專利名稱：高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有散熱窗口和濾波裝置的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器的設(shè)計，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體薄片激光器(Semiconductor Disk Laser, SDL)綜合了半導(dǎo)體激光器和固體薄片激光器二者的優(yōu)點。一方面，SDL具有半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點波長覆蓋了從可見光到近紅外的寬廣范圍；半導(dǎo)體對抽運(yùn)光的帶間躍遷吸收使其吸收帶寬很寬，對抽運(yùn)光的波長漂移不敏感；器件本身效率高、壽命長、體積小等。另一方面，SDL又具有固體薄片激光器的優(yōu)點光束質(zhì)量十分優(yōu)良，能獲得近衍射極限的圓形TEMotl高斯模；光抽運(yùn)可以產(chǎn)生大面積的均勻抽運(yùn)，因而可以通過增大抽運(yùn)光斑面積來降低激光器的熱效應(yīng)；薄片式增益結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)一維熱流有利于進(jìn)行散熱處理；可以通過在腔內(nèi)增加增益介質(zhì)的數(shù)量來成倍提高激光器的增益；其中的后三點都能大幅度改善激光器的散熱，支持激光器的高功率運(yùn)行。另外，靈活可調(diào)的外腔結(jié)構(gòu)使半導(dǎo)體薄片激光器能方便地在腔內(nèi)插入非線性晶體進(jìn)行倍頻、插入濾波元件進(jìn)行單頻工作、插入調(diào)諧元件進(jìn)行可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)、以及利用可飽和吸收元件進(jìn)行被動鎖模等。SDL所提供的高功率和高光束質(zhì)量激光有著廣泛的應(yīng)用前景。對SDL產(chǎn)生的基頻光來講，0. 85 μ m波段的激光輻射可用于頻率變換、能量利用等；1 μ m波段的激光輻射可用于生物醫(yī)學(xué)、法醫(yī)鑒定、頻率轉(zhuǎn)換、光時鐘、光通信、及能量利用等；2 μ m波段激光輻射在大氣及環(huán)境監(jiān)測方面有重要應(yīng)用。通過倍頻，SDL能提供的波段擴(kuò)展到紫外區(qū)域，在激光顯示、激光存儲、及光刻等諸多領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。已有的半導(dǎo)體薄片激光器SDL主要包括抽運(yùn)光源、半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)、以及構(gòu)成激光諧振腔的腔鏡。其輸出功率的限制主要來源于熱效應(yīng)當(dāng)抽運(yùn)功率升高時，由量子缺陷、帶內(nèi)馳豫、非輻射復(fù)合、及布拉格反射鏡對剩余抽運(yùn)光的吸收等因素造成半導(dǎo)體薄片介質(zhì)內(nèi)有源區(qū)的溫度升高；而溫度的上升又反過來加劇非輻射復(fù)合，形成惡性循環(huán)，加速溫度的上升；隨著溫度的升高，半導(dǎo)體量子阱的增益會急劇下降，導(dǎo)致激光器出現(xiàn)熱熄滅，從而限制了 SDL的輸出功率。對于提高SDL的輸出功率，主要的問題就是解決好SDL的熱效應(yīng)問題。通過對半導(dǎo)體增益薄片的基質(zhì)進(jìn)行腐蝕，可以部分的改進(jìn)SDL的散熱，但該項技術(shù)對工藝的要求極高，因為在該技術(shù)中半導(dǎo)體增益介質(zhì)是所謂反序生長的，最后的腐蝕面是出光面，要求其光潔度必須非常好，否則會由于表面的不光潔帶來過大的散射損耗，致使激光器閾值太高及效率太低，甚至根本就不能出光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能輸出高功率倍頻激光的SDL，提出用高熱導(dǎo)率的散熱窗口來改善激光器的散熱性能，同時在激光腔中設(shè)置濾波裝置來穩(wěn)定基頻光的頻率，壓窄基頻光的線寬，提高倍頻效率，最終得以輸出高功率倍頻激光。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)之上用液體毛細(xì)鍵合一塊高熱導(dǎo)率且對抽運(yùn)光和激光都透明的散熱窗口，該散熱窗口能顯著改善激光器的散熱性能，因為其一是該窗口的熱導(dǎo)率很高，通常是基質(zhì)材料的數(shù)百倍，其二是該窗口距離激光器的發(fā)熱區(qū)即量子阱有源區(qū)很近，所以與一般的熱量通過布拉格反射鏡再經(jīng)由基質(zhì)層散發(fā)相比較，熱量通過散熱窗口散發(fā)更直接，也更快捷。