專利名稱：光泵鎖模薄片半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光泵鎖模薄片半導體激光器，屬于半導體激光器技術領域。
背景技術：
光泵鎖模薄片半導體激光器(Optically Pumped Mode-locked ThinDiskSemiconductor Lasers,0P-MTDSL)兼顧了面發射半導體激光器、邊發射半導體激光器和固體激光器三者的優點，既有好的光斑模式TEM00 (與邊發射半導體激光器相比)和較高的輸出功率(與面發射半導體激光器相比)，波長又很容易設計成不同波段(與固體激光器相比)；除此之外，還有一個極大的優點是MTDSL的增益芯片和腔鏡是分離的，激光腔中可以加入加入調諧元件，獲得不同的功能.當在腔中加入半導體可飽和吸收元件時，引入被動鎖模機制，即可產生皮秒或飛秒寬度的脈沖輸出。而超短脈沖激光在生物醫學、光通訊、光時鐘信號等領域有很重要的應用價值。 在生物醫學中觀測的活性樣品在連續光照射下容易被破壞，利用紅外超短脈沖光源的雙光子吸收可以解決這個問題。典型的熒光蛋白質的吸收光譜一般在可見光范圍內(例如488nm-514nm波長范圍)，其雙光子吸收的光源波長即為近紅外波長(例如976nm-1028nm附近)，是GaAs/InGaAs的發光波段，材料制作工藝比較成熟。另外，由于MTDSL的脈沖重復頻率不受電調制的限制，可以做得很高(> 40GHz)，作為計算機或者光通信的時鐘信號很有發展前途。 現有的薄片半導體激光器包括泵浦光源、散熱裝置、半導體增益芯片、外腔鏡，輸出光為連續光；所述的鎖模薄片半導體激光器在腔內加入半導體可飽和元件，能夠實現鎖模運轉，輸出ps或fs級激光脈沖。由于半導體材料上能級壽命短，即使在高重復頻率下也不會出現自調Q現象，非常適合做鎖模器件，得到穩定的自啟動鎖模脈沖輸出。
但半導體可飽和元件如何設置才能有效地產生超短脈沖光，目前還在探索階段。
發明內容
本發明的目的在于提供一種利用半導體可飽和吸收鏡作為鎖模元件的自啟動鎖模薄片半導體激光器，實現皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。 為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案采用V形諧振腔及泵浦光源，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置上的半導體增益芯片，泵浦光源通過透鏡組照射于半導體增益芯片。所述端面反射鏡采用半導體可飽和吸收鏡，且半導體可飽和吸收鏡包含可飽和吸收層及布拉格反射鏡層；量子阱有源區、布拉格反射層在300-450度的溫度下生長而成。所述半導體增益芯片包含周期性多量子阱層和布拉格反射鏡層，其中周期性多量子阱層由交替的半導體量子阱有源層和量子阱勢壘層構成。 所述泵浦光源是800-810nm波長的半導體激光器；半導體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有源層為InGaAs，其中In含量為0. 18_0. 20，量子阱勢壘層為GaAs或AlGaAs，其中量子阱個數為6-16個；半導體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學玻璃，鍍有對1微米波長的激光部份透射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡中含有量子阱吸收區及布拉格反射鏡層，量子阱吸收區為InGaAs/GaAs材料，為3-5個量子阱，其中In含量為0. 18-0. 20，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs。
當所述泵浦光源是630-670nm半導體激光器；半導體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有源層及量子阱勢壘層為GaAs/AlGaAs ;半導體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學玻璃，鍍有對850nm附近激光部份透射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡選取吸收波長850nm附近的GaAs/AlGaAs材料，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs。可以得到波長850nm的激光脈沖。
