CN103337787A - 太阳光泵浦半导体纳米线激光器 - Google Patents

Abstract

太阳光泵浦半导体纳米线激光器，包括光学汇聚系统、反射透射镜组和半导体纳米线激光器件，所述光学汇聚系统由第一三维抛物面反射镜、第二三维抛物面反射镜和二维抛物面反射镜组成；所述第一三维抛物面反射镜和第二三维抛物面反射镜反射面开口相对且焦点重合，第一三维抛物面反射镜顶点处有通光孔；所述二维抛物面反射镜位于第一三维抛物面反射镜背光面,反射面开口朝向所述通光孔，所述半导体纳米线激光器件的半导体纳米线位于二维抛物面反射镜的焦线上。本发明打破了必须用高能激光器去泵浦纳米激光器的传统，收集方便，应用广泛。该纳米激光器可以与各类光波导器件很好的兼容，对卫星状态控制、光电子集成、传感等方面有重要意义。

Description

太阳光泵浦半导体纳米线激光器

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种太阳光泵浦半导体纳米线激光器。

背景技术

近年来，一些新的纳米技术把微型激光器提高到一个新的领域，纳米激光领域是半导体激光器与纳米技术的有效结合，纳米激光器在诸多领域，包括电子通信、信息存储、生物传感器、纳米光刻等方面都有很强的应用价值，并不断影响和改变着我们的生活。 

传统的基于硫化镉、氧化锌等材料的半导体纳米激光器的研究引起科学家广泛关注，通过引入半导体纳米线或纳米阵列来制作纳米尺度的激光器，其中半导体纳米线既是光增益介质，又作为光学谐振腔。这种微型纳米激光器一般采用现有激光光束或者直流电激励，虽然有一定的波长输出，也造成系统能量利用率低的问题，经济效益较低，应用方面有很大限制。  

在可能利用的自然能源中,太阳能是洁净可再生能源, 开发利用太阳能具有广阔的前景。地面上垂直太阳测量功率密度为 800W/m^2，可见光占45%，其黑体辐射度平均约1600W*m^-2*um^-1。若取可见光附近300nm宽光谱宽度，其平均功率密度约 480W/m^2。聚焦系统效率按 40%计算，要达到100MW/m^2硫化镉半导体材料功率密度阈值要求， 1m^2阳光收集面积聚焦后面积只需要小于 1.92mm^2 即可。太阳光直接泵浦的激光器是直接将太阳光转化为激光的装置,其最大特点是直接利用太阳光,实现太阳光到激光的转换，无需进行中间的光电转换, 具有效率高、结构简单、性能稳定以及无污染等优点。在空间应用的激光器中,太阳光直接抽运的激光器作为能量转换环节最少的激光器 ,在空间激光通信、光电对抗、空间能量传输等方面具有巨大的应用前景。 

公开号为 CN 101142724 A 公开了一种太阳光激励激光器及太阳光激励激光器的冷却方法。 其特征在于利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器，结构包括激光媒体、容器装置、冷却液体、一对光反射元件。其中容器装置用于支持激光媒体，里面的聚焦光学元件可以沿激光媒体辐照被聚焦的太阳光；冷却液体包含作为光媒体功能的水，可以在清洁聚焦光学元件的同时形成水透镜。该激光器提出了聚焦太阳光的方法，及聚焦后高能光束的热处理问题。但发明专利未披露采用纳米线及纳米材料作为激光激发媒体的技术方案，采用各种掺杂硅晶体作为激发媒体，设备笨重昂贵，而且由于质量偏大不利于空间运用。而且采用水冷方式难以应用到纳米激光器上来，而且由于激光材料吸收多个波长光束，不经滤波或者其他方法全波长光束聚焦后会形成高能光斑，容易烧蚀激光器。

