相控陣半導體雷射裝置的製作方法
2023-05-23 12:02:16 1
專利名稱：相控陣半導體雷射裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷射裝置，特別是涉及一種利用垂直腔面發射半導體雷射器製作的相控陣雷射裝置。
背景技術：
傳統的半導體雷射器往往採用端面發射工作方式，其輸出的雷射束髮散度大，光束不對稱，且為多模運轉，由它們構成的列陣元發射的光波缺乏相干性，如參考文獻〔1〕G.P.Agarwal and N.Dutta K.，Semiconductor laser，2nd ed.Van Nostrand Reinhold，New York 1993，P530。因此，該種端面發射半導體雷射器不宜於製作相控陣雷射裝置。最近，由於垂直腔面發射半導體雷射器的發展，使得大功率相控陣雷射裝置成為可能。垂直腔面發射半導體雷射器可以單縱模運轉，相干性好，光束具有良好對稱性，能夠緊密聚焦，易於單片集成〔文獻2R.P.Stanley，R.Houdre，U.Oesterle，M.llegems，C.Weisbuch，Coupled semiconductor microcavities，Appl.Phys.Lett.65，2093，1994〕。而且可以通過選擇雷射材料和利用能帶工程適當剪裁，按需要設計雷射輸出波長，從可見光直至中紅外波段。
發明內容
本實用新型的目的之一是提供一種利用垂直腔面發射半導體雷射器製作的相控陣雷射裝置，其陣列雷射束的發射方向由移相器控制，並能在空間掃描的，多光束相干疊加後的雷射束的方向性好，亮度高。本實用新型的目的之二是提供一種雷射波長可根據需要從可見光至中紅外波段範圍內選擇，為在軍事，科研，光通訊，天文，氣象，環保等領域應用的相控陣雷射裝置。
本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型提供一種利用垂直腔面發射半導體雷射器製作的相控陣雷射裝置，包括雷射器、控制用的計算機和總電源；其特徵是還包括種子雷射器、移相器和由n個垂直腔面發射半導體雷射器組成的雷射陣列；移相器安置在種子雷射器光路前方，每個移相器前方對應安置一個雷射陣列中的一個垂直腔面發射半導體雷射器；其中總電源分別與每個垂直腔面發射半導體雷射器電連接，總電源另外的輸出埠分別與計算機、種子雷射器、移相器相連接。
所述的半導體雷射器是垂直腔面發射半導體雷射器，半導體雷射器的激活區採用超晶格，量子阱或量子點結構。該雷射器可以是雙耦合腔，或外腔鏡結構。所述的外腔鏡結構，可在半導體雷射器晶片與外腔境之間插入光學非線性晶體，能調諧雷射輸出波長。
所述的半導體雷射器波長從可見光至中紅外波段，可以通過選擇半導體雷射材料和利用能帶工程，按需要剪裁設計。
所述的半導體雷射器陣列，可以是1×M一維線陣列，M×N二維面陣列，也可以是環狀圓形面陣列；其中M和N分別是大於1的正整數。
所述的種子雷射器，與雷射器陣列所用半導體雷射器的材料、結構及性能相同，為單一垂直腔面發射單縱模半導體雷射器。
所述的雷射材料包括銦化鎵(GaIn)，銦化砷(AsIn)，磷化銦(InP)，錫化銦(InSb)，銦鎵砷(InGaAs)，銦鋁砷(InAlAs)，銦鈣磷(InCaP)，銦鎵氮(InGaN)，銦鎵砷氮(InGaAsN)，銦鎵砷氮錫(InGaAsNSb)，鋁鎵砷(AlGaAs)，鋁鎵銦磷(AlGaInP)，砷化鎵(GaAs)，錫化鋁(AlSb)，氮化鎵(GaN)等。
所述的移相器是光學移相器，包括用以下電光材料製作，如KDP，KD*P，LiNbO3，KtaNbO3，C6H5NO2，GaAs，Gap，CdTe等。
雷射陣列所包含的各垂直腔面發射半導體雷射器均以相同的單縱模運轉，雷射具有良好的相干性，相干疊加後的雷射束方向性好，亮度高。陣列中各雷射器的基準相位由同一個單縱模種子雷射器提供。該陣列發射的雷射束的方向通過計算機由移相器控制。計算機根據外部指令計算出每個移相器的相位，使雷射器陣列中各個雷射器單元具有所需的相移，以便形成指定方向上的雷射束。調節相位，就能夠改變雷射束指向，使光束能在一定空域中按預定規律進行掃描。
