CN103326241B - 结合高反射率/有限带宽反射器的光泵浦的表面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

结合反射器的光泵浦的激光器结构，所述反射器具有高的反射率并且具有被限制到围绕中心激光辐射波长的相对窄的带的带宽。在一些情况下，所述反射器可以是3/4波长分布式布喇格（Bragg）反射器（DBRs）。

Description

结合高反射率/有限带宽反射器的光泵浦的表面发射激光器
关于联邦政府资助的研究和开发的声明
在由美国国防威胁降低局（DTRA）授予的美国军队合作协议No.W911NF-10-02-0008下，本发明在政府支持的情况下被进行。对于本发明政府具有一定权利。
发明内容
此处所公开的实施例涉及结合反射器的光泵浦的激光器结构，所述反射器具有高的反射率并且具有被限制到围绕中心激光辐射波长的相对窄的频带的反射率带宽。
一些实施例涉及激光器结构，其包括被配置为在中心激光波长发射辐射的半导体增益区域。光学泵浦源被配置为发射被指向所述增益区域的具有中心泵浦波长的泵浦辐射束。包括分布式的布喇格（Bragg）反射器（DBR）的第一反射器被布置在所述泵浦辐射束中，所述第一反射器跨越以所述中心激光波长为中心的小于大约60nm的带宽具有大于大约90%的反射率。所述第一反射器也在所述中心泵浦波长处具有小于大约50%的反射率。所述激光器结构包括第二反射器，其中所述增益区域被布置在所述第一反射器和所述第二反射器之间。
所述第一反射器可以包括多个层对，每个层对具有第一层和第二层，其中所述第一层的光学厚度是所述中心激光波长的3/4并且所述第二层的光学厚度是所述中心激光波长的3/4。在一些情况下层对的数量大于大约6。
例如，所述第一反射器可以包括非外延的介电材料的交替层或外延生长的半导体材料的交替层。
在一些实现中，所述第一反射器可以具有多个部分，所述多个部分具有不同的热导率。所述第一反射器的第一部分可以具有第一热导率并且所述第一反射器的第二部分可以具有小于所述第一热导率的第二热导率。例如，所述第一反射器的所述第一部分可以包括外延生长的半导体的交替层并且所述第二部分可以包括非外延的介电材料。
根据一些方面，所述中心泵浦辐射波长处在370nm与530nm之间并且所述中心激光波长处在大约390nm到大约550nm的范围中。所述泵浦辐射束可以以相对垂直于所述第一反射器的表面的角度入射在所述第一反射器的所述表面上。例如，在一些实现中，所述角度是大约25度到大约30度或大约35度到大约40度并且所述第一反射器在大约405nm的泵浦波长处具有小于大约25%的反射率。在一些情况下，所述泵浦辐射束以大约43度的角度入射在所述第一反射器上，并且所述第一反射器在大约445nm的泵浦波长处具有小于大约25%的反射率。
所述激光器增益区域可以包括InGaN量子阱层。所述第二反射器可以针对所述峰值泵浦波长和所述峰值激光波长两者具有大于90%的反射率。
一些实施例涉及激光器结构，所述激光器结构包括半导体增益区域，其被布置在第一反射器和第二反射器之间并且被配置为在中心激光波长发射辐射。所述半导体增益区域被泵浦源光泵浦，所述泵浦源被配置为发射被指向所述增益区域的处于中心泵浦波长的泵浦辐射束。包括分布式的布喇格（Bragg）反射器（DBR）的所述第一反射器被布置在散热器附近，所述第一反射器具有随距所述散热器的距离而变化的热导率。例如，所述第一反射器的第一部分具有第一热导率，并且所述第一反射器的第二部分具有低于所述第一部分的热导率的第二热导率，其中所述第一部分比所述第二部分更靠近所述增益区域。所述第一部分可以包括外延生长的半导体材料的交替层，并且所述第二部分可以包括非外延的介电材料的交替层。
根据一些实施例，具有第一侧和第二侧并且被配置为在中心激光波长发射辐射的半导体增益区域被布置在第一反射器和第二反射器之间。泵浦源被配置为发射被指向所述增益区域的处于中心泵浦波长的泵浦辐射束。所述第一反射器是分布式的布喇格（Bragg）反射器（DBR），其被布置在所述增益区域的第一侧附近并且在所述泵浦辐射束中。反射表面被布置在所述增益区域的第二侧附近，其中气隙在所述第二反射器和所述反射表面之间。
定位元件可以被布置以调节所述气隙的厚度。可以选择所述气隙以致所述泵浦辐射包括多个模式并且所述激光辐射仅具有单一模式。在一些情况下，所述反射表面是在其上外延地生长所述增益区域的基底残留物的表面。