发明内容

为克服传统太阳能激光器设备笨重，成本高昂的技术缺陷，本发明公开了一种太阳光泵浦半导体纳米线激光器。

本发明太阳光泵浦半导体纳米线激光器，包括光学汇聚系统、反射透射镜组和半导体纳米线激光器件，其特征在于，所述光学汇聚系统由第一三维抛物面反射镜、第二三维抛物面反射镜和二维抛物面反射镜组成；所述第一三维抛物面反射镜和第二三维抛物面反射镜反射面开口相对且焦点和主光轴均重合，第一三维抛物面反射镜开口直径大于第二三维抛物面反射镜，第一三维抛物面反射镜镜面顶点处有通光孔；所述二维抛物面反射镜位于第一三维抛物面反射镜背光面, 主光轴与第二三维抛物面反射镜主光轴平行或重合，反射面开口朝向所述通光孔，所述半导体纳米线激光器件的半导体纳米线位于二维抛物面反射镜的焦线上。

优选的，所述二维抛物面反射镜的反射面开口处还有滤光片。

优选的，所述反射透射镜组包括全反射镜和出射镜；全反射镜和出射镜分别位于半导体纳米线两端，镜面平行且均为平面，半导体纳米线轴线所处直线垂直于全反射镜和出射镜镜面且穿过镜面中点；所述全反射镜的反射面朝向半导体纳米线，所述出射镜为具备反射功能的透镜。

进一步的，所述出射镜镀有透射膜，所述透射膜的透射光频带和全反射镜反射膜的反射光频带相同或至少部分重合。

优选的，所述半导体纳米线截面为圆形。

优选的，所述半导体纳米线距离第一三维抛物面反射镜顶点距离为1至4cm。

优选的，所述通光孔的投影面积小于第二三维抛物面反射镜反射面开口投影面积。

优选的，所述半导体纳米线激光器件包括基片和位于基片上的绝缘介质层，所述半导体纳米线平放在所述绝缘介质层表面。

优选的，所述半导体纳米线材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。

本发明提出了一种用太阳光泵浦半导体纳米线激光器。通过合理设计收集太阳光的装置，将聚焦后的太阳光直接照射到纳米激光器上，达到激光材料阈值后即可产生激光。这种方法打破了必须用高能激光器去泵浦纳米激光器的传统，引入绿色光源太阳光，收集方便，应用广泛。该纳米激光器可以与各类光波导器件很好的兼容，对卫星状态控制、光电子集成、传感等方面有重要意义。

附图说明

图1示出本发明所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器的一种具体实施方式示意图；

图2示出图1中半导体纳米线激光器件及反射透射镜组的结构放大示意图；

各图中附图标记名称为：1-太阳光 2-第一三维抛物面反射镜 3-第二三维抛物面反射镜 4-滤光片 5-二维抛物面反射镜6-半导体纳米线 7-绝缘介质层 8-基体 9-出射镜 10-全反射镜 11-通光孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，包括光学汇聚系统、反射透射镜组和半导体纳米线激光器件，所述光学汇聚系统由第一三维抛物面反射镜、第二三维抛物面反射镜和二维抛物面反射镜组成；所述第一三维抛物面反射镜和第二三维抛物面反射镜反射面开口相对且焦点和主光轴均重合，第一三维抛物面反射镜开口直径大于第二三维抛物面反射镜，第一三维抛物面反射镜镜面顶点处有通光孔；所述二维抛物面反射镜位于第一三维抛物面反射镜背光面,主光轴与第二三维抛物面反射镜主光轴平行或重合，反射面开口朝向所述通光孔，所述半导体纳米线激光器件的半导体纳米线位于二维抛物面反射镜的焦线上。

如图1所示，本发明所述光学汇聚系统中的第一三维抛物面反射镜2用于接收太阳光1等外界光源发射的平行光线，使用时第一三维抛物面反射镜镜面开口朝向光源，且其主光轴平行于光源产生的平行光线。使光源发射的光线经过抛物面反射镜镜面反射后，朝第一三维抛物面反射镜2的焦点汇聚。由于第一、二三维抛物面反射镜的焦点重合，经过第二三维抛物面反射镜3焦点的光线经过第二三维抛物面反射镜的反射面反射后，平行于第二三维抛物面反射镜的主光轴反射。

由于第一、二三维抛物面反射镜的主光轴平行，且第一和第二三维抛物面反射镜的镜面开口相对，被第二三维抛物面反射镜反射的光线从第一三维抛物面反射镜镜面顶点处的通光孔11射出。通光孔11的投影面积应该与第二三维抛物面反射镜反射面开口投影面积近似，最好小于第二三维抛物面反射镜反射面开口投影面积，以保证通光孔的光分布均匀，利于后续谐振。

