱的，近于衍射極限的高功率激光輸出。另外，本發(fā)明采取光泵的方式，工藝大大簡(jiǎn)化，減少了光刻，制作電極，鍍膜等很多道程序，不但減少了成本，也大大提高了成品率。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1710763SQ200510016969
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者路國(guó)光, 單肖楠, 何春鳳, 秦麗, 宴長(zhǎng)嶺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所