CN102324690B - 一种半导体式的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体式的固体激光器，该固体激光器包括有半导体激光芯片、激光晶体和热沉，半导体激光芯片紧贴激光晶体放置，二者通光面平行，并在通光方向上连接在一起，连接界面之间镀有增透膜；半导体激光芯片和激光晶体的一侧同时固定在热沉上并封装成半导体激光器的形式；在半导体激光器芯片和激光晶体连接位置两侧的外端面镀有高反膜，以使该半导体激光芯片和激光晶体共同构成对于半导体泵浦激光波长的谐振腔；激光晶体为波导结构，在激光器晶体的通光方向两端均镀有激光腔膜，构成能输出另一激光波长的激光谐振腔。本发明的激光器可提高光电转化效率和激光器整体性能，还可以大大减少整个激光器体积，体积最小可作到与半导体激光器一样。

Description

一种半导体式的固体激光器

技术领域

    本发明涉及激光器，特别涉及到一种半导体式的固定激光器。

背景技术

从黑白显示技术到彩色显示技术，再到目前的数字高清晰度显示技术，人类已历经三次显示技术革命。那么，谁将掀起下一次显示技术革命呢？下一代显示技术的天下可能属于正在兴起的激光显示技术。正在全球兴起的激光全色显示技术，可以显示出人眼能识别的颜色种类的90％，从而真实地再现客观世界的丰富色彩。因此，科学界认为激光全色显示技术有望带来“人类视觉史上的下一场革命”。

与等离子体、液晶等其它现有的显示技术相比，激光显示在亮度和色域方面有着无可比拟的优越性，然而激光显示器的推广和应用需要体积小，成本低的红、绿、蓝(RGB)激光器。现今市场上虽然已有小型红光和蓝光半导体激光器，但绿光半导体激光器离实际使用却还有相当大的距离。而且，由于现在单管的可见光半导体激光器功率有限，在大屏幕激光显示应用中也远远不够用。目前常用两种方法解决，一种就是多只半导体激光器拼结；另一种就是半导体二极管泵浦的固体激光器（简称DPSS）。上述两种方法均有各自的优缺点，DPSS技术可以把泵浦光高效地转换为绿光，现今常用的非线性晶体有KTP,LBO以及PPLN所用的激光晶体主要有ND:YVO4，Nd:YAG。

目前大多数的DPSS结构请参阅图1所示，该结构为目前通用腔内倍频的直腔式结构的半导体激光二极管泵浦固体激光器示意图。其中1`为半导体激光二极管，它的具体封装形式主要有TO-CAN,C-mount, Bar条等；2`为光学整形聚焦系统，它的具体形式可为一到多个透镜及整形光学元件组合，该系统的好坏往往决定了泵浦效率的大小以及泵浦模式的质量，通常来说，该系统质量越好，其价格也就越高，因此也增加了很大的成本。101为激光晶体，具体形式也有很多，如掺杂晶体与不掺杂晶体的结合体，或不同掺杂浓度的激光晶体组合等；102为倍频晶体或者更普遍的说为非线性晶体；103为激光器的输出腔镜。泵浦光从1`中发出，由于其本身发散非常大，因此通常要经过2`整形聚焦后再进入101激光晶体中，101激光晶体吸收泵浦光后，产生荧光，荧光在激光腔中振荡形成基频激光，基频激光通过102倍频，最后形成倍频光从103输出。其工作过程是：半导体激光二极管1通过光学整形聚焦系统2整形聚焦，然后泵浦到块状的激光晶体101上，激光晶体101与输出腔镜103构成激光谐振腔。倍频晶体或非线性晶体102可放在腔内，这就是腔内倍频，非线性晶体也可放在腔外，这就是腔外倍频。对于上述结构，虽然技术比较成熟，目前应用也很广泛，然而仍然存在很多不尽人意的地方，业界也一直对此进行改善，如对于低功率低成本的激光器，人们现在大都不要光学整形聚焦系统，直接用激光二极管贴面泵浦激光晶体，同时把晶体做成一体化的形式，但是正如上面所说这种方式主要适合作小功率，同时光斑质量受泵浦光斑的影响较大，激光体积仍然较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种新型的半导体式的固体激光器。本发明的固体激光器要求可以适用于低功率到高功率所有的激光器，并且要做到光斑模式好、效率高和功耗低。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种半导体式的固体激光器，其特征在于，该固体激光器包括有半导体激光芯片、激光晶体和热沉，所述的半导体激光芯片紧贴所述的激光晶体放置，二者通光面平行，并在通光方向上两者连接在一起，连接界面之间镀有增透膜；所述的半导体激光芯片和激光晶体的一侧同时固定在热沉上并封装成半导体激光器的形式；在所述的半导体激光器芯片和激光晶体连接位置两侧的外端面镀有对于半导体泵浦激光波长的高反膜，以使该半导体激光芯片和激光晶体共同构成对于半导体泵浦激光波长的谐振腔；所述激光晶体为波导结构，通光方向两端均镀有激光腔膜，构成能输出另一激光波长的激光谐振腔。

