空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器的製作方法

2023-05-15 15:41:31

專利名稱：空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器。
背景技術：
光泵浦垂直腔面發射半導體雷射器具有良好的空間光強分布、大的輸出功 率範圍、體積小、光束質量好等突出優點，使光泵浦垂直外腔面發射半導體激 光器具有廣闊的應用範圍。光泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器結合了半導體 泵浦固體雷射器和垂直外腔面發射半導體雷射器的構造方法，吸取了二者的優 點，既能輸出面發射雷射器的優質基模高斯光束，又能獲得可與邊發射雷射器
相比擬的高功率。具有晶片結構簡單，無PN結，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的熱效應；芯 片用非摻雜的半導體材料生長，減少了自由載流子吸收導致的光損耗，較低的 對泵浦元件損傷性、較高的可靠性和大的輸出功率範圍等突出優點，使得輸出 功率穩定性更高；從光泵浦雷射器的諧振腔設計角度來看，它類似於半導體泵 浦固體薄片雷射器，降低了熱效應，但波長上可以靈活設計；同時，泵浦的效 率上亦可得到較大的改善，可有效地提高轉換效率和閾值功率，比半導體泵浦 固體薄片雷射器的設計更加靈活。
散熱問題是光泵浦垂直外腔面發射雷射器向高功率拓展的瓶頸，同時也是 影響光-光轉換效率的關鍵問題。引起面發射半導體晶片增益降低的主要因素有 兩個 一是溫升導致的單個量子阱的峰值增益降低；二是熱效應使雷射場的波 腹與量子阱的位置錯開，從而致使吸收效率降低，耦合強度減弱。面發射半導 體晶片的熱效應影響著器件的正常工作，對光泵浦垂直外腔面發射雷射器有效的熱管理是提高其輸出雷射功率、效率和改善光束質量的關鍵問題之一。
隨著泵浦光功率的加大，熱效應問題也變得愈來愈嚴重，克服熱效應，獲
得良好的輸出雷射特性已經成為研究的熱點。研究人員先後報導了如下幾種通
過改善其熱特性的方法來提高雷射輸出特性，如通過減薄面發射半導體晶片襯
底[Peter Brick; Stephan Lutgen， Tony Albrecht，etal.High-efficiency high-power semiconductor disc
laser.ProcofSPIE.4993 (2003):50-56]、改善熱沉與晶片以及晶片出光面與高導熱的透
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]等方法來實現良好的散熱；通過採用雙反射帶型反
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]和應變補償量子阱結構[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^[應方$去
來改善雷射器的輸出特性。上述改善面發射半導體晶片熱特性的方法在一定程
度上緩解了熱效應對輸出雷射特性的影響，但距離實際應用屮對高功率、高效
率和高光束質量的追求還有一定的差距。
常規的光泵浦垂直外腔面發射雷射器是基於普通高斯光束作為泵浦源，泵
浦區和激射區相重疊，產生較大的熱效應，在泵浦功率較大時，面發射半導體
晶片的溫度升高將會使雷射器的有效增益減小，輸出功率達到飽和，嚴重時將
會出現螢光猝滅。

發明內容
為了克服光泵浦垂直外腔面發射雷射器的泵浦區和激射區重疊，熱效應嚴 重問題，進而改善雷射器的輸出特性，本發明提供了一種空心光束泵浦直外腔 面發射雷射器。
如附圖1和附圖2所示，本發明的空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體激