一些实施例涉及操作激光器的方法，所述激光器包括被布置在第一反射器和第二反射器之间的半导体增益区域。反射表面被布置在所述增益区域附近以致所述第一和第二反射器限定主激光器共振腔并且所述反射表面和所述第二反射器限定次级光学共振腔。泵浦源被操作以光泵浦所述增益区域，所述泵浦源发射具有多个输入模式的泵浦辐射。在所述反射表面和所述第二反射器之间的气隙可以被调节，直到所述激光器输出一个或多个所选择的输出模式。在所述反射表面和所述第二反射器之间的气隙可以被调节，直到所述激光器输出少于所述多个输入模式的多个输出模式。例如，所述气隙可以被调节以致所述输出模式的数量仅是一。
附图说明
图1是结合高反射率/有限带宽(HR/BL)分布式布喇格（Bragg）反射器（DBR）的光泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的图；
图2示出了用于VCSEL装置的配置，其中所述泵浦源和所述半导体结构被布置以致所述泵浦辐射束以角度θ≠0入射到所述半导体结构上；
图3是结合HR/BL DBR的光泵浦的垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）的图；
图4显示了针对包括被沉积在GaN上的8对SiO2/TiO2并具有为460nm的中心波长设计的3/4波长层厚度的HR/BL DBR而言的反射率和透射率相对于入射辐射波长的模拟图；
图5显示了针对所述3/4波长的HR/BL DBR而言的反射率和透射率的角谱的模拟图，所述3/4波长的HR/BL DBR具有针对405nm的泵浦波长而言的SiO2/TiO2层（如结合图4所描述的）；
图6显示了针对所述3/4波长的HR/BL DBR而言的反射率和透射率的模拟图，所述3/4波长的HR/BL DBR具有针对445nm的泵浦波长而言的SiO2/TiO2层（如结合图4所描述的）；
图7将预测的反射率与各种实验性的结构的测量的反射率相比较；
图8是包括在所述增益区域和反射器之间的小的气隙的VECSEL的图；
图9显示了由类似于在图2中所显示的VCSEL的第一实验性激光器结构产生的激光谱激光；
图10显示了所述第一实验性激光器结构的VCSEL的输出功率；
图11展示了由类似于在图8中所显示的VECSEL（其包括气隙）的第二实验性激光器结构产生的激光；
图12显示了包括可移动的外镜、气隙、薄的GaN残留物和外延侧DBR的系统的共振腔模式的模拟；以及
图13描绘了包括被沉积在增益区域的任一侧上的第一和第二反射器的VCSEL，其中所述第一反射器具有第一部分和第二部分，并且所述第一部分的热导率不同于所述第二部分的热导率。
具体实施方式
由于其高质量的光谱和空间光学激光特性，垂直腔表面发射激光器（VCSELs）和垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）（被共同地表示为V（E）CSELs）是所关心的。在针对紫外线（UV）、蓝色和绿色发射的III-氮化物材料系统内实现V（E）CSELs是具有挑战性的。此处所讨论的实施例涉及基于III-氮化物材料的用于形成在近UV到蓝色光谱区域中发射的紧凑的和低成本的V（E）CSEL系统的配置。在一些情况下，所述V（E）CSEL系统可以包括倍频元件以获得降至UV-C范围的波长。
下面讨论的实施例涉及被集成到光泵浦的激光器系统中的新颖的分布式布喇格（Bragg）反射器（DBRs）。此处所讨论的DBRs可以被用于任何类型的半导体激光器，例如，边缘发射器或表面发射器，它们是特别有用的VCSEL或VECSEL设计。此处所讨论的DBR设计为期望的V（E）CSEL激光波长提供了高的反射率并且为紧凑的和低成本的半导体泵浦源提供了高的透明性。一些设计涉及具有高的反射率和有限的反射率带宽的DBRs。例如，下面所讨论的一些DBRs在中心激光波长处的小于大约60nm的反射率带宽中具有大于90%的反射率。这些DBRs在所述泵浦辐射的中心波长处具有大于大约50%的透射率。在一些情况下，使用显著地减小所述DBR的反射率带宽的3/4波长厚的DBR层来制造具有局限于激光波长附近的反射率带宽的高反射率DBRs，允许自由地选择泵浦源。高反射率/有限带宽的（HR/BL）DBR的使用可能是有帮助的，因为这些DBRs允许商业上可获得的高功率半导体泵浦源（其具有设置的发射波长）被结合进光泵浦的激光器系统中。
