鎖模光泵浦半導體雷射器的製造方法
2023-06-10 08:32:51 4
鎖模光泵浦半導體雷射器的製造方法
【專利摘要】一種雷射器(10)包括光學泵浦半導體OPS增益結構(16)。設備具有雷射器-共振器(11)，其包括用於使得雷射器傳遞鎖模脈衝的模式鎖定裝置。共振器的總長度被選擇成使得在大約100MHz的脈衝重複頻率下傳遞鎖模脈衝。共振器內光學設備使共振器中的輻射循環在OPS增益結構產生多個入射，其中連續入射之間的時間小於增益結構的激勵狀態壽命。
【專利說明】鎖模光泵浦半導體雷射器
【技術領域】
[0001 ] 本發明總體上涉及外腔表面發射光泵浦半導體(OPS )雷射器。本發明具體涉及鎖模OPS雷射器。
【背景技術】
[0002]包括固態增益介質的鎖模雷射器在相對高的脈衝重複率下提供了非常短的脈衝。典型的鎖模雷射器在介於大約50和150MHz兆赫(MHz)之間的脈衝重複頻率(通常為80MHz)下工作。根據增益介質，脈衝可具有大約100皮秒或者更少的FWHM持續期。更加商業化的鎖模雷射器採用具有相對較寬的增益帶寬的固態增益介質。最常見的固態增益介質是摻雜了鈦的氧化鋁(T1:藍寶石或Ti =Al2O3),它能夠提供介於大約700納米和900納米之間的基本波長範圍內的有限可調範圍。可通過具有基本波長的輸出輻射的頻率轉換來擴展該雷射器的波長範圍。
[0003]鎖模雷射器脈衝的公共應用是用於多光子顯微鏡中的螢光激勵。該應用得益於能夠獲得其波長可專門適合於特定螢光的鎖模脈衝。
[0004]OPS-雷射器包括具有被隔離層隔開的有源或量子阱(Q-W)層的多層半導體表面發射增益結構。該雷射器的輸出波長可通過選擇有源層的半導體材料的適當組成而被「調整」用於具體值。這至少在理論上能提供從紫外光譜範圍到電磁頻譜的中紅外範圍的基本波長。半導體增益介質的特徵在於，相對於針對固態增益介質的一毫秒或更長，該增益介質的激勵狀態壽命相對很短，例如大約10納秒(ns)或者更小。為此，僅僅由非常短的共振器在相應非常高的脈衝重複頻率(PRF)(例如，幾千兆赫(GHz))下實現了半導體雷射器中的模式鎖定。這就使得可以在半導體增益介質的激勵狀態壽命內實現共振器中的多次往返。但是，可在該高PRF下實現的脈衝能量太低，而且PRF對於多光子顯微鏡應用來說太高。需要克服OPS-雷射器的這一缺陷以便使得其波長選擇優勢能夠用來優化多光子顯微鏡應用中的特定螢光的響應。
【發明內容】
[0005]在一個方面中，根據本發明的設備包括具有共振器長度的雷射器-共振器。至少一個表面發射多層半導體增益結構處於雷射器-共振器中。至少一個任意其它增益結構包括被隔離層隔開的多個有源層並具有有源層的材料的激勵狀態壽命特徵。裝置被提供用於激勵增益結構，從而使具有增益結構的有源層的基本波長特徵的輻射在雷射器-共振器中循環。模式鎖定裝置處於雷射器-共振器內，用於使循環輻射循環作為共振器長度確定的預定脈衝重複頻率下的鎖模脈衝序列。光學設備被提供用於使循環輻射在雷射器-共振器中在其每次往返期間產生預定多次增益結構入射，其中增益結構入射之間的預定時間小於增益結構的兩倍激勵狀態壽命。
[0006]這一配置使得本發明設備輸出的鎖模脈衝的PRF可被選擇成可比擬於現有技術的固態鎖模雷射器的PRF，並同時循環脈衝能夠使得一個或多個增益結構上的多個入射具有入射之間的小於兩倍激勵狀態壽命的周期，從而允許脈衝能量的共振建立。在本發明的優選實施例中，共振器長度被選擇成使脈衝重複頻率介於大約50MHz和150MHz之間，而且共振器中的每次往返存在至少四次增益結構入射。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]併入說明書並作為其一部分的附圖示意性地圖示了本發明的優選實施例，附圖與上面的總體描述以及下述優選實施例的詳細描述一起來解釋本發明的原理。