4光器包括半導體雷射器l、傳輸光纖2、準直透鏡3、卡塞格林望遠系統4、耦 合透鏡5、分光稜鏡6、外腔面發射外延片7、銅熱沉8和輸出鏡9組成；其中， 半導體雷射器1發出的泵浦雷射束經過傳輸光纖2輸出，準直透鏡3將光纖輸 出的雷射束進行準直，卡塞格林望遠系統4將準直後的光束變換成空心光束再 經過耦合透鏡5進行聚焦，聚焦光經過分光稜鏡6入射到外腔面發射外延片7 匕進行泵浦激勵，外腔面發射外延片7受到激勵後產生的螢光在外延片7的布 拉格反射鏡、分光稜鏡6的傾斜面和輸出鏡9間振蕩形成雷射輸出；
所述的卡塞格林望遠系統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髮散後被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束；
所述的分光稜鏡6是兩個等腰直角稜鏡組成的正方體，對泵浦雷射束的透 過率高於99%，兩個等腰直角稜鏡分界面對45度入射激射螢光高反射；
如圖2所示，所述的外腔面發射外延片7由襯底1K緩衝保護層12、窗口 層13、壘區14、量子阱有源區15和布拉格反射鏡16構成；所述的襯底11上 依次採用分子束外延法生長緩衝保護層12、窗口層13、壘區14、量子阱有源區 15、壘區1.4和布拉格反射鏡16;所述的緩衝保護層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14產生的載流子擴散到 材料表面；量子阱有源區15選擇應變補償量子阱結構，每個周期都生長一層壘 區用於對泵浦光的吸收，量子阱處於l/2波長的整數倍處，生長多個周期，量子 阱數量為3-15個；布拉格反射鏡16採用25對以上1/4波長厚度高低折射率材 料交替結構，以保證對激射光具有高於99%的反射率；
所述的外腔面發射外延片7的出光表面鍵合透明金剛石膜10，背面鍵合在 銅熱沉8上實現將自身產生的廢熱導出。
有益效果本發明採用空心光束作為泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可調、 無加熱效應和傳播不變性等特點，使泵浦區與激射區中心相分離來降低外腔面 發射外延片激射區的熱效應和微應變，提高光光轉換效率和輸出功率，改善輸 出光束質量和輸出光譜穩定度，不失為一種有效的方法。在抽運功率為2W時， 空心光束作為泵浦源比普通高斯光束作為泵浦源，轉換效率提高了 11%，輸出 圓對稱近衍射極限光束，光束質量M2&1。其可為刑事偵察、光信息存儲、影像 顯示、生物醫學儀器、水下探測等光電子信息產業提供了良好的光源。


圖1是空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器的構成示意框圖。圖2是外腔面發射外延片7的構成示意圖。
具體實施例方式
實施例1如附圖1和附圖2所示，本發明的空心光束泵浦垂直外腔面發射 半導體雷射器由半導體雷射器1、傳輸光纖2、準直透鏡3、卡塞格林望遠系統 4、耦合透鏡5、分光稜鏡6、外腔面發射外延片7、銅熱沉8和輸出鏡9組成； 其中，半導體雷射器1發出的泵浦雷射束經過傳輸光纖2輸出，準直透鏡3將 光纖輸出的雷射束進行準直，卡塞格林望遠系統4將準直後的光束變換成空心 光束再經過耦合透鏡5進行聚焦，聚焦光經過分光稜鏡6入射到外腔面發射外 延片7上進行泵浦激勵。外腔面發射外延片7受到激勵後產生的螢光在外延片7 的布拉格反射鏡、分光稜鏡6的傾斜面和輸出鏡9間振蕩形成雷射輸出。
半導體雷射器1為808nm邊發射雷射器。
傳輸光纖2為石英光纖，光纖的芯徑為400um，數值孔徑為0.22。 卡塞格林望遠系統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髮散後被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束，反射面 的反射率均高於99%。
分光稜鏡6是兩個等腰直角稜鏡組成的正方體，對泵浦雷射束的透過率高 於99%，兩個等腰直角稜鏡分界面對45度入射激射螢光高反射，反射率高於 99.8%。