通常，表面发射激光器的短增益媒介需要高质量镜。用于这样的装置的DBRs能够在激光波长处具有大于90%或大于95%或者甚至大于99%的反射率。V（E）CSELs的光泵浦虑及在DBR材料方面的增加的灵活性，因为所述DBR不需要是导电的并且可以使用介电的DBRs。此外，光泵浦能够促进吸收所述泵浦辐射以及主要在所述增益区域中产生电子和空穴对，例如，量子阱，其降低了用于产生激光的阈值条件。
为了在紧凑的和低价的系统中实现光泵浦的V（E）CSELs，所述泵浦源的选择是所关心的。基于在405nm和445nm的波长区段中的GaN基的半导体激光器，高光学输出功率（例如，高达1瓦特）光学泵浦源是当前商业上可获得的。然而，用相对少的材料层提供高的反射率的介电的1/4波长DBRs对于使用这些泵浦源的V（E）CSELs而言是非最优的，因为所述1/4波长DBRs具有相对宽的反射率带宽，并且因此在405nm和445nm波长处是反射的。
尽管通常可应用于基于各种材料系统的激光器，下面所讨论的实例涉及针对基于在紫外线（UV）、蓝色和绿色波长发射的III-氮化物材料系统的V（E）CSELs的DBRs的设计。所提出的DBRs为期望的V（E）CSEL激光波长提供了充足的反射率并且为所述泵浦源提供了充足的透明度。能够使用各种材料和层厚来获得结合用于所述泵浦辐射波长的充足的透射率的高反射率（例如，大于95%的反射率）和在所述激光波长处的有限的反射率带宽的限制。在一个实现中，能够使用显著地减小DBR的反射率带宽并且允许泵浦配置的自由设计的3/4波长厚的材料层来制造高反射率/有限带宽（HR/BL）DBR。对于3/4波长DBR而言，第i个DBR层的厚度由如下方程式给出：
ti=3λl/4n(λl) [1]
其中，λl是该激光辐射的中心（峰值）波长并且n(λl)是该层材料在所述激光辐射的波长处的折射率。
在一些实现中，用于所述DBR层的材料是具有相对高的折射率反差的介电材料组合物，诸如SiO2和TiO2。这些高折射率反差材料的使用意味着能够采用相对少的层来获得高的反射率。使用具有更低的折射率反差的材料也是可能的，尽管会需要更多的层以被用于获得高的反射率。所述DBR层的材料可以包括可被外延地生长或非外延地沉积的介电材料和/或半导体材料。
图1是结合HR/BL DBR的光泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的图。此处所讨论的VCSEL和VECSEL装置能够被操作为连续波（cw）激光器。图1的VCSEL包括光泵浦源、第一反射器（其是所述HR/BL DBR）、第二反射器和半导体增益区域。如在图1中所指示的，所述激光光学共振腔由所述第一和第二反射器界定。所述增益区域可以包括若干量子阱（QW）结构，并且每个QW结构可以包括一个或多个量子阱。可以通过在基底（其随后被变薄以留下基底残留物140）上外延地生长所述增益区域的半导体层来制造所述增益区域。在一些情况下，所述增益区域可以包括10周期的InGaN双QWs，其通过金属有机汽相外延而被沉积在GaN基底上。能够以谐振周期增益方案来布置所述双QWs，以便所述QWs的位置与所述激光模式的电场图案对齐。所述第一反射器（HR/BLDBR）被沉积在所述增益区域上。所述GaN基底被变薄并且所述第二反射器被直接沉积在所述增益区域的背侧上。
例如，所述增益区域可以包括多个量子阱结构，诸如基于InGaN的大约10周期的双量子阱结构，被生长在基底上。每个量子阱结构可以按次序地包括下列层：InGaN预应变层（In0.03Ga0.97N,35.3nm厚）、第一薄垫片（GaN，5nm厚）、第一量子阱、（In0.18Ga0.82N,3nm厚）、第二薄垫片（GaN，5nm厚）、第二量子阱、（In0.18Ga0.82N,3nm厚）、厚垫片（GaN，21.7nm厚）以及载波限制和应变管理层（Al0.2Ga0.8N，20nm厚）。在共同拥有的美国专利申请S/N13/427,105（其通过引用的方式被整体并入此处）中公开了能够与此处所讨论的方法相结合而被使用的附加的结构和方法。
所述泵浦辐射110穿过所述第一反射器和所述增益区域，在所述增益区域的量子阱中或所述增益区域的量子阱附近生成电子-空穴对。所述电子空穴对扩散至所述量子阱并且重新组合以产生激光辐射。所述激光辐射在激光光学共振腔内被所述第一和第二反射器反射，产生提供谐振周期增益的驻波。由箭头130指示，具有充足能量的激光辐射穿过所述第二反射器。一些实现包括可选择的变频器，诸如在所述激光辐射的谐频或在所述激光辐射的和频或差频产生辐射的非线性光学晶体。使用所述变频器，可以获得在深UV频谱（例如小于280nm）中的激光输出。图1中所显示的可选择的变频器可以被可选择地用于此处所描述的所有实施例。当所述变频器（例如非线性晶体）被置于VECSEL的共振腔内时，如在图3中所显示的，倍频能够更有效率。