通過該散熱窗口的使用，激光器的散熱性能可獲得顯著的提高。上述散熱窗口材料的選擇首要條件是該材料必須對抽運(yùn)光和激光都透明，或者吸收很少；其次是該材料應(yīng)該有很高的熱導(dǎo)率，如此散熱性能才可顯著提高；第三是要考慮到該材料與半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)的氧化保護(hù)層的熱脹系數(shù)應(yīng)大致匹配，否則過大的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致增益介質(zhì)的損毀。同時，本發(fā)明在激光腔中設(shè)置濾波裝置來穩(wěn)定基頻光的頻率，壓窄基頻激光的線寬，通過對基頻光的線寬進(jìn)行壓窄后，一是可以選擇接受線寬小但有效非線性系數(shù)大的非線性晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，二是基頻光線寬壓窄后其光譜亮度增強(qiáng)，上述兩者都能有效地提高倍頻效率，提高倍頻激光器的輸出功率。高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，包括抽運(yùn)光源、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)、散熱窗口、熱沉、輸出耦合鏡、后端反射鏡或者半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、及非線性晶體；抽運(yùn)光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后作用在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)上，半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)之上鍵合了一塊散熱窗口 ；散熱窗口之下是增益介質(zhì)，增益介質(zhì)依次包括防氧化保護(hù)層、載流子限制層、10-20對半導(dǎo)體量子阱層與量子阱勢壘層構(gòu)成的周期諧振結(jié)構(gòu)、周期諧振結(jié)構(gòu)之下是布拉格反射鏡和基質(zhì)；整塊半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)被焊接在熱沉上。激光諧振腔包括布拉格反射鏡、后端反射鏡或者半導(dǎo)體可飽和吸收鏡之一、及輸出耦合鏡；其特征在于激光諧振腔中設(shè)置有濾波裝置。半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)中的光生載流子在量子阱中發(fā)生受激輻射，在激光諧振腔中產(chǎn)生基頻振蕩，經(jīng)過濾波裝置后對基頻光整形并壓窄激光線寬，使輸出激光的波長在所需波段內(nèi)頻寬變窄，減小進(jìn)入非線性晶體的光束發(fā)散角，提高倍頻效率；經(jīng)過非線性晶體的作用，由輸出耦合鏡輸出高功率倍頻激光。進(jìn)一步，激光諧振腔還設(shè)置有反射鏡以及三倍頻非線性晶體。當(dāng)抽運(yùn)光源是780-810nm波長的半導(dǎo)體激光器；在基質(zhì)上首先生長的是高反射率的布拉格反射鏡，由層厚為四分之一激光波長的兩種高低折射率材料交替生長而成，其中高折射率層為GaAs，低折射率層為AlAs或AKiaAs，整個反射鏡由25-35對高低折射率材料交替生長構(gòu)成；布拉格反射鏡之上生長多量子阱周期諧振結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體量子阱層為InGaAs，其中h含量為0. 18-0. 20，量子阱勢壘層為GaAs或AlGaAs，其中Al含量為0. 00-0. 08，周期諧振結(jié)構(gòu)中量子阱的總個數(shù)為10-20個；多量子阱之上生長高勢壘的載流子限制層，為AKiaAs，其中Al含量為0. 6-1. 