位于第一三维抛物面反射镜背光面的二维抛物面反射镜开口朝向通光孔，从通光孔射出的光线由于平行于第二三维抛物面反射镜主光轴，也即平行于二维抛物面反射镜5主光轴，因此被二维抛物面反射镜反射后汇聚在二维抛物面反射镜焦线上，位于焦线上的半导体纳米线被二维抛物面反射光线汇聚照射，激发出光。半导体纳米线为细长柱形，截面最好设计成圆形，这样对各个方向的反射光都能取得较好的接收效果。半导体纳米线距离通光孔的距离不能过远，优选的，半导体纳米线6距离第一三维抛物面反射镜顶点距离为1至4cm，可以取得较佳的收集第二三维抛物面反射镜反射光的效果。

现有的多种半导体材料都可以做成半导体纳米线作为激光发生器件，例如硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌等，都可以作为半导体纳米线激光器件的核心材料，不同之处在于它们的激发频率不同，产生的激光频率也不同，针对光源和需要的激光，可以选择不同材料的半导体纳米线。

半导体材料的发光原理为吸收特定频率的电磁波后，电子在不同能级间产生跃迁发射光子产生光，由于能带间隙不同，不同半导体材料的吸收波长范围不同，并且如果二维抛物面反射镜对全部频带都进行反射汇聚，发热量较大，容易烧蚀脆弱的半导体纳米线，因此可以在二维抛物面反射镜的镜面开口安装滤光片。滤光片对半导体纳米线不能吸收的光波进行滤除，一方面减少了汇聚在半导体纳米线上的光通量，避免半导体纳米线过热损坏，同时对可以用于吸收发光的光波没有过滤，保证了发光效率。

半导体纳米线激光器件和反射透射镜组一起组成谐振腔，对半导体纳米线产生的激发光反复反射放大，最终产生激光。具体的，如图2所示，反射透射镜组包括全反射镜10和出射镜9；全反射镜和出射镜分别位于半导体纳米线6两端，镜面平行且均为平面，半导体纳米线轴线所处直线垂直于全反射镜和出射镜镜面且穿过镜面中点；所述全反射镜的反射面朝向半导体纳米线，所述出射镜为具备反射功能的透镜。

半导体纳米激光器件现有技术有多种实现方式，一种常见的简单实现方式为除了半导体纳米线外，还包括基片8和位于基片上的绝缘介质层7，半导体纳米线平放在所述绝缘介质层表面。绝缘介质层的材料为氟化镁或二氧化硅等低折射率介质材料；基底材料为硅或蓝宝石。

半导体纳米线产生的各个方向的光子在谐振腔内运动，不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经全发射镜和出射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，形成激光。出射镜为具有反射功能的透镜，方便把产生的激光引出谐振腔。

全反射镜是涂有反射膜的反射镜，优选的，所述出射镜镀有透射膜，所述透射膜的透射光频带和全反射镜反射膜的反射光频带相同或至少部分重合。出射镜的透射膜和全反射镜反射膜的有效频带最好相同，至少部分重合，根据需要激光的频率选择反射膜和透射膜的有效频带，使重合频带的光被全反射镜反射的反射系数和被出射镜透射的透射系数都最大。

以下给出若干具体实施例：

实施例1

本实施例以直径 200nm 硫化镉纳米线为例。以开口直径约 1m、底端通光孔直径8cm的第一三维抛物面反射镜 2和开口直径10cm的第二三维抛物面反射镜3两个相对放置的透镜组成一级太阳光汇聚系统，并将较大的第一三维抛物面反射镜开口垂直对准太阳光1，较小的第二三维抛物面反射镜开口正对第一三维抛物面反射镜的缺口，使得汇聚后的太阳光从通光孔垂直射出。二维抛物面反射镜5距离第一三维抛物面反射镜通光孔1cm，二维抛物面反射镜5上端面放一可见光滤光片4，使得只有可见光及更短波长的光可以通过，半导体纳米线激光器件放置在 二维抛物面反射镜的中心。半导体纳米线 6 为硫化镉半导体纳米线，折射率为5.76，直径为200nm；绝缘介质层长度为20mm，材料为二氧化硅，其折射率为2.99,厚度为20nm，用磁控溅射方法沉积在基底；基底片的材质为硅。纳米线横躺放置在介质层上，光线垂直纳米线侧面泵浦，全反射镜9和出射镜 10 中心与半导体纳米线在一条直线上，且镜面垂直于半导体纳米线方向，全反射镜 10 涂有可见光波长高透射膜。 通过本实施例，可以得到波长为500nm的激光。