在一些实施例中，所述泵浦源是在370-530nm的范围中发射的氮化镓（GaN）基激光二极管（或者，可替代地，多个激光二极管）。例如，商业上可获得的为蓝光数字播放器或投影器显示器设计的激光器装置在405nm或445nm处发射。这些装置是当前可获得的并且可以被用作针对GaN基V（E）CSELs的泵浦源。这些泵浦源的输出功率可以在0.5-10瓦特的范围中。如在图1中所显示的，泵浦源光学器件可以被配置为提供将泵浦辐射聚焦至50-200μm直径的泵浦线束光斑大小的一个或多个透镜的聚焦系统，实现大于50kW/cm2的功率密度。所述增益区域以期望的波长（例如在420nm-550nm的范围中）输出辐射束。
在操作期间，所述增益区域可以变热。为了减少归因于发热的性能退化或者甚至对所述装置的损害的可能性，所述装置可以被安装在散热器上，其中所述第一反射器靠近所述散热器。例如，所述散热器可以由铜或其他导热材料（诸如金刚石）组成。可以靠近所述第二反射器布置可选择的第二散热器。如在图1中所显示的，所述散热器具有开口以允许所述泵浦辐射进入所述第一反射器和所述增益区域。或者可替代地，在在其中所述散热器（例如透明的金刚石）对于所述泵浦波长可选地是透明的情况下不需要所述散热器中的开口。如果靠近所述第二反射器使用第二散热器，则所述第二散热器也具有开口以允许发射所述激光辐射130。在一些配置中，这些开口是互相对中的。如在图1中所示出的，在一些情况下，所述泵浦辐射束垂直于所述第一反射器的表面入射到所述第一反射器上。在此配置中，所述泵浦源和半导体增益区域可以是同轴对齐的，使得能够线性排列所述结构的所有光学部件，如在图1中所示出的。
图2示出了用于VCSEL装置的另一配置，其中所述泵浦源和增益区域被布置为使得所述泵浦源辐射110和从所述增益区域输出的辐射130是不同轴的。在此布置中，所述泵浦辐射束以θ≠0的角度入射到所述半导体结构上。对于给定的波长改变所述泵浦辐射束的入射角度将改变所述第一反射器的透射率/反射率特性，如下面更详细地讨论的。
图3描绘了用于激光器结构的又另一可能的配置。在此实例中，所述激光器被布置为VECSEL。图3中所显示的实现在一些方面与图2中所显示的VCSEL配置相似，除了所述VECSEL包括与所述增益区域分离的所述第二反射器（即，外部外耦合镜）的外腔301。所述外镜可以具有弯曲的表面以适于所述激光模式的高斯（Gaussian）光束剖面。长腔（例如50-200mm）允许插入附加的光学部件（像非线性晶体），用于二次谐波产生或双折射滤波器，以微调激光发射波长。在一些实现中，可以保留在其上生长所述增益区域的VECSEL基底，以为所述VECSEL提供结构支撑。所述基底可以具有足以有助于所述装置的处理的厚度或者例如大约100μm的厚度。在这些实现中，所述基底材料将是大带隙材料（例如，诸如GaN）或对所述泵浦辐射和所述激光辐射两者具有高的透明性的其他材料。在图3中所显示的配置中，所述散热器不需要孔，因为从所述增益区域的相对侧泵浦所述装置。
如先前所提及的，图1-4中的第一反射器包括可以使用各种材料和层厚度而被制造的HR/BLDBR。所述DBR层的材料可以包括可被外延地生长或非外延地沉积的介电材料和/或半导体材料。在一些情况下，所述HR/BLDBR可以包括许多层对，其中每个层具有如上面在方程式1中提出的厚度。在所述HR/BLDBR中使用的层对的数量取决于所述层的材料，然而，对于高折射率材料而言，可以使用少至7个层对。
图4显示了针对包括8对被沉积在GaN上的SiO2/TiO2并且具有为460nm的中心波长设计的层厚度的HR/BLDBR而言的相对于入射辐射波长的反射率410和透射率420的模拟图。在此实例中，假定分别针对SiO2和TiO2，n（λl）=1.46和2.2，每个SiO2层具有tSiO2=3×460nm/4×1.46=236.30nm的厚度并且每个TiO2层具有tTiO2=3×460nm/4×2.48=139.11nm的厚度。如能够从图4所看出的，与针对1/4波长SiO2/TiO2DBR的大约150nm相比，在大约55nm的相当窄的带宽的情况下能够实现高的反射率（>99%）。此外，可以从图4观察到的是：此高的反射率带宽的波长外侧，例如波长从大约400nm到大约437nm，具有大于大约50%的透射率。若干波长带宽具有大于90%的透射率。例如，在垂直入射时，大约435nm、423nm以及405-410nm之间的泵浦辐射波长显现大于大约90%的透射率。