[0008]圖1示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的一個優選實施例，其包括其總長度被選擇成提供180MHz的數量級的輸出PRF的共振器以及具有光學泵浦OPS增益結構的增益模塊，並且被配置成使得共振器中的輻射循環在共振器中專每次往返期間在增益結構上產生八次入射，其中連續入射之間的時間小於OPS增益結構的兩倍激勵狀態壽命。
[0009]圖2示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的另一優選實施例，其類似於圖1的雷射器，但是還包括用於OPS增益結構的同步脈衝光泵浦的設備。
[0010]圖3是示意性地圖示了在根據本發明的鎖模OPS-雷射器的示例中計算出來的作為OPS-結構上的各種入射次數的模式鎖定頻率的函數的平均鎖模輸出功率與基板基本CW功率之比的示圖。
[0011]圖3A是示意性地圖示了在圖3的示例中計算出來的作為80MHz的模式鎖定頻率下OPS-結構上的入射次數的函數的鎖模輸出功率的示圖。
[0012]圖4示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的又一優選實施例，其類似於圖1的雷射器，但是共振器中存在兩個OPS-結構，而且共振器中的輻射循環在共振器中在每次往返期間在每個增益結構上產生四次入射。
【具體實施方式】
[0013]現在參考附圖，其中類似組件標有類似參考標號，圖1示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的一個優選實施例10。雷射器10包括形成在部分反射部分透射鏡14和包括可飽和吸收鏡12 (例如可飽和Bragg反射(SBR)鏡或半導體可飽和吸收鏡(SESAM))之間的駐波雷射器-共振器11。鏡12為雷射器-共振器的模式鎖定做準備。鏡14作為雷射器-共振器的輸出I禹合鏡。
[0014]雷射器-共振器中的光增益由包括多層半導體增益結構18和上面的鏡結構20的OPS-結構(0PS晶片)16提供。增益結構包括被隔離層隔開的多個有源層並具有有源層材料的激勵狀態壽命特徵。增益結構由光泵浦輻射激活，如所示，以使得雷射器輻射以下文將要詳細描述的方式在共振器11中循環。優選地，泵浦輻射由二極體-雷射器或二極體雷射器陣列(未示出)提供。OPS晶片以與熱沉22相通地方式被支撐。該OPS-結構的詳細描述對於理解本發明的原理來說不是必須的，因此不在此予以闡述。注意，如前面說討論的那樣，該增益結構的激勵狀態壽命處於大約3ns的數量級。轉讓給本發明的受讓人的美國專利N0.6，097，742中提供了 OPS-結構的生長、組成、材料和示例性增益-波長的詳細描述，其整體公開通過引用併入本文。
[0015]雷射器-共振器11中包含在循環輻射的共振器中的每次往返期間導致共振器中的輻射循環的增益結構上的多次入射的設備，其中連續入射之間的時間優選地小於OPS增益結構18的大約兩倍激勵狀態壽命，而且更優選地大約等於或小於激勵狀態壽命。此處，多入射設備包括與回復反射鏡對30和32以及OPS-結構16的鏡結構20配合的凹鏡28A和 28B。
[0016]對離開鏡12的光束的追蹤(由實心箭頭F0ut表示):光束入射至凹鏡24上；從鏡24反射至平面鏡26 ;並從鏡26反射至凹鏡28A。光束從鏡28A反射以產生OPS晶片的增益結構上的第一入射(向前並反射通過)。鏡結構20將第一入射光束反射至鏡28B，然後從鏡28B反射至回復反射器30的鏡30A。鏡30A將光束反射至鏡30B，鏡30B又將光束反射回鏡28B。
