專利名稱：空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
光泵浦垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有良好的空間光強(qiáng)分布、大的輸出功 率范圍、體積小、光束質(zhì)量好等突出優(yōu)點(diǎn)，使光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激 光器具有廣闊的應(yīng)用范圍。光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)合了半導(dǎo)體 泵浦固體激光器和垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造方法，吸取了二者的優(yōu) 點(diǎn)，既能輸出面發(fā)射激光器的優(yōu)質(zhì)基模高斯光束，又能獲得可與邊發(fā)射激光器
相比擬的高功率。具有芯片結(jié)構(gòu)簡單，無PN結(jié)，無電接觸，極大地簡化了的生 長過程，提高了可靠性；沒有電流注入，消除了附加電阻上相應(yīng)的熱效應(yīng)；芯 片用非摻雜的半導(dǎo)體材料生長，減少了自由載流子吸收導(dǎo)致的光損耗，較低的 對泵浦元件損傷性、較高的可靠性和大的輸出功率范圍等突出優(yōu)點(diǎn)，使得輸出 功率穩(wěn)定性更高；從光泵浦激光器的諧振腔設(shè)計(jì)角度來看，它類似于半導(dǎo)體泵 浦固體薄片激光器，降低了熱效應(yīng)，但波長上可以靈活設(shè)計(jì)；同時，泵浦的效 率上亦可得到較大的改善，可有效地提高轉(zhuǎn)換效率和閾值功率，比半導(dǎo)體泵浦 固體薄片激光器的設(shè)計(jì)更加靈活。
散熱問題是光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器向高功率拓展的瓶頸，同時也是 影響光-光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵問題。引起面發(fā)射半導(dǎo)體芯片增益降低的主要因素有 兩個 一是溫升導(dǎo)致的單個量子阱的峰值增益降低；二是熱效應(yīng)使激光場的波 腹與量子阱的位置錯開，從而致使吸收效率降低，耦合強(qiáng)度減弱。面發(fā)射半導(dǎo) 體芯片的熱效應(yīng)影響著器件的正常工作，對光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器有效的熱管理是提高其輸出激光功率、效率和改善光束質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一。
隨著泵浦光功率的加大，熱效應(yīng)問題也變得愈來愈嚴(yán)重，克服熱效應(yīng)，獲
得良好的輸出激光特性已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。研究人員先后報(bào)道了如下幾種通
過改善其熱特性的方法來提高激光輸出特性，如通過減薄面發(fā)射半導(dǎo)體芯片襯
底[Peter Brick; Stephan Lutgen， Tony Albrecht，etal.High-efficiency high-power semiconductor disc
laser.ProcofSPIE.4993 (2003):50-56]、改善熱沉與芯片以及芯片出光面與高導(dǎo)熱的透
明才才料間的鍵合工藝[William J Alford, Thomas D Raymond,and Andrew AAllerman.High power and good beam quality at 980 nm from a vertical external-cavity surface-emitting laser.J.
Opt.Soc.Am—B.2002,19(4):663-666]等方法來實(shí)現(xiàn)良好的散熱；通過采用雙反射帶型反
射鏡[Ki-Sung Kim, Jaeryung Yoo, Gibum Kim,et al.Enhancement of Pumping Efficiency in a Vertical-External- Cavity Surface-Emitting Laser正EE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS.2007,19(23):1925-1927]和應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)[Li Fan,Jorg Hader，Marc Schillgalies, etal.High-Power Optically Pumped VECSEL Using a Double-Well Resonant Periodic Gain Structure TEEE Photonics Technology Letters.2005,17 (9): 1764-1766]等降寸氐熱^[應(yīng)方$去
來改善激光器的輸出特性。上述改善面發(fā)射半導(dǎo)體芯片熱特性的方法在一定程
度上緩解了熱效應(yīng)對輸出激光特性的影響，但距離實(shí)際應(yīng)用屮對高功率、高效
率和高光束質(zhì)量的追求還有一定的差距。
常規(guī)的光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器是基于普通高斯光束作為泵浦源，泵
浦區(qū)和激射區(qū)相重疊，產(chǎn)生較大的熱效應(yīng)，在泵浦功率較大時，面發(fā)射半導(dǎo)體
芯片的溫度升高將會使激光器的有效增益減小，輸出功率達(dá)到飽和，嚴(yán)重時將
會出現(xiàn)熒光猝滅。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器的泵浦區(qū)和激射區(qū)重疊，熱效應(yīng)嚴(yán) 重問題，進(jìn)而改善激光器的輸出特性，本發(fā)明提供了一種空心光束泵浦直外腔 面發(fā)射激光器。