如先前所提及的，高功率InGaN激光二极管的两个波长（405nm和445nm）是商业上可获得的，具有高达1瓦特的光输出功率。下面提供的一些实例提供了可应用于这些潜在的泵浦辐射波长的配置，尽管此处所描述的方法的实现不限于这些特定的泵浦辐射波长。
图5显示了针对具有用于405nm波长的SiO2/TiO2层（如结合图4而被描述的）的3/4波长HR/BL DBR而言的反射率510和透射率520的角谱的模拟图。可以从图5看到的是：针对0-12度、29度以及40度的角度而言，所述DBR提供了高的透射率，使得这些角度特别地适合于泵浦。图6显示了针对具有用于445nm的波长的SiO2/TiO2层（如结合图4而被描述的）的3/4波长HR/BL DBR而言的反射率610和透射率620的模拟图。所述3/4波长HR/BL DBR的角谱展示了：在43度的角度下的泵浦在445nm处提供了高的透射率。
用实验性的结构证实所模拟的结果。四分之三波长HR/BL DBRs被制造为具有大约460nm-470nm的目标波长。这些实验性的结构包括具有被沉积在石英和BK7上的四层对的SiO2/TiO2的3/4波长DBRs。如可以在图7中看到的，所述实验性的结构的结果与理论预测良好地匹配。在图7中，线710显示了所预测的反射率结果，线720显示了来自被沉积在石英上的第一个4层对DBR的实验性的反射率结果，线730显示了来自被沉积在石英上的第二个4层对DBR的实验性的反射率结果，以及线740显示了来自被沉积在BK7上的第二个4层对DBR的实验性的反射率结果。
在一些配置中，如在图8中所示出的，VECSEL结构的所述第二反射器和所述增益区域之间的小的气隙可以被用于提高泵浦源的光谱质量。图8的VECSEL包括第一反射器。通常，所述第一反射器可以包括任何类型的反射器。在一些实现中，所述第一反射器是具有以激光辐射波长λlase为中心的相对窄的反射率带宽的HR/BL DBR。所述HR/BL DBR的所述窄的反射率带宽不会显著地反射在泵浦波长λpump处的辐射，允许所述装置被所述泵浦源光泵浦。所述HR/BL DBR的相对窄的反射率（R）带宽允许所述泵浦辐射穿过所述第一反射器并进入所述增益区域，而在所述增益区域中产生的激光辐射被反射回所述激光光学共振腔。例如，在使用HR/BL DBR第一反射器的实施例中，所述第一反射器可以包括8对具有针对所述SiO2层而言的236.30nm的层厚度以及针对所述TiO2层而言的139.11nm的层厚度的SiO2/TiO2。
在一些实现中，所述第二反射器可以在泵浦辐射波长λpump和激光辐射波长λlase两者的高反射率的情况下具有相对宽的反射率带宽。例如，所述第二反射器可以包括具有6.5层对的SiO2/TiO2的1/4波长DBR，其中所述SiO2层具有1.47的折射率nSiO2以及78nm的厚度并且所述TiO2层具有2.2的折射率nTiO2以及大约52nm的厚度。在以460nm的波长为中心的大约150nm带宽中，此DBR具有大于大约99%的反射率。
在谐振器激光光学共振腔中提供小的气隙830可以用多模式泵浦辐射产生所述VECSEL的单一模式发射。此实施例提供了用于提高泵浦源的光谱质量的可行的方法。被布置在所述第二反射器和所述增益区域之间的所述气隙830在所述激光光学共振腔中在气隙839和所述增益区域之间的界面处产生第三反射表面835。所述反射表面835和所述第二反射器限定具有比所述激光光学共振腔更短的光学长度的次级光学共振腔。所述次级光学共振腔和所述（主）激光光学共振腔形成耦合的谐振器。所述主光学共振腔和次级光学共振腔之间的耦合导致比其他更优选的某些输出模式。如果优选的模式与增益频谱重叠，则单一模式操作变为可能（例如，参见下面在图12中所显示的模拟）。在一些实施例中，所述反射表面835和所述第二反射器之间的间距可以被调整，直到所述装置输出具有比所述泵浦源的输入模式更少的输出模式的激光辐射。