0 ；載流子限制層之上生長防氧化保護(hù)層，為GaAs ；防氧化保護(hù)層之上用毛細(xì)鍵合一塊厚度為200-500 μ m厚的高熱導(dǎo)率且對抽運(yùn)光和激光都透明的薄片作為散熱窗口 ；激光諧振腔由半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)底部的布拉格反射鏡、后端反射鏡及輸出耦合鏡組成，形成Z型折疊腔，與一般的直腔倍頻比較，該Z型腔既能避免倍頻光回到增益薄片被吸收掉，又能通過合理設(shè)計在后端反射鏡及輸出耦合鏡之間獲得較小的光腰，利于提高倍頻效率；其中后端反射鏡對1064nm和532nm波段激光高反鍍膜，輸出耦合鏡對1064nm波段高反鍍膜，對532nm波段倍頻光高透鍍膜；濾波裝置置于半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)及輸出耦合鏡之間，基頻的線寬通過它被數(shù)倍地壓窄；非線性晶體對基頻光鍍增透膜，并置于光腰處，以獲得高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)抽運(yùn)光源是650-680nm波長的半導(dǎo)體激光器；布拉格反射鏡中的高折射率層為GaAs，低折射率層為AlAs或AlGaAs，整個反射鏡由25-35對高低折射率材料交替生長構(gòu)成；半導(dǎo)體量子阱層為GaAs，量子阱勢壘層為AlGaAs，其中Al含量為0. 15-0. 25，周期諧振結(jié)構(gòu)中量子阱的總個數(shù)為10-20個；高勢壘的載流子限制層為AlGaAs，其中Al含量為0. 6-1. 0 ；防氧化保護(hù)層為GaAs ；防氧化保護(hù)層之上用毛細(xì)鍵合一塊厚度為200-500 μ m厚的散熱窗口 ；后端反射鏡對850nm和425nm波段激光高反鍍膜，輸出耦合鏡對850nm波段高反鍍膜，對425nm波段倍頻光高透鍍膜；濾波裝置用于壓窄基頻光的線寬；非線性晶體置于光腰處。非線性晶體為KNb03、KTiOPO4, BiB3O6, β _BaB204、及LiB3O5中的任一種晶體，或者為周期極化非線性晶體PPLT、PPLN、MgO PPLN、PPKTP、及PPRTA中的任一種晶體。本發(fā)明激光器在工作時，抽運(yùn)光經(jīng)準(zhǔn)直和聚焦后作用在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)上；增益介質(zhì)中的量子阱勢壘層吸收抽運(yùn)光能量，產(chǎn)生光生載流子；載流子被量子阱俘獲，在量子阱內(nèi)躍遷輻射，為激光器提供增益；滿足振蕩條件波長的輻射在由后端反射鏡、輸出耦合鏡、及半導(dǎo)體薄片增益中布拉格反射鏡等腔鏡組成的諧振腔中形成振蕩，產(chǎn)生基頻激光；基頻光經(jīng)過濾波裝置其頻率得到穩(wěn)定，線寬被數(shù)倍地壓窄，再通過非線性晶體作用，產(chǎn)生倍頻激光，經(jīng)由輸出耦合鏡輸出。工作中激光器產(chǎn)生的熱量主要由高熱導(dǎo)率的散熱窗口帶走，余下部分由熱沉帶走。本發(fā)明的積極效果半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)上的高熱導(dǎo)率散熱窗口能顯著改善激光器的散熱性能，大幅度提高激光器的輸出功率。相對于通過基質(zhì)刻蝕增進(jìn)散熱來講，使用散熱窗口不僅工藝要求簡單很多，而且其散熱效果也非常顯著。通過在激光腔內(nèi)設(shè)置濾波裝置來數(shù)倍地壓窄基頻光的線寬，既為非線性晶體的選擇提供了更大的范圍，也能有效地提高腔內(nèi)倍頻的轉(zhuǎn)換效率，增大倍頻激光的輸出功率。本發(fā)明激光器結(jié)構(gòu)緊湊，封裝工藝要求簡單，輸出倍頻激光功率高，整機(jī)體積小，價格低，用途廣，適合產(chǎn)業(yè)化。


圖1為本發(fā)明中的具有散熱窗口的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)的外延生長結(jié)構(gòu)圖；圖3為散熱窗口為300 μ m厚金剛石薄片時其對激光器中溫度上升的影響圖；圖4為濾波裝置為40 μ m厚玻璃標(biāo)準(zhǔn)具時其對基頻激光光譜壓窄的對比圖；圖5為獲得三倍頻激光波長的結(jié)構(gòu)裝置圖。圖中1、抽運(yùn)光源，2、準(zhǔn)直透鏡，3、聚焦透鏡，4、半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)，5、散熱窗口，6、熱沉，7、輸出耦合鏡，8、后端反射鏡，9、濾波裝置，10、非線性晶體，11、輸出倍頻激光，12、防氧化保護(hù)層，13、高勢壘載流子限制層，14、半導(dǎo)體量子阱層，15、量子阱勢壘層，16、布拉格反射層，17、基質(zhì)層，18、全反鏡，19、非線性晶體，20、全反鏡。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例1 如圖1所示，808nm半導(dǎo)體激光抽運(yùn)光源1經(jīng)焦距為IOmm的準(zhǔn)直透鏡2后，由焦距與準(zhǔn)直透鏡2相同的聚焦透鏡3聚焦在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)4上。半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，最上部的防氧化保護(hù)層12是GaAs，其下的高勢壘載流子限制層13是AlGaAs，其中Al含量為0. 