本发明的半导体式的固体激光器中，所述的半导体激光芯片和激光晶体均通过焊锡的方式固定连接在热沉上。

本发明的半导体式的固体激光器中，所述的激光晶体的输出端设有附加光学元件，该附加光学元件与激光晶体一起构成波导结构或小型块状结构，在激光晶体的输入端和附件光学元件的输出端镀有激光腔膜。

本发明的半导体式的固体激光器中，所述的附加光学元件为可将输出的激光进行倍频的非线性晶体。

本发明的半导体式的固体激光器中，所述的非线性晶体包括有KTP.BBO、LBO、LN、PPLN。

基于上述技术方案，本发明的半导体式的固体激光器与现有技术中的激光器相比具有如下技术优点：

1.在本发明的固体激光器可以适用于低功率到高功率所有的激光器，该固体激光器又包含于半导体激光器中，和现有的DPSS激光器结构上存在较大的差异，外形封装上可以做到跟半导体激光二极管完全一样，因此我们将其称之为半导体式的固体激光器。

2.本发明的半导体式的固体激光器一方面可以提高光电转化效率，同时提高激光器整体性能，而且可以大大减少整个激光器体积，体积最小可作到与半导体激光器一样。

附图说明

图1是现有技术通用的直腔式结构的半导体激光二极管泵浦固体激光器结构示意图。

图2是本发明半导体式的固体激光器中基频光的半导体式固体激光器的结构示意图。

图3是本发明半导体式的固体激光器中倍频光的半导体式固体激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的半导体式的固体激光器做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的结构特征和应用过程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明是一种半导体式的固体激光器，其结构包括有半导体激光芯片、激光晶体芯片及附加光学元件和热沉。其中，半导体激光芯片与激光晶体芯片纵向上结合在一起，半导体激光芯片发出的激光光束穿过激光晶体芯片。在两个芯片的外端面镀上相应于半导体泵浦激光波长的高反膜，使其能够形成该波长的谐振腔，激光晶体芯片对该泵浦波长的光大量吸收。同时，激光晶体芯片与附件光学元件又构成因吸收泵浦光而产生的激发波长的谐振腔，从而能够输出所需要的激光波长。

上述的半导体式的固体激光器中，激光晶体芯片被做成波导结构或微型块状结构，该波导结构主要用于保持半导体激光模式的一致性。激光晶体芯片与半导体激光芯片的输出端结合成一体，连结方式可以通过一种物理接触的方式联结在一起，两者之间保持足够高的平行度。同时通过镀增透膜的方式，使得激光晶体芯片与半导体激光芯片之间界面对半导体波长的反射率小于1%，在激光晶体芯片的另一端面可以镀上半导体波长的高反模，以增加其光反馈，共同构成半导体激光器的谐振腔，激光晶体的厚度需要选取适当的厚度，使得通过激光晶体芯片吸收后，半导体激光器的谐振腔仍然能够保持适当的阈值电流。我们通过在激光晶体芯片两端镀激光腔膜，形成输出激光器的谐振腔，激光晶体在半导体激光器腔内较均匀的吸收泵浦光，在它本身的激光谐振腔中产生所需要的基频激光。

上述的半导体式的固体激光器中，半导体激光芯片、激光晶体芯片及附加光学元件放置在同一热沉上，与热沉通过焊锡的方式进行连接，整个激光器完全封装成半导体激光器的形式。

本发明的半导体式的固体激光器中，半导体激光芯片和激光晶体芯片共同构成半导体激光谐振腔。上述结构可以将半导体激光功率的利用率提升超过95%，同时由于在波导结构以及双腔重叠的作用下，泵浦光和激光模式匹配程度要高得多，将大大改善激光器的光斑模式。

上述的半导体式的固体激光器，激光晶体芯片及附加光学元件为波导结构或小型块状结构，与半导体芯片结合成一体，共同构成半导体激光器的谐振腔。激光晶体芯片及附加光学元件两端镀膜，形成输出激光器的谐振腔。附加光学元件可为非线性晶体，通过该非线性晶体，可将输出的激光进行倍频。作为附加光学元件的非线性晶体，可以为目前常用的非线性晶体，如KTP.BBO，LBO，LN，PPLN等一系列已知或尚未知的类似晶体，主要作用就是对激光波长进行转换，最后可输出绿光、蓝光等可见光激光。