當所述泵浦光源是808nm半導體激光器；半導體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有源層及量子阱勢壘層為GalnNAs/GaAs ;半導體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學玻璃，鍍有對1220nm附近激光部份透射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡選取吸收波長1220nm附近的GalnNAs/GaAs材料的吸收鏡，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs。可以得到波長1220nm的激光脈沖. 當所述泵浦光源是976nm半導體激光器；半導體增益芯片中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有源層及量子阱勢壘層為InGaAsP/InP ;半導體增益芯片的布拉格反射鏡層為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡為光學玻璃，鍍有對1550nm附近激光部份透射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡選取吸收波長1550nm附近的InGaAsP/InP材料的吸收鏡，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs。可以得到波長1550nm的激光脈沖. 本發明的積極效果在光泵鎖模薄片半導體激光器中加入了簡單的鎖模元件_半導體可飽和吸收鏡，而實現了鎖模脈沖輸出；由于可飽和吸收鏡是采用量子阱層作為吸收區，粒子躍遷是在帶內躍遷，因此可飽和恢復時間非常短，易于產生自啟動皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。整個系統結構簡單、易于調節、輸出脈寬窄，重復頻率高。
圖1為本發明中的鎖模薄片半導體激光器結構示意 圖2為鎖模薄片半導體激光器中的半導體增益芯片結構 圖3為本發明中的半導體可飽和吸收鏡結構 圖4為本發明中的散熱裝置的結構示意圖。 圖中1、泵浦光源，2、透鏡組，3、半導體增益芯片，4、散熱裝置，5、可飽和吸收鎖模元件，6、熱沉，7、輸出耦合鏡，8、激光脈沖，9、窗口層，10、半導體量子阱層，11、量子阱勢壘層，12、布拉格反射層，13、襯底，14、窗口層，15、量子阱有源區，16、布拉格反射層，17、襯底，18、熱沉，19、半導體制冷芯片，20、水循環裝置，21 、水嘴。
具體實施例方式
下面結合附圖1-4及一些實施例對本發明進行詳細說明 如圖1所示，本發明的帶可飽和吸收鏡的光泵鎖模薄片半導體激光器包括泵浦光源1、半導體增益芯片3、散熱裝置4、可飽和吸收鎖模元件5、熱沉6、輸出耦合鏡7。所述的鎖模元件為半導體可飽和吸收鏡，主要包括量子阱吸收區15和布拉格反射層16，在作可飽和吸收元件調制腔內光強的同時，也起到了折疊光和高反鏡的作用。由于半導體材料的上能級壽命短，易于實現自啟動、穩定的鎖模輸出，這樣的設置易于調節和鎖模，且易輸出高重復頻率，窄脈寬的激光脈沖，工作狀態穩定。 半導體增益芯片3的結構如圖2所示，由窗口層9、量子阱有源區、布拉格反射層12、襯底13構成，半導體增益芯片3安裝在散熱裝置4上組成。其中，量子阱有源區為周期性多量子阱層，由半導體量子阱有源層10和量子阱勢壘層11交替構成。
半導體可飽和吸收鏡5的結構示意圖如圖3所示。與半導體增益芯片結構相似，也包含窗口層14、量子阱有源區15、布拉格反射層16、襯底17，并安裝在熱沉6上。其中量子阱有源區15、布拉格反射層16在300-450度的溫度下生長而成。 散熱裝置4的結構如圖4所示，包括熱沉18，半導體制冷芯片19和水循環裝置20。其中，熱沉18用導熱效果好的紫銅或純銅制成；半導體制冷芯片19由控制電源供電和設定溫度，是整個半導體激光器系統工作中的溫度控制系統；循環水裝置20是用黃銅材料制成的，有兩個水嘴21，是循環水的進水口和出水口 ，外接循環水系統，帶走由半導體制冷器19產生的熱量。 泵浦光源l發出的光經過一組透鏡2(此圖只畫了一個透鏡)準直聚焦后入射到半導體增益芯片3上，光被多周期量子阱層的勢壘層11吸收，產生光生載流子。