6，載流子限制層下是多量子阱周期增益結(jié)構(gòu)，其中的半導(dǎo)體量子阱層14是InGaAs，In含量為0. 198，量子阱勢壘層15為AWaAs，Al含量為0. 05，最底部是布拉格反射鏡16，其高折射率層為GaAs，低折射率層為AlAs，整個半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)生長在GaAs基質(zhì)17上，然后用^！焊焊接在銅熱沉6上。半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)上用液體毛細(xì)鍵合一塊300 μ m厚的金剛石薄片作為散熱窗口 5，該金剛石散熱窗口對激光器溫度上升的影響圖如圖3所示，它能顯著改善激光器的散熱性能，大幅度降低激光器中的溫度升高，從而提高激光器的輸出功率。激光諧振腔由后端反射鏡8，輸出耦合鏡7及半導(dǎo)體增益介質(zhì)底部的布拉格反射鏡16 —起構(gòu)成；后端反射鏡對1064nm和532nm波段激光高反鍍膜，輸出耦合鏡對1064nm波段激光高反鍍膜，對532nm波段倍頻光高透鍍膜；濾波裝置9是厚度為40 μ m的未鍍膜玻璃標(biāo)準(zhǔn)具，該標(biāo)準(zhǔn)具對基頻激光線寬的壓窄作用如圖4所示，它能把基頻激光的線寬壓縮到原來的約十分之一左右；非線性晶體10采用對1064nm基頻光切割的IOmm長LBO倍頻晶體，該晶體兩端對1064nm波段鍍增透膜，并在腔中放置于光腰處，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。工作時，量子阱勢壘層15吸收抽運(yùn)光1，產(chǎn)生光生載流子；載流子被量子阱14俘獲，在量子阱內(nèi)躍遷輻射，為激光器提供增益；滿足振蕩條件波長的1064nm波段輻射在諧振腔中形成振蕩，產(chǎn)生基頻激光；基頻光通過濾波裝置9，其線寬被數(shù)倍地壓窄，再通過非線性晶體10作用，產(chǎn)生532nm波段倍頻激光，經(jīng)由輸出耦合鏡7輸出，可獲得532nm波段的高功率倍頻綠光輸出；激光器工作中產(chǎn)生的熱量主要由高熱導(dǎo)率的散熱窗口 5帶走，余下部分由熱沉6帶走。實施例2 半導(dǎo)體激光抽運(yùn)光源1為670nm;半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)中的半導(dǎo)體量子阱層為GaAs，量子阱勢壘層為AWaAs，Al含量為0. 2 ；布拉格反射鏡由GaAs/AlAs周期構(gòu)成，其周期數(shù)為25-35 ；后端反射鏡對850nm和425nm兩個波段高反鍍膜，輸出耦合鏡對850nm波段高反鍍膜，對425nm波段高透鍍膜；濾波裝置9是厚度為40 μ m的未鍍膜玻璃標(biāo)準(zhǔn)具；非線性晶體采用對850nm基頻光切割的IOmm長LBO倍頻晶體，晶體兩端對850nm鍍增透膜；可獲得425nm波段的高功率倍頻藍(lán)光輸出。實施例3 如圖5所示，在實施例1基礎(chǔ)上，輸出耦合鏡7鍍1064nm、532nm及355nm三個波段高反膜，傾斜后端鏡8使其變?yōu)檎郫B鏡，即反射鏡18，再加一個對1064nm和532nm高反鍍膜、對355nm有透過率的反射鏡20形成另一子腔，在此子腔中光腰處置入三倍頻非線性晶體LB0，即非線性晶體19，可獲得355nm波段的紫外激光輸出。實施例4:如圖1所示，后端反射鏡改為針對基頻激光設(shè)計的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorption Mirror, SESAM)，使基頻激光工作在被動鎖模狀態(tài)，可獲得皮秒量級的高功率倍頻脈沖激光輸出。
權(quán)利要求
1.高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，包括抽運(yùn)光源(1)、準(zhǔn)直透鏡O)、聚焦透鏡(3)、半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)G)、散熱窗口(5)、熱沉(6)、輸出耦合鏡(7)、后端反射鏡(8)或者半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、及非線性晶體(10)；抽運(yùn)光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后作用在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)(4)上，半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)之上鍵合了一塊散熱窗口 ；散熱窗口之下是增益介質(zhì)G)，增益介質(zhì)(4)依次包括防氧化保護(hù)層(12)、載流子限制層(1 、10-20對半導(dǎo)體量子阱層(14)與量子阱勢壘層(15)構(gòu)成的周期諧振結(jié)構(gòu)、周期諧振結(jié)構(gòu)之下是布拉格反射鏡(16)和基質(zhì)(17)；整塊半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)被焊接在熱沉(6)上。激光諧振腔包括布拉格反射鏡、后端反射鏡或者半導(dǎo)體可飽和吸收鏡之一、及輸出耦合鏡；其特征在于激光諧振腔中設(shè)置有濾波裝置(9)。