以下是采用本发明专利结构的两种具体的实施例，分别是发出基频光和倍频光，我们将结合附图分别做详细说明。

实施例1

本实施例的结构请参阅图2，由图可知，该结构是有关本发明的基频光的半导体式固体激光器。其中热沉1为半导体激光二极管芯片2的底座，它的具体封装形式主要有TO-CAN,C-mount, Bar条等。激光晶体3为波导结构，具体形式也有很多，如掺杂晶体与不掺杂晶体的结合体，或不同掺杂浓度的激光晶体组合等。半导体激光二极管芯片2与激光晶体3之间的界面镀有激光二极管输出波长的增透膜，其透射率>98%，该膜层同时对激光晶体3的发射波长高反，其反射率>99%。在激光晶体3的输出端镀有对激光二极管输出波长的高反膜，反射率>95%。对于激光晶体发射波长的反射膜，其透过率根据具体需要来定，通常选定范围在5%～20%。由于激光晶体3是波导结构，而且半导体激光二极管芯片2与激光晶体3的折射率差也相对较小，半导体激光可在半导体激光二极管芯片2与激光晶体3中保持模式变化较小，损耗也小，固体激光器在波导的激光晶体3中也能保持较好的模式振荡，这样就构成一个半导体式的固体激光器。

实施例2

实施例2的结构请参阅图3。由图可知，该结构是有关本发明的倍频光的半导体式固体激光器。其中，热沉1为半导体激光二极管芯片2的底座，它的具体封装形式主要有TO-CAN,C-mount, Bar条等。激光晶体3为波导结构，具体形式也有很多，如掺杂晶体与不掺杂晶体的结合体，或不同掺杂浓度的激光晶体组合等。标号4为一个非线性晶体，非线性晶体为波导结构，它的具体材料可以在PPLN,KTP,PPKTP,LBO,BBO中选择。半导体激光二极管芯片2与激光晶体3之间的界面镀有激光二极管输出波长的增透膜，其透射率>98%，该膜层同时对激光晶体3的发射波长高反，其反射率>99%。在激光晶体3的输出端镀有对激光二极管输出波长的高反膜，反射率>95%。在激光晶体3的输出端镀有对激光二极管输出波长的高反膜，反射率>95%。该膜层还是对倍频光的高反膜，其反射率>95%；在非线性晶体4的输出端镀有对激光晶体发射波长反射膜，其反射率>99%,该膜层还是对倍频光的增透膜，反射率<5%。由于激光晶体3、作为倍频晶体的非线性晶体4都是波导结构，而且半导体激光二极管芯片2与激光晶体3的折射率差也相对较小，因此，半导体激光可在半导体激光二极管芯片2与激光晶体3中保持模式变化较小，损耗也小，固体激光在波导的激光晶体3和非线性晶体4中也能保持较好的模式振荡。通过上述结构设计，就能够构成一个倍频光的半导体式的固体激光器。

Claims (4)

1.一种半导体式的固体激光器，其特征在于，该固体激光器包括有半导体激光芯片、激光晶体和热沉，所述的半导体激光芯片紧贴所述的激光晶体放置，二者通光面平行，并沿通光方向连接在一起，连接界面之间镀有增透膜；所述的半导体激光芯片和激光晶体的一侧同时固定在热沉上并封装成半导体激光器的形式，在所述的半导体激光器芯片和激光晶体连接位置两侧的外端面镀有对于半导体泵浦激光波长的高反膜，以使该半导体激光芯片和激光晶体共同构成对于半导体泵浦激光波长的谐振腔；所述激光晶体为波导结构，在激光器晶体的通光方向两端均镀有激光腔膜，构成能输出另一激光波长的激光谐振腔；或者所述的激光晶体的输出端设有附加光学元件，该附加光学元件与激光晶体一起构成波导结构或小型块状结构，在激光晶体的输入端和附加光学元件的输出端镀有激光腔膜。

2.根据权利要求1所述的一种半导体式的固体激光器，其特征在于，所述的半导体激光芯片和激光晶体均通过焊锡的方式固定连接在热沉上。

3.根据权利要求1所述的一种半导体式的固体激光器，其特征在于，所述的附加光学元件为可将输出的激光进行倍频的非线性晶体。

4.根据权利要求3所述的一种半导体式的固体激光器，其特征在于，所述的非线性晶体包括有KTP.BBO、LBO、LN、PPLN。