[0017]鏡28B將光束反射回OPS晶片18以產生OPS增益結構上的第二入射。隨後，光束被鏡結構20反射至鏡28A。鏡28A將光束反射至回復反射器30的鏡32A。鏡32A將光束反射至反射器的的鏡32B，的鏡32B又將光束反射回鏡28A。
[0018]隨後，光束又從鏡28A反射以產生OPS晶片的增益結構上的第三入射。鏡結構20將第三入射光束反射至鏡28B，光束從鏡28B再反射回回復反射器30的鏡30A。鏡30A將光束反射至鏡30B，鏡30B將光束反射回鏡28B。
[0019]鏡28B將光束反射至OPS晶片18以產生OPS增益結構上的第四入射。隨後，光束被鏡結構20反射至鏡28A。這時，鏡28A將光束反射至共振器11的平面鏡34。鏡34將光束反射至凹鏡36。鏡36將光束反射至輸出耦合鏡14。在這時，光束已經完成了共振器11中的一般往返並經歷了 OPS晶片上的四次入射。隨後，鏡14如空心箭頭FBadt所示將光束沿入射路徑反射回去。這樣，光束通過重新追蹤上述原始路徑而完成了整個往返，從而在共振器11中的往返之前又產生增益結構18上的四次入射(通過)。在此特別要注意的是OPS晶片16大約位於鏡28A和28B的焦點，由此使得光束在OPS晶片上的每次入射時具有大約相同的高度。
[0020]還應該注意，高調製深度被要求用於用來提供模式鎖定的可飽和吸反射器。在設備10中，包括凹鏡24和36的摺疊鏡布置被配置成將循環輻射聚集在SESAM12上以最大化調製深度。可替換地，可飽和吸收鏡可包含在共振器中的使得每次往返期間輻射會兩次或更多次地輻射在其上的位置處。在共振器11中，這可以例如處於鏡30A和30B之一上。甚至還可以在OPS晶片16的鏡結構中構建可飽和吸收功能20。本領域技術人員可使用這些模式鎖定配置，或在不脫離本發明的精神和範圍的情況下導出其它模式鎖定配置。
[0021]圖2示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的另一優選實施例，其類似於圖1的雷射器，但是還包括用於OPS增益結構的同步脈衝光泵浦的設備。截至(Pick-Off)鏡40將脈衝輸出的一部分從輸出f禹合鏡14引導至光電二極體42,光電二極體42與可調製泵浦輻射源46電連接。光電二極體的輸出提供了雷射器10的瞬態輸出PRF的測量。這就允許考慮共振器長度的細微變化而導致的由於輸出的頻率偏移來調節同步脈衝泵浦PRF。共同擁有的美國專利公開2009/0290606中可以找到與OPS-雷射器的同步泵浦相關的其它信息，在此通過引用將其內容併入本文。
[0022]同步泵浦通過在未產生並傳遞脈衝時阻止傳遞至OPS-結構的泵輻射，降低了OPS-結構上的熱負載。然而，由於針對二極體-雷射器的高驅動電流的脈衝調製的困難、以及二極體-雷射器對於產生跟隨電流脈衝的時間形式的光學輸出的困難，同步泵浦在IOOMHz的數量級的頻率下變得困難。可能的替換方案是利用諸如正弦調製電流之類的模擬調製電流驅動泵浦輻射源。
[0023]圖3是示意性地圖示了在根據本發明的鎖模OPS-雷射器的示例中計算出來的作為OPS-結構上的各種入射次數的模式鎖定頻率的函數的平均鎖模輸出功率與基板基本CW功率之比(模式鎖定比)的示圖。在計算中假設，1%的共振器中具有固定損耗，加上OPS晶片上的入射次數乘以0.2%的附加損耗,從而考慮轉向鏡(steering mirror)中的損耗隨著該入射的次數線性地增大這一事實。還假設OPS增益結構的激勵狀態壽命是3.0ns ;每次入射的未飽和增益是8% ;飽和強度是lOOkW/cm2 ;光束尺寸是400um (1/e2半徑);相應的飽和功率是251W ;而且針對脈衝的相應飽和通量(fluence)是754納焦(nj)。