2.如權(quán)利要求1所述的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，其特征在于激光諧振腔還設(shè)置有反射鏡以及三倍頻非線性晶體。
3.如權(quán)利要求1所述的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，其特征在于抽運(yùn)光源(1)是780-810nm波長的半導(dǎo)體激光器；散熱窗口(5)為厚度為200-500 μ m厚的金剛石薄片、或者碳化硅薄片、或者寶石薄片；半導(dǎo)體量子阱層(14)為InGaAs，其中含量為0. 18-0. 20，量子阱勢壘層(15)為GaAs或AlGaAs，其中Al含量為0. 00-0. 08，周期諧振結(jié)構(gòu)中量子阱的總個數(shù)為10-20個；布拉格反射鏡中高折射率層為GaAs，低折射率層為AlAs或AlGaAs，其中GaAs/AlAs或AlGaAs的對數(shù)為25-35對；激光腔中的濾波裝置為厚度為20-200 μ m厚的玻璃標(biāo)準(zhǔn)具，或者是雙折射濾波片。
4.如權(quán)利要求1所述的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，其特征在于抽運(yùn)光源(1)是650-680nm波長的半導(dǎo)體激光器；散熱窗口(5)為厚度為200-500 μ m厚的金剛石薄片、或者碳化硅薄片、或者寶石薄片；半導(dǎo)體量子阱層(14)為GaAs，量子阱勢壘層(15)為AlGaAs，其中Al含量為0. 15-0. 25，周期諧振結(jié)構(gòu)中量子阱的總個數(shù)為10-20個；布拉格反射鏡中高折射率層為GaAs，低折射率層為AlAs或AlGaAs，其中GaAs/AlAs或AlGaAs的對數(shù)為25-35對；激光腔中的濾波裝置為厚度為20-200 μ m厚的玻璃標(biāo)準(zhǔn)具，或者是雙折射濾波片。
5.如權(quán)利要求1所述的高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，其特征在于非線性晶體(10)為KNb03、KTiOPO4, BiB3O6, β -BaB2O4及Li^O5中的任一種晶體，或者為周期極化非線性晶體 PPLT、PPLN、MgO PPLN、PPKTP、及 PPRTA 中的任一種晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及高功率腔內(nèi)倍頻半導(dǎo)體薄片激光器，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用散熱窗口改善激光器的熱效應(yīng)，用濾波裝置穩(wěn)定基頻光頻率，壓窄基頻光線寬，提高腔內(nèi)倍頻效率。抽運(yùn)光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后作用在半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)(4)上，半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)上鍵合了一塊高熱導(dǎo)率且對抽運(yùn)光和激光都透明的散熱窗口(5)。增益介質(zhì)中的光生載流子在量子阱(14)中發(fā)生受激輻射，由后端鏡(8)、輸出耦合鏡(7)、及半導(dǎo)體薄片增益介質(zhì)底部的布拉格反射鏡(16)構(gòu)成激光腔產(chǎn)生基頻激光，由非線性晶體(10)產(chǎn)生倍頻激光(11)，其特征在于激光腔內(nèi)設(shè)置有濾波裝置(9)，有效穩(wěn)定基頻光的頻率，數(shù)倍地壓窄基頻光線寬，從而提高倍頻效率。
文檔編號H01S5/10GK102570290SQ201110404618
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者于振華, 宋晏蓉, 張曉 , 張鵬, 田金榮 申請人:北京工業(yè)大學(xué)