如圖2所示，外腔面發射外延片7由襯底11、緩衝保護層12、窗口層13、 壘區14、量子阱有源區15和布拉格反射鏡16構成；其中，襯底11上依次分子 束外延法生長緩衝保護層12、窗口層13、壘區14、量子阱有源區15、壘區14 和布拉格反射鏡16;所述的襯底11是GaAs或InP，外腔面發射外延片7製備 完畢後採用化學腐蝕將襯底11減薄至500um。緩衝保護層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14產生的載流子 擴散到材料表面。量子阱有源區15選擇應變補償量子阱結構，每個周期都生長 一層壘區用於對泵浦光的吸收，量子阱處於1/2波長的整數倍處，生長多個周期， 量子阱數量為3-15個。布拉格反射鏡16採用25對以上1/4波長厚度高低折射 率材料交替生長結構，以保證對激射光具有高於99%的反射率。
外腔面發射外延片7的出光表面鍵合透明金剛石膜10，背面鍵合在銅熱沉 8上從而實現將自身產生的廢熱導出。
在抽運功率為2W時，空心光束作為泵浦源比普通高斯光束作為泵浦源， 轉換效率提高了 11%，輸出圓對稱近衍射極限光束，光束質量M2^1。
權利要求
1、空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器，其特徵在於，其包括半導體雷射器(1)、傳輸光纖(2)、準直透鏡(3)、卡塞格林望遠系統(4)、耦合透鏡(5)、分光稜鏡(6)、外腔面發射外延片(7)、銅熱沉(8)和輸出鏡(9)組成；所述的半導體雷射器(1)發出的泵浦雷射束經過傳輸光纖(2)輸出，準直透鏡(3)將光纖輸出的雷射束進行準直，卡塞格林望遠系統(4)將準直後的光束變換成空心光束再經過耦合透鏡(5)進行聚焦，聚焦光經過分光稜鏡(6)入射到外腔面發射外延片(7)上進行泵浦激勵；外腔面發射外延片(7)受到激勵後產生的螢光在外腔面發射外延片(7)的布拉格反射鏡、分光稜鏡(6)的傾斜面和輸出鏡(9)間振蕩形成雷射輸出；所述的卡塞格林望遠系統(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髮散後被凹面反射鏡反射輸出形成空心光束；所述的分光稜鏡(6)是兩個等腰直角稜鏡組成的正方體，對泵浦雷射束的透過率高於99％，兩個等腰直角稜鏡分界面對45度入射激射螢光高反射；所述的外腔面發射外延片(7)由襯底(11)、緩衝保護層(12)、窗口層(13)、壘區(14)、量子阱有源區(15)和布拉格反射鏡(16)構成；所述的襯底(11)上依次分子束外延法生長緩衝保護層(12)、窗口層(13)、壘區(14)、量子阱有源區(15)、壘區(14)和布拉格反射鏡(16)；所述的量子阱有源區(15)選擇應變補償量子阱結構，每個周期都生長一層壘區用於對泵浦光的吸收，量子阱處於1/2波長的整數倍處，生長多個周期，量子阱數量為3-15個；布拉格反射鏡(16)採用25對以上1/4波長厚度高低折射率材料交替結構；所述的外腔面發射外延片(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
本發明提供了空心光束泵浦垂直外腔面發射半導體雷射器，其包括半導體雷射器(1)、傳輸光纖(2)、準直透鏡(3)、卡塞格林望遠系統(4)、耦合透鏡(5)、分光稜鏡(6)、外腔面發射外延片(7)、銅熱沉(8)和輸出鏡(9)組成。採用空心光束作為泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可調、無加熱效應和傳播不變性等特點，使泵浦區與激射區中心相分離來降低外腔面發射外延片激射區的熱效應和微應變，提高光光轉換效率和輸出功率，改善輸出光束質量和輸出光譜穩定度。在抽運功率為2W時，比普通高斯光束作為泵浦源轉換效率提高11％，輸出圓對稱近衍射極限光束，光束質量M2≈1。可用於刑事偵察、光信息存儲、影像顯示、醫學儀器和水下探測。
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 優先權日2009年5月26日
發明者劉向南, 劉國軍, 煌 周, 莉 徐, 戚偉佳, 軼 曲, 菲 王, 王曉華, 翁永超, 薄報學, 欣 高 申請人:長春理工大學