這些光生載流子進一步被量子阱有源層10俘獲，經過輻射復合后發光，產生與量子阱能帶相應的光子，這些光子在由增益芯片的布拉格反射層12，半導體可飽和吸收鏡中的布拉格反射鏡層16及輸出鏡7形成的腔中來回振蕩，形成諧振。當滿足閾值條件，即腔內的增益大于損耗時，由輸出耦合鏡7輸出激光。如果沒有半導體可飽和吸收鏡5，則輸出的光為連續激光；當腔中加入半導體可飽和吸收鏡5時，腔內的光強被可飽和吸收元件調節，形成激光脈沖8輸出。半導體增益芯片2和半導體可飽和吸收鏡5中的襯底13， 17是起支撐材料作用的。當腔內振蕩光入射到可飽和吸收鏡5上時， 一開始半導體可飽和吸收鏡5吸收率很高，吸收振蕩光。當吸收到一定量的光能量后，半導體可飽和吸收鏡5開始飽和，此時吸收層相對于振蕩光來說是透明的，則半導體可飽和吸收鏡5完全作為了一個全反鏡，由于半導體可飽和吸收元件的能級躍遷是帶內約遷，因此飽和時間和恢復時間很短，使激光器獲得超短脈沖輸出。同時布拉格反射層16起到了全反鏡的作用，因此可飽和吸收鏡5可以作為一個端鏡來用。由于量子阱半導體的上能級壽命很短，因此可以產生皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。
實施例1 : 對于輸出脈沖光波長為1微米附近的激光，泵浦光源1是800-810nm波長的帶光纖輸出的半導體激光器；半導體增益芯片3中，周期性量子阱層中的半導體量子阱有源層10為InGaAs，其中In含量為0. 18-0. 20，周期性多量子阱層中的量子阱勢壘層11為GaAs或AlGaAs，其中量子阱個數為6-16個；半導體布拉格反射鏡層12為26-28對GaAs/AlAs。半導體增益芯片3用散熱裝置4帶走多余的熱量并且控制芯片溫度。散熱裝置4的結構示意圖如圖4所示，半導體增益芯片用導熱膠粘貼到熱沉18上，熱沉為紫銅或純銅；熱沉18用In連接到半導體制冷器19上，控制芯片溫度；半導體制冷芯片與水循環裝置20充分接觸，帶走激光器產生的多余熱量。輸出耦合鏡7為光學玻璃，鍍有對1微米波長的激光部份透射的寬帶介質膜，輸出激光；半導體可飽和吸收鏡5中含有量子阱吸收區及布拉格反射鏡層， 量子阱吸收區為InGaAs/GaAs材料，通常為3_5個量子阱，其中In含量為0. 18_0. 20，低溫 生長。布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs.其結構和半導體增益芯片相似，當有泵浦光 存在時，半導體增益芯片勢壘層吸收泵浦光，產生光生載流子，之后被量子阱俘獲，復合發 光；在沒有泵浦光，只有振蕩光存在時，半導體可飽和吸收鏡吸收振蕩光，成為調節元件。
實施例2 : 將實施例1中的泵浦光源換成波長為630-670nm半導體激光器，周期性多量子阱 層換成GaAs/AlGaAs量子阱和勢壘，可飽和吸收鏡換成同樣波長AlAs/AlGaAs材料的吸收 鏡，就可以獲得850nm附近的鎖模脈沖光輸出。
實施例3 : 將實施例1中的泵浦光源換成波長為808nm的半導體激光器，周期性多量子阱層 換成GalnNAs/GaAs量子阱和勢壘，可飽和吸收鏡換成同樣波長的GalnNAs/GaAs材料吸收 鏡，就可以獲得1220nm附近的鎖模脈沖光輸出。
實施例4 : 將實施例1中的泵浦光源換成波長為976nm的半導體激光器，周期性多量子阱層 換成InGaAsP/InP量子阱和勢壘，可飽和吸收鏡換成同樣波長的InGaAsP/InP材料吸收鏡， 就可以獲得1550nm附近的鎖模脈沖光輸出。
權利要求
光泵鎖模薄片半導體激光器，采用V形諧振腔及泵浦光源(1)，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置(4)上的半導體增益芯片，泵浦光源通過透鏡組照射于半導體增益芯片，其特征在于所述端面反射鏡采用半導體可飽和吸收鏡(5)，且半導體可飽和吸收鏡包含可飽和吸收層(15)及布拉格反射鏡層(16)；所述半導體增益芯片包含周期性多量子阱層和布拉格反射鏡層(12)，其中周期性多量子阱層由交替的半導體量子阱有源層(10)和量子阱勢壘層(11)構成。