实施例2 

本实施例以直径400nm硫化镉纳米线阵列为例。 半导体纳米线6为硫化镉半导体纳米线，直径为 400nm，长度 17mm。绝缘介质层材料 7 为氟化镁，其折射率为 1.39,

厚度为 20nm，用磁控溅射方法沉积；半导体纳米线平铺放置在绝缘介质层表面，半导体纳米线 6中心与出射镜10和全反射镜 9中心在一条直线上。其他与实施例1相同。通过本实施例，可以得到波长为500nm的激光。

实施例3 

本实施例以直径200nm氧化锌纳米线阵列为例。纳米线6为氧化锌半导体纳米线，直径为 200nm，长度 17mm。介质层材料 7 为氟化镁，其折射率为 1.39,厚度为 10nm，用磁控溅射方法沉积；2D CPC 上端面放一可见光滤光片 4，使得只有200-500nm波长的光通过，出射镜10涂有400nm波长高透射膜。其他与实施例1相同。通过本实施例，可以得到波长为370nm的激光。

本发明提出了一种用太阳光泵浦半导体纳米线激光器。通过合理设计收集太阳光的装置，将聚焦后的太阳光直接照射到纳米激光器上，达到激光材料阈值后即可产生激光。这种方法打破了必须用高能激光器去泵浦纳米激光器的传统，引入绿色光源太阳光，收集方便，应用广泛。该纳米激光器可以与各类光波导器件很好的兼容，对卫星状态控制、光电子集成、传感等方面有重要意义。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.太阳光泵浦半导体纳米线激光器，包括光学汇聚系统、反射透射镜组和半导体纳米线激光器件，其特征在于，所述光学汇聚系统由第一三维抛物面反射镜（2）、第二三维抛物面反射镜（3）和二维抛物面反射镜（5）组成；所述第一三维抛物面反射镜（2）和第二三维抛物面反射镜（3）反射面开口相对且焦点和主光轴均重合，第一三维抛物面反射镜开口直径大于第二三维抛物面反射镜，第一三维抛物面反射镜镜面顶点处有通光孔（11）；

所述二维抛物面反射镜位于第一三维抛物面反射镜背光面, 主光轴与第二三维抛物面反射镜主光轴平行或重合，反射面开口朝向所述通光孔（11），所述半导体纳米线激光器件的半导体纳米线（6）位于二维抛物面反射镜的焦线上。

2.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述二维抛物面反射镜（5）的反射面开口处还有滤光片（4）。

3.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述反射透射镜组包括全反射镜（10）和出射镜（9）；

全反射镜（10）和出射镜（9）分别位于半导体纳米线（6）两端，镜面平行且均为平面，半导体纳米线轴线所处直线垂直于全反射镜和出射镜镜面且穿过镜面中点；所述全反射镜的反射面朝向半导体纳米线（6），所述出射镜为具备反射功能的透镜。

4.如权利要求3所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述出射镜镀有透射膜，所述透射膜的透射光频带和全反射镜反射膜的反射光频带相同或至少部分重合。

5.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述半导体纳米线（6）截面为圆形。

6.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述半导体纳米线（6）距离第一三维抛物面反射镜顶点距离为1至4cm。

7.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述通光孔（11）的投影面积小于第二三维抛物面反射镜（3）反射面开口投影面积。

8.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述半导体纳米线激光器件包括基片（8）和位于基片上的绝缘介质层（7），所述半导体纳米线（6）平放在所述绝缘介质层（7）表面。

9.如权利要求1所述太阳光泵浦半导体纳米线激光器，其特征在于，所述半导体纳米线（6）材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。

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