[0024]針對計算的每個入射次數優化了輸出耦合百分比(在共振器11中是鏡14的傳輸比)。在每個相應曲線中指出了入射次數。虛線曲線表示計算出來的可由由OPS晶片的鏡結構終止的現有技術OPS-雷射器-共振器獲取的性能，其中共振器中的每次往返期間僅僅存在OPS晶片上的一次入射。圖3的示圖中插入的表格I提供了針對每個入射次數計算出來的最佳輸出耦合百分比以及實際計算出來的CW功率。在此需注意，在現有技術鎖模雷射器的典型的80MHz PRF下，每往返僅僅一次入射的鎖模平均功率小於可用CW功率的35%。對於每往返OPS晶片上兩次入射(如OPS-結構的鏡結構摺疊的現有技術的OPS-雷射器-共振器可以實現的那樣)，鎖模OPS功率僅僅上升至大約可用CW功率的0.54%。
[0025]需要注意的是，所謂的「薄碟」雷射器中使用的固態增益介質具有比OPS增益結構的激勵狀態壽命遠遠更長的激勵狀態壽命。舉例來說，摻雜有鐿的釔鋁石榴石(yttriumaluminum garnet, Yb:YAG)具有接近一毫秒的激勵狀態壽命。鑑於此,在鎖模固態雷射器的正常PRF範圍內，模式鎖定比沒有顯示出對該增益介質上的入射次數的任何依賴。
[0026]圖3A是示意性地圖示了在圖3的示例中計算出來的作為80MHz的模式鎖定頻率下OPS結構上的入射次數的函數的鎖模輸出功率的示圖。示圖上的虛線連接計算點僅僅用於趨勢表示。從圖3A可以明顯看出，鎖模輸出的劇烈增長最少要求在共振器中在每次往返期間的OPS晶片上的大約4次入射。假定針對共振器中的輻射循環的大約12.5ns的往返時間，這表示輻射入射之間的時間優選地不大於大約3ns，即，不大於大約半導體增益結構的激勵狀態壽命。圖3A中插入的表格2顯示在本發明的80MHz鎖模共振器中的針對2、4、8和和20次入射的入射之間的大致時間以及入射頻率。本發明的配置僅僅在每次往返存在四次或更多次OPS晶片入射時變得實際有用，假定入射之間的時間段小於OPS增益結構的大約兩倍激勵狀態壽命。
[0027]8次入射和20次入射之間的鎖模功率增長相對最適中，但是如果需要利用更高輸出耦合來容納共振器中的一個或多個損耗元件(例如，色散補償器件的元件)，則可以允許附加的入射。然而，實際需要注意的是，不管發生多少次入射，OPS晶片必須儘量平坦地封裝。任意與平坦的背離，尤其是彎曲，將會由於入射次數而變得嚴重，而且將損害在OPS晶片上的相同位置中重複地對循環光束(對齊振蕩模式)成像的能力，這當然是最大化與泵浦輻射的互動所要求的。優選地，即使對於少至4次入射，OPS晶片也不應該具有小於大約
10.0米的曲率半徑(正或負)，否則模式偏差以及相應的鎖模功率輸出將遭受損失。
[0028]圖4示意性地圖示了根據本發明的鎖模OPS-雷射器的又一優選實施例50，其類似於圖1的雷射器，但是兩個OPS-結構16A和16B (它們可具有相同或不同的增益波長)代替了設備50中的單個OPS晶片16。而且，由於附加的OPS晶片，圖1的設備的模式成像鏡28A和28B在設備50中由三個鏡52A、52B和54代替。存在僅僅一個角(回復)反射器，即，具有鏡56A和56B的回覆反射器56。
[0029]如用來表示圖1的設備中的往返那樣，設備50的共振器15中的往返由實心箭頭(第一穿透多次入射布置)和空心箭頭(第二穿透多次入射布置)表示。可以看出在設備50中，每個OPS晶片上存在循環輻射的四次入射。這就提供了每次往返的八次「增益入射」或「0PS晶片入射」，如圖1的設備的共振器U。本領域技術人員將認識到，在沒有進一步的圖示或詳細說明的情況下，與0PS50類似地布置的設備可被擴展，理論上至少包括每個往返提供十二次增益入射的三個OPS晶片、每個往返提供十六次增益入射的四個OPS晶片，以此類推。
