高功率腔內倍頻半導體薄片激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，屬于半導體激光器領域。本實用新型采用散熱窗口改善激光器的熱效應，用濾波裝置穩定基頻光頻率，壓窄基頻光線寬，提高腔內倍頻效率。抽運光經準直聚焦后作用在半導體薄片增益介質（4）上，半導體薄片增益介質上鍵合了一塊高熱導率且對抽運光和激光都透明的散熱窗口（5）。增益介質中的光生載流子在量子阱（14）中發生受激輻射，由后端鏡（8）、輸出耦合鏡（7）、及半導體薄片增益介質底部的布拉格反射鏡（16）構成激光腔產生基頻激光，由非線性晶體（10）產生倍頻激光（11），其特征在于：激光腔內設置有濾波裝置（9），有效穩定基頻光的頻率，數倍地壓窄基頻光線寬，從而提高倍頻效率。
【專利說明】高功率腔內倍頻半導體薄片激光器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及具有散熱窗口和濾波裝置的高功率腔內倍頻半導體薄片激光器的設計，屬于半導體激光器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]半導體薄片激光器(Semiconductor Disk Laser, SDL)綜合了半導體激光器和固體薄片激光器二者的優點。一方面，SDL具有半導體激光器的優點:波長覆蓋了從可見光到近紅外的寬廣范圍；半導體對抽運光的帶間躍遷吸收使其吸收帶寬很寬，對抽運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點:光束質量十分優良，能獲得近衍射極限的圓形TEMotl高斯模；光抽運可以產生大面積的均勻抽運，因而可以通過增大抽運光斑面積來降低激光器的熱效應；薄片式增益結構的準一維熱流有利于進行散熱處理；可以通過在腔內增加增益介質的數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行。另外，靈活可調的外腔結構使半導體薄片激光器能方便地在腔內插入非線性晶體進行倍頻、插入濾波元件進行單頻工作、插入調諧元件進行可調諧運轉、以及利用可飽和吸收元件進行被動鎖豐吳等。
[0003]SDL所提供的高功率和高光束質量激光有著廣泛的應用前景。對SDL產生的基頻光來講，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學、法醫鑒定、頻率轉換、光時鐘、光通信、及能量利用等；2μπι波段激光輻射在大氣及環境監測方面有重要應用。通過倍頻，SDL能提供的波段擴展到紫外區域，在激光顯示、激光存儲、及光刻等諸多領域有著十分重要的應用。
[0004]已有的半導體薄片激光器SDL主要包括抽運光源、半導體薄片增益介質、以及構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:當抽運功率升高時，由量子缺陷、帶內馳豫、非輻射復合、及布拉格反射鏡對剩余抽運光的吸收等因素造成半導體薄片介質內有源區的溫度升高；而溫度的上升又反過來加劇非輻射復合，形成惡性循環，加速溫度的上升；隨著溫度的升高，半導體量子阱的增益會急劇下降，導致激光器出現熱熄滅，從而限制了 SDL的輸出功率。
[0005]對于提高SDL的輸出功率，主要的問題就是解決好SDL的熱效應問題。通過對半導體增益薄片的基質進行腐蝕，可以部分的改進SDL的散熱，但該項技術對工藝的要求極高，因為在該技術中半導體增益介質是所謂反序生長的，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。
實用新型內容
[0006]本實用新型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，同時在激光腔中設置濾波裝置來穩定基頻光的頻率，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。
[0007]為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案:在半導體薄片增益介質之上用液體毛細鍵合一塊高熱導率且對抽運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率很高，通常是基質材料的數百倍，其二是該窗口距離激光器的發熱區即量子阱有源區很近，所以與一般的熱量通過布拉格反射鏡再經由基質層散發相比較，熱量通過散熱窗口散發更直接，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光和激光都透明，或者吸收很少；其次是該材料應該有很高的熱導率，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體薄片增益介質的氧化保護層的熱脹系數應大致匹配，否則過大的熱應力可能導致增益介質的損毀。
[0008]同時，本實用新型在激光腔中設置濾波裝置來穩定基頻光的頻率，壓窄基頻激光的線寬，通過對基頻光的線寬進行壓窄后，一是可以選擇接受線寬小但有效非線性系數大的非線性晶體進行腔內倍頻，二是基頻光線寬壓窄后其光譜亮度增強，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。