在一些实现中，所述气隙可以被动态地调整以提供一个或多个选择的输出模式，例如单一的主输出模式。所述增益区域和/或所述第二反射器可以具有电极840，所述电极840被布置在其彼此面对的内部表面上，具有在所述电极840之间的可弹性变形的垫片850。控制系统可以向电极840提供信号836以引起内侧的反射表面835和所述第二反射器之间的距离的改变，诸如静电地、电磁地或压电地改变它们之间的区域的形状。所述气隙间距或形成所述气隙的反射表面之间的距离可以具有宽范围的值，例如大约一微米到数十毫米左右。更大的气隙允许将附加的光学部件插入到所述气隙中。例如，用于生成二次谐波的非线性晶体或用以微调激光发射波长的双折射滤波器可以被插入到所述气隙中。
图9显示了由与图2中所显示的VCSEL相似的不包括气隙的第一实验性的激光器结构产生的激光光谱激光。在所述第一实验性的结构中，所述增益区域（被布置在谐振周期增益（RPG）结构中的10个周期的InGaN双量子阱）被生长在大块GaN基底上。1/4波长SiO2/TiO2DBR（第一反射器）被沉积在所述增益区域上。通过抛光至小于100μm的厚度，所述GaN基底被变薄。包括1/4波长SiO2/TiO2DBR的所述第二反射器被沉积在所述基底的抛光的背面上。图11展示了由与图8中所显示的VECSEL相似的包括在所述增益区域和所述第二反射器之间的大约10μm的气隙830的第二实验性的激光器结构产生的激光。如先前所提及的，其他气隙厚度可以被用于获得相似的结果。针对所述第二实验性的结构而言，所述两个反射器是1/4波长SiO2/TiO2DBRs。用在384nm发射的脉冲的染料激光以大约40度的入射角操作和泵浦两个实验性的结构。
在第一和第二实验性的装置两者中，增益片的材料质量由结构和光学特性方法确定。高分辨率X射线衍射测量结合透射电子显微镜术探查被用于确定针对结构特性的最优参数。所述生长过程被控制以产生尖锐的层界面并且避免扩展缺陷（像V缺陷）的发展。针对来自原子力显微镜（AFM）的2μm×2μm扫描，所述增益区域的外延表面的均方根（rms）表面粗糙度被确定为0.15nm。所述样本的内量子效率（IQE）由与温度相关的光致发光测量值确定。所述激光样本的IQE超过50%。
图9显示了所述第一实验性的结构的激光发射频谱，其中所述发射具有453.7nm的中心波长910。多个纵模920、921是清晰可见的。所述激光模式的线宽小于0.1nm。各个激光模式之间的模间距与谐振器（光学共振腔）长度相关，在此情况下其由所述变薄的GaN基底和所述外延层的厚度组成。所述厚度被确定为是大约73μm。
图10显示了在室温下所述VCSEL（第一实验性的结构）的输出功率对所述染料激光器的峰值泵浦功率。通过测量入射在所述样本上的平均泵浦功率并考虑所述泵浦激光的脉冲宽度和重复频率来确定所述峰值泵浦功率。所述阈值泵浦功率可以被确定为大约0.75W。针对所估计的大约30μm的泵浦光斑直径，所述阈值泵浦功率是大约100kW/cm2。
图11显示了具有在GaN片和DBR镜之间的气隙的VECSEL（第二实验性的结构）的激光频谱。如从图10显而易见的，所述激光发射的光学特性显著地改变。鉴于为没有气隙的第一实验性的激光器结构记录了多个纵模，具有气隙的第二实验性的激光器结构的频谱显示了单一的主纵模1100。此外，激光波长已经偏移到440nm。可以通过考虑半导体和空气之间的附加的界面835来阐释两个特征。
图12显示了包括可移动外镜、气隙、变薄的GaN残留物和外延侧DBR的系统的共振腔模式1210的模拟。激光波长1220与这些模式中的一个相一致。为了比较，也显示了在与用于激光操作相同的激发条件下的没有第二DBR的样本的光致发光频谱1230。如在图12中显而易见的，所述共振腔确定激光波长，其不是必需与所述QWs的峰值光致发光发射波长相一致。
入射泵浦光子具有比激光光子更高的能量并且泵浦-激光光子能量差被表示为量子数亏损。从装置激活区，所述泵浦-激光光子能量差作为热量被耗散。此外，从非理想的材料质量以无辐射重组的形式产生发热。介电反射器可以使用高折射率反差材料，其用相对少的层提供非常好的反射率。然而，电介质会显现相对低的热导率，并且当被布置在所述增益区域和所述散热器之间时，由这些介电材料制成的反射器可能阻碍热量从所述增益区域转移到所述散热器。在一些实施例中，激光器结构可以包括具有关于距所述增益区域的距离而变化的热导率的反射器。例如，所述反射器的热导率可以具有关于距离而变化的热导率。例如，在所述反射器的第一区域中的热导率k1可以不同于在所述反射器的第二区域中的热导率k2。这样的反射器可以更好地适合于实现双重设计约束：可接受的高反射率（可以使用高折射率反差电介质实现所述可接受的高反射率）和可接受的高热导率（可以使用具有比介电材料的热导率更高的热导率的半导体材料实现所述可接受的高热导率）。