[0030]繼續參考圖4，如果OPS晶片16A和16B的增益帶寬匹配，設備50的性能可從圖3和圖3A的示圖中預測出來。實際上，對於這些示圖的計算中呈現的每次增益入射的損耗，設備50中小於設備10中，這是因為提供每次入射時涉及更少的反射器。
[0031]OPS晶片16A的增益帶寬可故意失配以擴展共振器中的多個OPS晶片的累積增益帶寬。這可以用於例如提供有限範圍的可調諧性(利用共振器中的可調波長選擇元件)或者用於降低鎖模脈衝的持續時間。舉例來說，對於大約900nm的標稱雷射波長，認為實際上大約45nm的淨增益帶寬(FWHM)可由具有大約30nm的典型增益帶寬的、峰值累積增益比單個OPS晶片的峰值增益大大約40%的多個OPS晶片實現。
[0032]對於脈衝持續時間，相信可以在根據本發明的設備中獲得大約200飛秒(fs)或更短的脈衝持續時間。上述共振器中的任意摺疊鏡可塗覆有提供用於補償OPS-結構中可能出現的任意脈衝持續時間擴展正色散的負色散的鏡(NGDD鏡)。還可以在OPS晶片或SESAM12中通過適當配置其層厚來設計一些色散補償。轉讓給本發明的受讓人的美國專利N0.6,081,379和N0.6，154，138中詳細描述了 NGDD鏡設計的原理，其整體內容通過引用併入本文。根據所述原理自動設計NG⑶鏡塗層的軟體可在商業上從光學薄膜設計軟體的多個供應商獲取。而且，NGDD鏡塗層可在商業上從光學塗層的多個供應商獲取。
[0033]在此應該注意，在所述的本發明的雷射器-共振器中，為了方便描述和描繪至OPS晶片的多入射光束路徑而放大了 OPS晶片或多晶片上的輻射的入射的上方角度。實際上，除了其它原因之外，優選地最小化這些入射角度以便優多次入射的化累積增益。在圖1的共振器10中，成像鏡28A和28B可以由具有可傳遞泵浦輻射的中心孔的單個拋物線鏡代替。雖然半導體增益結構的光學泵浦(激活)是優選的，但是增益結構可被電激活，例如如美國專利N0.6，243，407所描述的那樣，其整體內容通過引用併入本文。本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下對本發明的共振器做出這些及其它修改。
[0034]還應該注意，在圖1和圖2的「單晶片」實施例或圖4的多晶片實施例中，優選地，共振器被配置成使得往返中的連續增益入射之間的時間大致相同。這被用於連續入射的逐一成像布置所促進，因為存在可實現逐一成像的成像鏡的焦距的實質的自由選擇。
[0035]總之，本發明通過提供具有被選擇成提供150MHz或更小的鎖模PRF的長度的共振器並同時在共振器中提供輻射循環的OPS晶片入射的足夠更高的往返頻率，克服了前面討論的現有技術的鎖模OPS-雷射器的缺陷。往返OPS晶片入射的頻率被選擇成使得這些入射之間的時間段足夠小以促進往返中脈衝能量的有效建立。
[0036]以上參考優選的其它實施例描述了本發明。然而，本發明並不限於此處說明並描述的實施例。實際上，本發明由所附權利要求限定。
【權利要求】
1.一種雷射器設備,包括: 具有共振器長度的雷射器-共振器； 處於雷射器-共振器內的至少一個表面發射多層半導體增益結構，至少一個任意其它增益結構，所述至少一個任意其它增益結構包括被隔離層隔開的多個有源層並具有有源層的材料的激勵狀態壽命特徵； 用於激活增益結構的裝置，使具有增益結構的有源層的基本波長特徵的輻射在雷射器-共振器中循環； 處於雷射器-共振器內的模式鎖定裝置，用於使循環輻射循環作為共振器長度確定的預定脈衝重複頻率下的鎖模脈衝的序列；以及 光學設備，用於使循環輻射在雷射器-共振器中在其每次往返期間產生預定多次增益結構入射，其中增益結構入射之間的預定時間小於增益結構的兩倍激勵狀態壽命。
2.根據權利要求1所述的設備，其中共振器長度被選擇成使得脈衝重複頻率介於大約50兆赫和150兆赫之間，並且其中至少一個任意其它增益結構的激勵狀態壽命小於大約10納秒。