本實用新型的優越性利用垂直腔面發射半導體雷射器製作的相控陣雷射裝置，其雷射器能單縱模運轉，光束具有良好對稱性，相干性好。對n元雷射列陣，它們的光束相干疊加增強，在特定方向上的光強正比於n2，而不是簡單的n個光強相加。因此，多光束相干疊加後的雷射束方向性好，亮度高。該雷射列陣易於大規模單片集成，體積小。而且，通過選擇半導體雷射材料和利用能帶工程，可以按需要剪裁設計雷射輸出波長，從可見光直至中紅外波段。雷射器陣列可直接用電泵浦，全固化，效率高，壽命長，可在連續波或脈衝波狀態運轉。雷射陣列發射的雷射束的方向通過計算機由移相器精確控制，使光束能在一定空域中按預定方案進行掃描。在掃描過程中雷射器陣列保持固定，即雷射器本身不需要作機械運動，使得該相控陣雷射設備的總體結構簡單緊湊，響應速度快，使用方便靈活。因此，該相控陣雷射裝置具有結構緊湊，全固化，體積小，效率高，壽命長，自適應能力強等優點，便於車載，機載或艦載，可廣泛用於軍事，科研，光通訊，天文，氣象，環保等領域。
圖1是本實用新型的相控陣雷射裝置的方框圖。圖2是本實用新型相控陣雷射裝置中組成雷射陣列的具有直接外延雙耦合腔雷射器(陣列元)的結構圖。圖3是本實用新型裝置中的第二種雷射器(陣列元)的結構圖。圖4是本實用新型裝置中的第三種雷射器(陣列元)實施例結構圖圖5是本實用新型裝置中的雷射器(陣列元)另一實施例結構圖圖面說明如下
1、雷射器陣列； 2、移相器； 3、種子雷射器；4、計算機； 5、總電源； 6、光闌；7、上反射器； 8、量子阱A；9、中間反射器；10、量子阱B； 11、下反射器； 12、襯底；13、外輸出腔鏡； 14、量子阱；15、內反射腔鏡；16、光學非線性晶體； 17、微透鏡。
18、半導體雷射器具體實施方式
實施例1按照圖1製作一臺波長為800-1000nm近紅外相控陣雷射裝置，組成陣列1的半導體雷射器是耦合腔面發射InGaAs/GaAs量子阱雷射器18(圖2)。其中，12為襯底，11為下反射器，10為量子阱B，9為中間反射器，8為量子阱A，7為上反射器，6為光闌，利用導帶與價帶間躍遷機制，可使各個雷射器18均發射相同的單縱模近紅外雷射。在量子阱材料生長過程中，適當地調節量子阱的壘高和阱寬，則InGaAs/GaAs量子阱雷射器的輸出波長可在800-1000nm範圍內選擇。陣列為100×100二維面陣。種子雷射器3是單一垂直腔面發射InGaAs/GaAs量子阱雷射器，其結構和性能，與組成陣列的雷射器完全相同。雷射器電源5以連續泵浦方式工作。移相器2是通常的光學移相器，由一塊KD*P光電晶體製作。移相器2安置在種子雷射器3光路前方，每個移相器2前方對應安置雷射陣列中的一個垂直腔面發射半導體雷射器18；其中總電源5分別與每個垂直腔面發射半導體雷射器18電連接，總電源5另外的輸出埠分別與計算機4、種子雷射器3、移相器2電連接。
將外部指令輸入到控制計算機4，產生光束駐留指令，包括方位角，發射時間等參數，由控制計算機4根據光束駐留指令計算出每個移相器2的相位，使雷射器陣列1中各個雷射器單元具有所需的的相移，以便形成指定方向上的雷射束。改變相位，就能夠改變雷射束指向，使光束在一定空域中按預定方案進行掃描。
實施例2按照圖1和圖3製作一臺1.3μm近紅外相控陣雷射裝置，陣列為100×100二維面陣。該裝置中的雷射陣列由100×100個垂直腔面發射的半導體雷射器18組成，該半導體雷射器18為外腔式面發射InGaAsN/GaAs量子阱雷射器，如圖3所示，圖中13為外輸出腔鏡，14為量子阱，15為內反射腔鏡，利用導帶與價帶間躍遷機制，各雷射器18均發射1.3μm單縱模近紅外雷射。種子雷射器3是單一垂直腔面發射InGaAsN/GaAs量子阱雷射器，其結構和性能，與構成陣列中的雷射器18完全相同。總電源5以連續泵浦方式工作。移相器2由一塊LiNbO3製作。在陣列的雷射腔內插入光學非線性晶體16(圖4)，該相控陣雷射裝置能轉換雷射的工作波長。其它結構與實施例1相同。
