CN107528213A - 后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，沿光轴轴向从后到前依次包括泵浦光源、准直聚焦透镜组、带通光孔的热沉、半导体增益芯片、反射平片、非线性晶体和耦合输出镜；半导体增益芯片包括对泵浦光高透过率而对基频光高反射率的反射膜及量子阱有源区；反射平片后侧镀对倍频光高反射率而对基频光高透过率的膜层。本发明中所有元件处于同一条轴线，该轴线也是激光谐振腔的光轴，使得激光器输出的光束质量非常优良，同时使得器件比任何其它可见光激光器的调节都简单，器件的机械性能非常稳定，后端泵浦方式与直线结构的结合，又使得器件可以非常小型化，在许多桌面式综合型的科研仪器中具有非常广泛的应用。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，属于半导体激光器领域，涉及半导体激光器中的面发射激光器技术，该类激光器具有光束质量优良的特点。本发明还涉及到非线性频率变换，具体涉及腔内倍频技术。
背景技术
因为人眼及大多数探测仪器都对可见光波段产生反应，所以可见光激光器是用途最为广泛的激光器之一。
现有的可见光激光器有气体、固体及半导体可见光激光器。气体的可见光激光器如氦氖红光激光器，其波长单一，功率很小，电路复杂，还涉及高压部分，使用多有不便。固体的可见光激光器为倍频激光器，如倍频Nd:YAG绿光激光器，它的波长也很单一，而且激光器中存在很强的绿噪声，稳定性不够理想。半导体可见光激光器中，直接发射的半导体可见光激光器如半导体蓝光激光器和半导体绿光激光器，都存在增益芯片外延生长工艺复杂，激光发射稳定性较差，以及激光光束质量很差等缺点，使其应用受到影响。
半导体面发射激光器具有光束质量优良的特点，而且近红外波段的半导体材料外延生长技术较为成熟，所以利用近红外的半导体面发射激光器，通过腔内倍频，能够获得可见光。有因为良好的光束质量及腔内倍频都有利于提高倍频转换效率，所以腔内倍频的半导体面发射可见光激光器也能够产生较高的输出功率。
现有的外腔面发射激光器都是采用前端泵浦，泵浦光学系统和其它光学元件同处一侧，各元件的位置摆放极不方便，使激光器无法做到小型化，其机械稳定性也很差。由于前端泵浦时泵浦光有一定倾角，它带来的另一缺点是泵浦光斑为椭圆形，使得泵浦的均匀性表差，会影响激光器的光束质量。已有的前端泵浦外腔面发射激光器在通过倍频获得可见光时，还存在两个极其严重的问题：一是由于泵浦光学系统会占据一定位置，所以非线性晶体不能靠近增益芯片摆放，使得非线性晶体上的基频光的光斑较大，降低了倍频过程中基频红外光想倍频可见光转换的效率；二是倍频过程中产生的可见光的一部分会返回到增益芯片，被增益芯片吸收，如此一来，既增大了可见光的损耗，降低了可见光的输出功率，同时还会在增益芯片中产生多余的热量，使增益芯片温度上升，加剧了增益芯片的热效应，进一步降低可见光的输出功率。如果要避免上述两个问题，可以在倍频激光器中使用折叠腔，但折叠腔所带来的新的问题是：光腔变得复杂，折叠角还会在激光谐振腔中引入色散，使倍频输出的可见光的光束质量变差。
为解决以上问题，本发明提出一种后端泵浦的小型化可见光面发射激光器，把泵浦光和其它光学元件分别置于半导体增益芯片的两侧，充分利用空间，使器件整体小型化，且增加器件稳定性，同时降低增益芯片的发热量，提高输出激光的光束质量及输出功率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供后端泵浦的小型化可见光面发射激光器，能够节约空间，能使器件小型化，且增加器件的机械稳定性；同时降低增益芯片的发热量，提高激光器的输出功率，同时保证激光器输出的激光光束质量良好。
本发明的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，沿激光器光轴的方向从后到前依次包括泵浦光源、准直聚焦透镜组、带通光孔的热沉、半导体增益芯片、反射平片、非线性晶体和耦合输出镜。
进一步，所述泵浦光源、准直聚焦透镜组、带通光孔的热沉、半导体增益芯片、反射平片、非线性晶体和耦合输出镜均排列在同一条中心轴线上，该中心轴线同时为激光谐振腔的光轴。
进一步，所述带通光孔的热沉上的通光孔为圆锥台结构；此圆锥台结构在靠近增益芯片一端圆孔小，在靠近泵浦激光一端圆孔大。
进一步，所述半导体增益芯片从后到前依次包括对泵浦光高具有透过率而对基频红外激光具有高反射率的第一反射膜和用于产生基频红外激光的有源区层。
进一步，所述反射平片包括平片本体和设置有平片本体侧面的对基频激光具有高透过率且对倍频可见光具有高反射率的第二反射膜。