图13描绘了包括被布置在增益区域的任何一侧上的第一和第二反射器的VCSEL。在此实例中，所述第一反射器靠近散热器并且包括第一和第二部分（在图13中分别被表示为部分1和部分2）。所述第一部分具有不同于所述第二部分的热导率的热导率。
在一些实现中，所述第一部分可以由具有相对更高的热导率的半导体材料制成。例如，所述第一反射器的所述第一部分可以包括在所述增益区域上被外延地生长的半导体材料。所述第二部分可以由具有比所述半导体材料相对更低的热导率的介电材料制成。例如通过溅射或蒸发工艺，所述第一反射器的所述第二部分可以被沉积在所述第一反射器的所述第一部分上。
在一些情况下，所述第一部分可以是外延地生长的半导体DBR部分，包括许多GaN/AlGaN（热导率大约ksemi=1.3W/cm-K）的层对，或其他适合的半导体材料。所述第二部分可以是非外延的、介电的DBR部分，例如，包括SiO2/TiO2（热导率大约kdiel=0.04W/cm-K）的层对。例如在一些实现中，所述第一部分可以包括GaN/Al0.2Ga0.8N的10.5个层对，其中所述GaN层具有大约46.8nm的厚度并且所述AlGaN层具有大约48.8nm的厚度。所述第二部分可以包括SiO2/TiO2的4个层对，其中所述SiO2层具有大约78.8nm的厚度并且所述TiO2层具有大约53.2nm的厚度。
如果较高热导率材料（例如半导体）与较低导电率材料（例如电介质）结合使用，则所述介电部分的总的厚度将降低该装置的总体耐热性。在一些实施例中，所述第一部分或所述第二部分的一个或两个可以是HR/BLDBR。所述HR/BLDBR的第一部分可以由1/4波长GaN/AlGaN对形成并且所述HR/BLDBR的第二部分可以由3/4波长SiO2/TiO2层对形成。
在所描述的实现的各个方面中提供了许多值和范围。这些值和范围将仅被视为实例，并且不是意在限制权利要求的范围。例如，可以遍及所公开的数值范围实践在本公开中描述的实施例。此外，许多材料被确认为适合于所述实现的各个方面。这些材料将被视为示例性的，并且不是意在限制权利要求的范围。
为了例示和说明以及非限制的目的，已经呈现了各个实施例的前述说明。所公开的实施例不是意在是穷尽的或将可能的实现限制到所公开的实施例。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (25)

1.一种激光器结构，包括：
半导体增益区域，所述半导体增益区域被配置为以中心激光波长发射辐射；
泵浦源，所述泵浦源被配置为以中心泵浦波长发射被指向所述增益区域的泵浦辐射束；
第一反射器，所述第一反射器包括被布置在所述泵浦辐射束中的分布式布喇格反射器(DBR)，所述第一反射器跨越以所述中心激光波长为中心的小于60nm的带宽具有大于90％的反射率，所述第一反射器也在所述中心泵浦波长处具有小于50％的反射率；
第二反射器，其中，所述增益区域被布置在所述第一反射器和所述第二反射器之间，
其中，气隙被布置在所述第二反射器和所述增益区域之间。
2.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述第一反射器包括多个层对，每个层对包括第一层和第二层，其中所述第一层的光学厚度是所述中心激光波长的3/4，并且所述第二层的光学厚度是所述中心激光波长的3/4。
3.根据权利要求2所述的激光器结构，其中，层对的数量大于6。
4.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述第一反射器包括非外延的介电材料的交替层。
5.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述第一反射器包括外延生长的半导体材料的交替层。
6.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述第一反射器包括：
第一部分，所述第一部分具有第一热导率；以及
第二部分，所述第二部分具有小于所述第一热导率的第二热导率。
7.根据权利要求6所述的激光器结构，其中：
所述第一部分包括外延生长的半导体材料的交替层；以及
所述第二部分包括非外延的介电材料的交替层。