如附圖1和附圖2所示，本發(fā)明的空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激
4光器包括半導(dǎo)體激光器l、傳輸光纖2、準(zhǔn)直透鏡3、卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)4、耦 合透鏡5、分光棱鏡6、外腔面發(fā)射外延片7、銅熱沉8和輸出鏡9組成；其中， 半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦激光束經(jīng)過傳輸光纖2輸出，準(zhǔn)直透鏡3將光纖輸 出的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)4將準(zhǔn)直后的光束變換成空心光束再 經(jīng)過耦合透鏡5進(jìn)行聚焦，聚焦光經(jīng)過分光棱鏡6入射到外腔面發(fā)射外延片7 匕進(jìn)行泵浦激勵，外腔面發(fā)射外延片7受到激勵后產(chǎn)生的熒光在外延片7的布 拉格反射鏡、分光棱鏡6的傾斜面和輸出鏡9間振蕩形成激光輸出；
所述的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)4由一片凸面反射鏡和一片中空的凹面反射鏡組 成，入射到凸面反射鏡上的光束發(fā)散后被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束；
所述的分光棱鏡6是兩個等腰直角棱鏡組成的正方體，對泵浦激光束的透 過率高于99%，兩個等腰直角棱鏡分界面對45度入射激射熒光高反射；
如圖2所示，所述的外腔面發(fā)射外延片7由襯底1K緩沖保護(hù)層12、窗口 層13、壘區(qū)14、量子阱有源區(qū)15和布拉格反射鏡16構(gòu)成；所述的襯底11上 依次采用分子束外延法生長緩沖保護(hù)層12、窗口層13、壘區(qū)14、量子阱有源區(qū) 15、壘區(qū)1.4和布拉格反射鏡16;所述的緩沖保護(hù)層12是為了避免窗口層13與 空氣直接接觸的氧化和晶格失配；窗口層13以防壘區(qū)14產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散到 材料表面；量子阱有源區(qū)15選擇應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)，每個周期都生長一層壘 區(qū)用于對泵浦光的吸收，量子阱處于l/2波長的整數(shù)倍處，生長多個周期，量子 阱數(shù)量為3-15個；布拉格反射鏡16采用25對以上1/4波長厚度高低折射率材 料交替結(jié)構(gòu)，以保證對激射光具有高于99%的反射率；
所述的外腔面發(fā)射外延片7的出光表面鍵合透明金剛石膜10，背面鍵合在 銅熱沉8上實(shí)現(xiàn)將自身產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)出。
有益效果本發(fā)明采用空心光束作為泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可調(diào)、 無加熱效應(yīng)和傳播不變性等特點(diǎn)，使泵浦區(qū)與激射區(qū)中心相分離來降低外腔面 發(fā)射外延片激射區(qū)的熱效應(yīng)和微應(yīng)變，提高光光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，改善輸 出光束質(zhì)量和輸出光譜穩(wěn)定度，不失為一種有效的方法。在抽運(yùn)功率為2W時， 空心光束作為泵浦源比普通高斯光束作為泵浦源，轉(zhuǎn)換效率提高了 11%，輸出 圓對稱近衍射極限光束，光束質(zhì)量M2&1。其可為刑事偵察、光信息存儲、影像 顯示、生物醫(yī)學(xué)儀器、水下探測等光電子信息產(chǎn)業(yè)提供了良好的光源。


圖1是空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的構(gòu)成示意框圖。圖2是外腔面發(fā)射外延片7的構(gòu)成示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如附圖1和附圖2所示，本發(fā)明的空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射 半導(dǎo)體激光器由半導(dǎo)體激光器1、傳輸光纖2、準(zhǔn)直透鏡3、卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng) 4、耦合透鏡5、分光棱鏡6、外腔面發(fā)射外延片7、銅熱沉8和輸出鏡9組成； 其中，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦激光束經(jīng)過傳輸光纖2輸出，準(zhǔn)直透鏡3將 光纖輸出的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)4將準(zhǔn)直后的光束變換成空心 光束再經(jīng)過耦合透鏡5進(jìn)行聚焦，聚焦光經(jīng)過分光棱鏡6入射到外腔面發(fā)射外 延片7上進(jìn)行泵浦激勵。外腔面發(fā)射外延片7受到激勵后產(chǎn)生的熒光在外延片7 的布拉格反射鏡、分光棱鏡6的傾斜面和輸出鏡9間振蕩形成激光輸出。
半導(dǎo)體激光器1為808nm邊發(fā)射激光器。
傳輸光纖2為石英光纖，光纖的芯徑為400um，數(shù)值孔徑為0.22。 卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)4由 一片凸面反射鏡和一片中空的凹面反射鏡組成，入
射到凸面反射鏡卜的光束發(fā)散后被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束，反射面 的反射率均高于99%。