3.根據權利要求1所述的設備，其中每個往返存在至少四次增益結構入射。
4.根據權利 要求3所述的設備，其中雷射器-共振器中僅僅存在一個表面發射多層半導體增益結構。
5.根據權利要求3所述的設備，其中雷射器-共振器中存在多個表面發射多層半導體增益結構。
6.根據權利要求1所述的設備，其中用於激活增益結構的裝置是光泵浦輻射源。
7.根據權利要求6所述的設備，其中泵浦輻射是與雷射器-共振器中的鎖模雷射器輻射循環的脈衝重複頻率相同的脈衝重複頻率下的重複脈衝輻射。
8.根據權利要求1所述的設備，其中模式鎖定裝置是可飽和吸收鏡。
9.根據權利要求8所述的設備，其中雷射器共振器是駐波雷射器共振器並且由第一和第二鏡終止，而且可飽和吸收鏡是第一鏡。
10.根據權利要求9所述的設備，其中第二鏡是雷射器共振器的輸出耦合鏡。
11.根據權利要求1所述的設備，其中增益結構入射之間的時間等於或小於大約增益結構的激勵狀態壽命。
12.—種鎖模外腔光泵浦半導體雷射器，包括: 具有共振器長度的雷射器-共振器； 處於雷射器-共振器內的表面發射多層半導體增益結構，該增益結構包括被隔離層隔開的多個有源層並且具有有源層的材料的激勵狀態壽命特徵； 用於光學增益結構的裝置，使得具有增益結構的有源層的基本波長特徵的輻射在雷射器-共振器中循環； 處於雷射器-共振器內的模式鎖定裝置，用於使循環輻射循環作為預定脈衝重複頻率下的鎖模脈衝序列，共振器長度被選擇成使得脈衝重複頻率介於大約150兆赫和大約80兆赫；以及 光學設備，用於使循環輻射在雷射器-共振器中在其每次往返期間在增益結構上產生至少四次入射。
13.根據權利要求12所述的雷射器，其中模式鎖定裝置是可飽和吸收鏡。
14.根據權利要求13所述的雷射器，其中雷射器共振器是駐波雷射器共振器並且由第一和第二鏡終止，而且可飽和吸收鏡是第一鏡。
15.根據權利要求14所述的雷射器,其中第二鏡是雷射器共振器的輸出稱合鏡。
16.根據權利要求12所述的雷射器，其中用於使循環輻射在增益結構上產生至少四次入射的光學設備被配置成使得連續入射之間的時間大約相同。
17.根據權利要求16所述的雷射器，其中連續入射之間的時間小於大約10納秒。
18.一種鎖模外腔光泵浦半導體雷射器，包括: 具有共振器長度的雷射器-共振器； 處於雷射器-共振器內的多個表面發射多層半導體增益結構，每個增益結構包括被隔離層隔開的多個有源層並且具有有源層的材料的激勵狀態壽命特徵； 用於光學增益結構的裝置，使得具有增益結構的有源層的基本波長特徵的輻射在雷射器-共振器中循環； 處於雷射器-共振器內的模式鎖定裝置，用於使循環輻射循環作為預定脈衝重複頻率下的鎖模脈衝序列，共振器長 度被選擇成使得脈衝重複頻率介於大約150兆赫和大約80兆赫；以及 光學設備，用於使循環輻射在雷射器-共振器中在其每次往返期間在每個增益結構上產生至少四次入射。循環福射to make at least4入射。
19.根據權利要求18所述的雷射器，其中模式鎖定裝置是可飽和吸收鏡。
20.根據權利要求19所述的雷射器，其中雷射器共振器是駐波雷射器共振器並且由第一和第二鏡終止，而且可飽和吸收鏡是第一鏡。
21.根據權利要求18所述的雷射器，其中用於使循環輻射在每個增益結構上產生至少四次入射的光學設備被配置成使得連續入射之間的時間大約相同。
【文檔編號】H01S5/183GK103765704SQ201280030256
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月22日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】I·麥克格裡弗雷, A·卡普拉拉, S·戈沃爾科夫 申請人:相干公司