實施例3按照圖1製作一臺中紅外相控陣雷射裝置，其結構同實施例1。在該裝置中組成陣列的垂直腔面發射半導體雷射器18採用In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As量子阱結構(如圖2所示)。利用子帶躍遷和級聯隧穿機制，使各雷射器18均發射相同波長9.3μm的單模中紅外雷射。陣列為100×100二維面陣。種子雷射器3是單一垂直腔面發射In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As量子級聯雷射器，其結構和性能，與組成陣列的雷射器18完全相同。移相器12是另一塊CdTe光電晶體製作。總電源5以脈衝泵浦方式工作，脈寬25ns，每個雷射器18的峰值功率為1千瓦，則100×100面陣列可獲得兆級瓦輸出功率。其它結構與實施例1相同。
實施例4按照圖1製作一臺蘭光相控陣雷射裝置，其結構同實施例1。在該裝置中組成陣列的半導體雷射器18為具有微透鏡17的垂直腔面發射InGaN/GaN量子阱雷射器(圖5)。利用導帶與價帶間躍遷機制，可使各個雷射器均發射相同的單縱模蘭色雷射。陣列為100×100二維面陣。種子雷射器3是單一垂直腔面發射InGaN/GaN量子阱雷射器，其結構和性能，與構成陣列的雷射器完全相同。移相器2由KDP光電晶體製作。雷射器18以連續方式工作。
權利要求1.一種相控陣半導體雷射裝置，包括雷射器、控制計算機和總電源；其特徵是還包括種子雷射器、移相器和由n個垂直腔面發射半導體雷射器組成的雷射陣列；移相器安置在種子雷射器光路前方，每個移相器前方對應安置雷射陣列中的一個垂直腔面發射半導體雷射器；其中總電源分別與每個垂直腔面發射半導體雷射器電連接，總電源分別與計算機、種子雷射器、移相器電連接。
2.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的雷射陣列中的垂直腔面發射半導體雷射器為單縱模半導體雷射器。
3.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的垂直腔面發射半導體雷射器包括直接外延的耦合腔，或外腔鏡結構。
4.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的垂直腔面發射半導體雷射器的激活區採用超晶格、量子阱或量子點結構。
5.按權利要求3所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的外腔鏡結構，可在半導體雷射器晶片與外腔鏡之間插人光學非線性晶體。
6.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的半導體雷射器的雷射波長，包括可見光直至中紅外波段。
7.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的半導體雷射器陣列包括1×M一維線陣列，M×N二維面陣列，或是環狀圓形面陣列，其中M和N分別是大於1的正整數。
8.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的種子雷射器與雷射器陣列所用半導體雷射器的材料、結構及性能相同。
9.按權利要求1所述的相控陣半導體雷射裝置，其特徵是所述的垂直腔面發射半導體雷射器的雷射材料包括銦化鎵，銦化砷，磷化銦，錫化銦，銦鎵砷，銦鋁砷，銦鈣磷，銦鎵氮，銦鎵砷氮，銦鎵砷氮錫，鋁鎵砷，鋁鎵銦磷，砷化鎵，錫化鋁或氮化鎵。
專利摘要本實用新型涉及一種利用垂直腔面發射半導體雷射器製作的相控陣雷射裝置，包括計算機、總電源、種子雷射器、移相器和由n個面發射半導體雷射器組成的雷射陣列；移相器安置在種子雷射器光路前方，每個移相器前方對應安置雷射陣列中的一個垂直腔面發射半導體雷射器；其中總電源分別與每個垂直腔面發射半導體雷射器電連接，總電源分別與計算機、種子雷射器、移相器電連接。該陣列發射的雷射束的方向由移相器控制，通過控制陣列中各個雷射器單元的相位，使光束相干疊加，得到所需的光束指向，和在一定空域中按預定方案進行掃描。移相器由計算機控制。在掃描過程中雷射器陣列保持固定，即雷射器本身不需要作機械運動。
文檔編號H01S5/00GK2572627SQ0220554
公開日2003年9月10日 申請日期2002年3月6日 優先權日2002年3月6日
發明者許祖彥, 崔大復, 姚愛雲, 林學春, 李瑞寧 申請人:中國科學院物理研究所