2. 如權利要求l所述的光泵鎖模薄片半導體激光器，其特征在于所述泵浦光源(1)是800-810nm波長的半導體激光器；半導體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導 體量子阱有源層(10)為InGaAs，其中In含量為0. 18-0. 20，量子阱勢壘層(11)為GaAs或 AlGaAs，其中量子阱個數為6-16個；半導體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層(12)為26-28 對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學玻璃，鍍有對1微米波長的激光部份透射的寬帶介 質膜；半導體可飽和吸收鏡(5)中含有量子阱吸收區及布拉格反射鏡層，量子阱吸收區為 InGaAs/GaAs材料，為3-5個量子阱，其中In含量為0. 18-0. 20，布拉格反射鏡層為23-28 對GaAs/AlAs。
3. 如權利要求l所述的光泵鎖模薄片半導體激光器，其特征在于所述泵浦光源(1) 是630-670nm半導體激光器；半導體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導體量子 阱有源層(10)及量子阱勢壘層(11)為GaAs/AlGaAs ;半導體增益芯片(3)的布拉格反射 鏡層(12)為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學玻璃，鍍有對850nm附近激光部 份透射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡(5)選取吸收波長850nm附近的GaAs/AlGaAs 材料的吸收鏡，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs.
4. 如權利要求l所述的光泵鎖模薄片半導體激光器，其特征在于所述泵浦光源(1) 是808nm半導體激光器；半導體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有 源層(10)及量子阱勢壘層(11)為GalnNAs/GaAs ;半導體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層 (12)為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學玻璃，鍍有對1220nm附近激光部份透 射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡(5)選取吸收波長1220nm附近的GalnNAs/GaAs材 料的吸收鏡，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs.
5. 如權利要求l所述的光泵鎖模薄片半導體激光器，其特征在于所述泵浦光源(1) 是976nm半導體激光器；半導體增益芯片(3)中的周期性多量子阱層中的半導體量子阱有 源層(10)及量子阱勢壘層(11)為InGaAsP/InP ;半導體增益芯片(3)的布拉格反射鏡層 (12)為26-28對GaAs/AlAs ;輸出耦合鏡(7)為光學玻璃，鍍有對1550nm附近激光部份透 射的寬帶介質膜；半導體可飽和吸收鏡(5)選取吸收波長1550nm附近的InGaAsP/InP材料 的吸收鏡，為3-5個量子阱，布拉格反射鏡層為23-28對GaAs/AlAs.
6. 如權利要求1至5中任一項所述的光泵鎖模薄片半導體激光器，其特征在于所述 散熱裝置(4)由熱沉(18)、半導體制冷芯片(19)和水循環裝置(20)三者依次排列組成。
全文摘要
本發明涉及光泵鎖模薄片半導體激光器，屬于半導體激光器技術領域。本發明采用V形諧振腔及泵浦光源，諧振腔由出射端鏡、中間反射鏡、端面反射鏡構成，其中，出射端鏡采用輸出耦合鏡，中間反射鏡采用安裝在散熱裝置(4)上的半導體增益芯片，泵浦光源通過透鏡組照射于半導體增益芯片，其特征在于所述端面反射鏡采用半導體可飽和吸收鏡，且半導體可飽和吸收鏡包含可飽和吸收層(15)及布拉格反射鏡層(16)。由于可飽和吸收鏡是采用量子阱層作為吸收區，粒子躍遷是在帶內躍遷，因此可飽和恢復時間非常短，易于產生自啟動皮秒或飛秒的超短脈沖輸出。整個系統結構簡單、易于調節、輸出脈寬窄，重復頻率高。
文檔編號H01S5/343GK101741012SQ200910243068
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者宋晏蓉, 張志剛, 張新平, 張曉 , 張鵬, 田金榮 申請人:北京工業大學