[0009]高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，包括抽運光源、準直透鏡、聚焦透鏡、半導體薄片增益介質、散熱窗口、熱沉、輸出耦合鏡、后端反射鏡或者半導體可飽和吸收鏡、及非線性晶體；抽運光經準直聚焦后作用在半導體薄片增益介質上，半導體薄片增益介質之上鍵合了一塊散熱窗口 ；散熱窗口之下是增益介質，增益介質依次包括防氧化保護層、載流子限制層、10-20對半導體量子阱層與量子阱勢壘層構成的周期諧振結構、周期諧振結構之下是布拉格反射鏡和基質；整塊半導體薄片增益介質被焊接在熱沉上。激光諧振腔包括布拉格反射鏡、后端反射鏡或者半導體可飽和吸收鏡之一、及輸出耦合鏡；
[0010]其特征在于:激光諧振腔中設置有濾波裝置。
[0011]半導體薄片增益介質中的光生載流子在量子阱中發生受激輻射，在激光諧振腔中產生基頻振蕩，經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頻寬變窄，減小進入非線性晶體的光束發散角，提高倍頻效率；經過非線性晶體的作用，由輸出耦合鏡輸出高功率倍頻激光。
[0012]進一步，激光諧振腔還設置有反射鏡以及三倍頻非線性晶體。
[0013]當抽運光源是780_810nm波長的半導體激光器；在基質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AlGaAs，整個反射鏡由25-35對高低折射率材料交替生長構成；布拉格反射鏡之上生長多量子阱周期諧振結構，半導體量子阱層為InGaAs,其中In含量為0.18-0.20，量子阱勢壘層為GaAs或AlGaAs，其中Al含量為
0.00-0.08，周期諧振結構中量子阱的總個數為10-20個；多量子阱之上生長高勢壘的載流子限制層，為AlGaAs，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層，為GaAs ;防氧化保護層之上用毛細鍵合一塊厚度為200-500 μ m厚的高熱導率且對抽運光和激光都透明的薄片作為散熱窗口 ；激光諧振腔由半導體薄片增益介質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；濾波裝置置于半導體薄片增益介質及輸出耦合鏡之間，基頻的線寬通過它被數倍地壓窄；非線性晶體對基頻光鍍增透膜，并置于光腰處，以獲得高的倍頻轉換效率。
[0014]當抽運光源是650_680nm波長的半導體激光器；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成；半導體量子阱層為GaAs，量子阱勢壘層為416&48，其中八1含量為0.15-0.25，周期諧振結構中量子阱的總個數為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 ;防氧化保護層為GaAs ;防氧化保護層之上用毛細鍵合一塊厚度為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。
[0015]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。
[0016]本實用新型激光器在工作時，抽運光經準直和聚焦后作用在半導體薄片增益介質上；增益介質中的量子阱勢壘層吸收抽運光能量，產生光生載流子；載流子被量子阱俘獲，在量子阱內躍遷輻射，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，產生基頻激光；基頻光經過濾波裝置其頻率得到穩定，線寬被數倍地壓窄，再通過非線性晶體作用，產生倍頻激光，經由輸出耦合鏡輸出。工作中激光器產生的熱量主要由高熱導率的散熱窗口帶走，余下部分由熱沉帶走。
[0017]本實用新型的積極效果:半導體薄片增益介質上的高熱導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。相對于通過基質刻蝕增進散熱來講，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。通過在激光腔內設置濾波裝置來數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倍頻的轉換效率，增大倍頻激光的輸出功率。本實用新型激光器結構緊湊，封裝工藝要求簡單，輸出倍頻激光功率高，整機體積小，價格低，用途廣，適合產業化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型中的具有散熱窗口的高功率腔內倍頻半導體薄片激光器結構示意圖；
[0019]圖2為半導體薄片增益介質的外延生長結構圖；
[0020]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；
[0021]圖4為濾波裝置為40 μ m厚玻璃標準具時其對基頻激光光譜壓窄的對比圖；
[0022]圖5為獲得三倍頻激光波長的結構裝置圖。
[0023]圖中:1、抽運光源，2、準直透鏡，3、聚焦透鏡，4、半導體薄片增益介質，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，IO、非線性晶體，11、輸出倍頻激光，12、防氧化保護層，13、高勢壘載流子限制層，14、半導體量子阱層，15、量子阱勢壘層，16、布拉格反射層，17、基質層，18、全反鏡，19、非線性晶體，20、全反鏡。【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，但本實用新型不限于這些實施例。
[0025]實施例1:
[0026]如圖1所示，808nm半導體激光抽運光源I經焦距為IOmm的準直透鏡2后，由焦距與準直透鏡2相同的聚焦透鏡3聚焦在半導體薄片增益介質4上。半導體薄片增益介質的結構如圖2所示，最上部的防氧化保護層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構，其中的半導體量子阱層14是InGaAs，In含量為0.198，量子阱勢壘層15為AlGaAs，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，整個半導體薄片增益介質生長在GaAs基質17上，然后用In焊焊接在銅熱沉6上。半導體薄片增益介質上用液體毛細鍵合一塊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及半導體增益介質底部的布拉格反射鏡16 —起構成；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的未鍍膜玻璃標準具，該標準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，以獲得高的轉換效率。工作時，量子阱勢壘層15吸收抽運光I，產生光生載流子；載流子被量子阱14俘獲，在量子阱內躍遷輻射，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，產生基頻激光；基頻光通過濾波裝置9，其線寬被數倍地壓窄，再通過非線性晶體10作用，產生532nm波段倍頻激光，經由輸出耦合鏡7輸出，可獲得532nm波段的高功率倍頻綠光輸出；激光器工作中產生的熱量主要由高熱導率的散熱窗口 5帶走，余下部分由熱沉6帶走。
[0027]實施例2:
[0028]半導體激光抽運光源I為670nm ;半導體薄片增益介質中的半導體量子阱層為GaAs，量子阱勢壘層為AlGaAs，Al含量為0.2 ;布拉格反射鏡由GaAs/AlAs周期構成，其周期數為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的未鍍膜玻璃標準具；非線性晶體采用對850nm基頻光切割的10_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光輸出。
[0029]實施例3:
[0030]如圖5所示，在實施例1基礎上，輸出耦合鏡7鍍1064nm、532nm及355nm三個波段高反膜，傾斜后端鏡8使其變為折疊鏡，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。
[0031]實施例4:
[0032]如圖1所示，后端反射鏡改為針對基頻激光設計的半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorption Mirror, SESAM)，使基頻激光工作在被動鎖模狀態，可獲得皮秒量級的高功率倍頻脈沖激光輸出。
【權利要求】
1.高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，包括抽運光源(I)、準直透鏡(2)、聚焦透鏡(3)、半導體薄片增益介質(4)、散熱窗口(5)、熱沉(6)、輸出稱合鏡(7)、后端反射鏡(8)或者半導體可飽和吸收鏡、及非線性晶體(10);抽運光經準直聚焦后作用在半導體薄片增益介質(4)上，半導體薄片增益介質之上鍵合了一塊散熱窗口 ；散熱窗口之下是增益介質(4)，增益介質(4)依次包括防氧化保護層(12)、載流子限制層(13)、10-20對半導體量子阱層(14)與量子阱勢壘層(15)構成的周期諧振結構、周期諧振結構之下是布拉格反射鏡(16)和基質(17);整塊半導體薄片增益介質被焊接在熱沉(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:激光諧振腔中設置有濾波裝置(9)。
2.如權利要求1所述的高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，其特征在于:激光諧振腔還設置有反射鏡以及三倍頻非線性晶體。
3.如權利要求1所述的高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，其特征在于:抽運光源(I)是780-810nm波長的半導體激光器；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；半導體量子阱層(14)為InGaAs，其中In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，周期諧振結構中量子阱的總個數為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厚的玻璃標準具，或者是雙折射濾波片。
4.如權利要求1所述的高功率腔內倍頻半導體薄片激光器，其特征在于:抽運光源(I)是650-680nm波長的半導體激光器；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，周期諧振結構中量子阱的總個數為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厚的玻璃標準具，或者是雙折射濾波片。
【文檔編號】H01S5/024GK203503971SQ201320230506
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年5月1日 優先權日:2013年5月1日
【發明者】宋晏蓉, 張鵬, 張曉 , 于振華, 田金榮 申請人:北京工業大學