分光棱鏡6是兩個等腰直角棱鏡組成的正方體，對泵浦激光束的透過率高 于99%，兩個等腰直角棱鏡分界面對45度入射激射熒光高反射，反射率高于 99.8%。
如圖2所示，外腔面發(fā)射外延片7由襯底11、緩沖保護(hù)層12、窗口層13、 壘區(qū)14、量子阱有源區(qū)15和布拉格反射鏡16構(gòu)成；其中，襯底11上依次分子 束外延法生長緩沖保護(hù)層12、窗口層13、壘區(qū)14、量子阱有源區(qū)15、壘區(qū)14 和布拉格反射鏡16;所述的襯底11是GaAs或InP，外腔面發(fā)射外延片7制備 完畢后采用化學(xué)腐蝕將襯底11減薄至500um。緩沖保護(hù)層12是為了避免窗口 層13與空氣直接接觸的氧化和晶格失配。窗口層13以防壘區(qū)14產(chǎn)生的載流子 擴(kuò)散到材料表面。量子阱有源區(qū)15選擇應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)，每個周期都生長 一層壘區(qū)用于對泵浦光的吸收，量子阱處于1/2波長的整數(shù)倍處，生長多個周期， 量子阱數(shù)量為3-15個。布拉格反射鏡16采用25對以上1/4波長厚度高低折射 率材料交替生長結(jié)構(gòu)，以保證對激射光具有高于99%的反射率。
外腔面發(fā)射外延片7的出光表面鍵合透明金剛石膜10，背面鍵合在銅熱沉 8上從而實(shí)現(xiàn)將自身產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)出。
在抽運(yùn)功率為2W時，空心光束作為泵浦源比普通高斯光束作為泵浦源， 轉(zhuǎn)換效率提高了 11%，輸出圓對稱近衍射極限光束，光束質(zhì)量M2^1。
權(quán)利要求
1、空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其包括半導(dǎo)體激光器(1)、傳輸光纖(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)(4)、耦合透鏡(5)、分光棱鏡(6)、外腔面發(fā)射外延片(7)、銅熱沉(8)和輸出鏡(9)組成；所述的半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的泵浦激光束經(jīng)過傳輸光纖(2)輸出，準(zhǔn)直透鏡(3)將光纖輸出的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)(4)將準(zhǔn)直后的光束變換成空心光束再經(jīng)過耦合透鏡(5)進(jìn)行聚焦，聚焦光經(jīng)過分光棱鏡(6)入射到外腔面發(fā)射外延片(7)上進(jìn)行泵浦激勵；外腔面發(fā)射外延片(7)受到激勵后產(chǎn)生的熒光在外腔面發(fā)射外延片(7)的布拉格反射鏡、分光棱鏡(6)的傾斜面和輸出鏡(9)間振蕩形成激光輸出；所述的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)(4)由一片凸面反射鏡和一片中空的凹面反射鏡組成，入射到凸面反射鏡上的光束發(fā)散后被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束；所述的分光棱鏡(6)是兩個等腰直角棱鏡組成的正方體，對泵浦激光束的透過率高于99％，兩個等腰直角棱鏡分界面對45度入射激射熒光高反射；所述的外腔面發(fā)射外延片(7)由襯底(11)、緩沖保護(hù)層(12)、窗口層(13)、壘區(qū)(14)、量子阱有源區(qū)(15)和布拉格反射鏡(16)構(gòu)成；所述的襯底(11)上依次分子束外延法生長緩沖保護(hù)層(12)、窗口層(13)、壘區(qū)(14)、量子阱有源區(qū)(15)、壘區(qū)(14)和布拉格反射鏡(16)；所述的量子阱有源區(qū)(15)選擇應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)，每個周期都生長一層壘區(qū)用于對泵浦光的吸收，量子阱處于1/2波長的整數(shù)倍處，生長多個周期，量子阱數(shù)量為3-15個；布拉格反射鏡(16)采用25對以上1/4波長厚度高低折射率材料交替結(jié)構(gòu)；所述的外腔面發(fā)射外延片(7)的出光表面鍵合透明金剛石膜(10)，背面鍵合在銅熱沉(8)上。
全文摘要
本發(fā)明提供了空心光束泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其包括半導(dǎo)體激光器(1)、傳輸光纖(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)(4)、耦合透鏡(5)、分光棱鏡(6)、外腔面發(fā)射外延片(7)、銅熱沉(8)和輸出鏡(9)組成。采用空心光束作為泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可調(diào)、無加熱效應(yīng)和傳播不變性等特點(diǎn)，使泵浦區(qū)與激射區(qū)中心相分離來降低外腔面發(fā)射外延片激射區(qū)的熱效應(yīng)和微應(yīng)變，提高光光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，改善輸出光束質(zhì)量和輸出光譜穩(wěn)定度。在抽運(yùn)功率為2W時，比普通高斯光束作為泵浦源轉(zhuǎn)換效率提高11％，輸出圓對稱近衍射極限光束，光束質(zhì)量M²≈1?？捎糜谛淌聜刹臁⒐庑畔⒋鎯?、影像顯示、醫(yī)學(xué)儀器和水下探測。
文檔編號H01S3/0941GK101567520SQ20091006701
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者劉向南, 劉國軍, 煌 周, 莉 徐, 戚偉佳, 軼 曲, 菲 王, 王曉華, 翁永超, 薄報(bào)學(xué), 欣 高 申請人:長春理工大學(xué)