8.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述中心泵浦波长处于370nm和530nm之间并且所述中心激光波长处于390nm到550nm的范围中。
9.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述泵浦辐射束以相对于垂直于所述第一反射器的表面的角度入射在所述第一反射器的所述表面上。
10.根据权利要求9所述的激光器结构，其中，所述角度是25度到30度或者35度到40度并且所述第一反射器在405nm的泵浦波长处具有小于25％的反射率。
11.根据权利要求9所述的激光器结构，其中，所述泵浦辐射束以43度的角度入射在所述第一反射器上，并且所述第一反射器在445nm的泵浦波长处具有小于25％的反射率。
12.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述第二反射器针对所述中心泵浦波长和所述中心激光波长两者具有大于90％的反射率。
13.根据权利要求1所述的激光器结构，其中，所述激光器增益区域包括InGaN量子阱层。
14.一种激光器结构，包括：
半导体增益区域，所述半导体增益区域被配置为以中心激光波长发射辐射；
泵浦源，所述泵浦源被配置为以中心泵浦波长发射被指向所述增益区域的泵浦辐射束；
散热器；
第一反射器，所述第一反射器包括被布置在所述散热器附近的分布式布喇格反射器(DBR)，所述第一反射器具有随距所述散热器的距离而变化的热导率；
第二反射器，其中，所述增益区域被布置在所述第一反射器和所述第二反射器之间，
其中，气隙被布置在所述第二反射器和所述增益区域之间。
15.根据权利要求14所述的激光器结构，其中，所述第一反射器的第一部分具有第一热导率，并且所述第一反射器的第二部分具有低于所述第一部分的热导率的第二热导率，其中所述第一部分比所述第二部分更靠近所述增益区域。
16.根据权利要求15所述的激光器结构，其中：
所述第一部分包括外延生长的半导体材料的交替层；以及
所述第二部分包括非外延的介电材料的交替层。
17.一种半导体激光器结构，包括：
半导体增益区域，所述半导体增益区域具有第一侧和第二侧并且被配置为以中心激光波长发射辐射；
泵浦源，所述泵浦源被配置为以中心泵浦波长发射被指向所述增益区域的泵浦辐射束；
第一反射器，所述第一反射器包括被布置在所述增益区域的所述第一侧附近并且在所述泵浦辐射束中的分布式布喇格反射器(DBR)；
反射表面，所述反射表面被布置在所述增益区域的所述第二侧附近；
第二反射器；以及
气隙，所述气隙在所述第二反射器和所述反射表面之间。
18.根据权利要求17所述的半导体激光器结构，其中：
所述第一反射器跨越以所述中心激光波长为中心的小于60nm的带宽具有大于90％的反射率，所述第一反射器也在所述中心泵浦波长处具有小于50％的反射率。
19.根据权利要求17所述的激光器结构，进一步包括定位元件，所述定位元件被配置为调节所述气隙的厚度。
20.根据权利要求17所述的激光器结构，其中，所述泵浦辐射束包括多个模式并且所述激光辐射包括单一模式。
21.根据权利要求17所述的激光器结构，其中，所述反射表面是在其上外延地生长所述增益区域的基底残留物的表面。
22.根据权利要求17所述的激光器结构，其中，所述第二反射器被布置在对在所述中心激光波长处的辐射实质上透明的基底上。
23.一种用于提高泵浦源的光谱质量的方法，包括：
操作激光器，所述激光器包括被配置为以中心激光波长发射辐射的半导体增益区域、被布置在所述增益区域附近的第一和第二反射器以及反射表面，所述第一和第二反射器限定主激光共振腔并且所述反射表面和所述第二反射器限定次级光学共振腔；
操作泵浦源，所述泵浦源被配置为发射具有多个输入模式的泵浦辐射，所述泵浦辐射被指向所述半导体增益区域并且在所述半导体增益区域中被至少部分地吸收；以及
调节在所述反射表面和所述第二反射器之间的气隙，直到所述激光器输出少于所述多个输入模式的多个输出模式。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述输出模式的数量仅是一。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，调节所述气隙包括：增加或减少次级共振腔的长度，直到所述激光器输出一个或多个选择的输出模式。
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