进一步，所述非线性晶体的两通光端面均设置有利于基频红外激光和倍频可见光透过的通光膜。
进一步，所述耦合输出镜为平凹镜，平凹镜的凹面镀有对基频红外激光具有高反射率和对倍频可见光具有高透过率的第四反射膜，平凹镜的平面镀有具有对倍频可见光高透过率的第五反射膜。
进一步，所述第一反射膜由高折射率层和低折射率层两种介质交替生长而成，该两种介质对泵浦光都透明且两种介质的光学厚度均为基频红外光波长的四分之一。
进一步，所述有源区层由发射基频红外光的量子阱层及吸收泵浦光从而产生光生载流子的势垒层交错组成，量子阱层的每个量子阱均置于增益芯片内基频光驻波场的波峰处以获得最大的激光器增益。
进一步，所述增益芯片的出射面设置有高势垒材料层，所述高势垒材料层用于阻止有源区的载流子迁移到表面产生非辐射复合并保护有源区材料不被氧化。
本发明最主要的有益效果是：本发明公开的一种后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，通过在增益芯片中设置对泵浦光高透过率而对基频红外激光高反射率的第一反射膜，使泵浦光可以从后端进入增益芯片的有源区，保证泵浦光斑为圆形，形成均匀泵浦，提高激光器光束质量，同时后端泵浦使器件大幅度节约空间，可以小型化，也更加方便调节，使激光器机械性能更加稳定；通过在增益芯片前插入镀有对基频红外激光高透过率，对倍频可见光高反射率的平片，保证基频红外光在第一反射膜及第四反射膜之间形成谐振的同时，阻止倍频获得的可见光返回进入增益芯片，一方面减少倍频可见光的损失，提高倍频转换效率，也就是提高可见光的输出功率，另一方面也降低增益芯片中的热量产生，也就是降低了激光器的热效应，近一步提升激光器的总的输出功率。本发明能够获得小型化的、光束质量良好的、输出功率高的、机械性能稳定的、易于使用调节的可见光激光器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中的半导体增益芯片的结构示意图。
图中，1泵浦光源，2准直聚焦系统，3反射平片，4非线性晶体，5耦合输出镜，6热沉，7通光孔，8第一反射膜，9有源区，10第二反射膜，11第三反射膜，12第四反射膜，13第五反射膜，14高折射率层，15低折射率层，16量子阱层，17势垒层，18高势垒层
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图，图2为图1中的半导体增益芯片的结构示意图，如图所示：
实施例1：
后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，沿光轴方向从后到前依次包括泵浦光源1、准直聚焦透镜组2、半导体增益芯片、反射平片3、非线性晶体4和耦合输出镜5；
所述半导体增益芯片键合在带通光孔7的热沉6上；半导体增益芯片从后到前依次包括对泵浦光具有高透过率而对基频红外激光具有高反射率的第一反射膜8和用于产生基频红外激光的有源区层9；所述非线性晶体4用于对基频红外激光倍频并产生可见光；所述反射平片3插入在半导体增益芯片前面，所述反射平片3包括平片本体和设置有平片本体侧面的对基频激光具有高透过率且对倍频可见光具有高反射率的第二反射膜10；所述非线性晶体4的两通光端面均设置有利于基频红外激光和倍频可见光透过的通光膜11；所述耦合输出镜5为平凹镜，凹面设置有对基频红外光高反射率、对倍频可见光高透过率的第四反射膜12，平面设置有对倍频可见光高透过率的第五反射膜13。由于第二反射膜10和第三反射膜11都是对基频红外光高透过率，因此半导体增益芯片内产生基频红外激光的有源区层9在吸收泵浦光能量，产生基频红外光后，所产生的基频红外激光在第一反射膜8和第四反射膜12之间建立谐振，形成基频红外激光；由于第二反射膜10对倍频可见光高反射率、第三反射膜11和第四反射膜12对倍频可见光都是高透过率，所以基频红外激光经过非线性晶体4转换为倍频可见光后，经过反射平片3上的第二反射膜10反射，透过第三反射膜11、第四反射膜12和第五反射膜13，由输出耦合镜5输出；反射平片3上后侧设置的对基频红外光高透过率且对倍频可见光高反射率的第二反射膜10能够有效阻止倍频可见光进入都其后方的增益芯片，从而有效降低倍频可见光的损耗，提高倍频效率，增大可见光输出功率的同时，有效降低增益芯片中的热效应，进一步提升激光器的功率；激光器整体体积小型化，所有元件排布在一条中心轴线上，避免了存在折叠角而引入的像散，保证激光器的输出光束质量优良。
所述热沉6上的通光孔7是前小后大的圆锥台结构，该圆锥台结构能够适应准直后的泵浦光再经过聚焦进入半导体增益芯片，保证泵浦光有效入射的同时，利用通光孔7靠近增益芯片一端孔小的特性，保证热沉6与增益芯片有足够大的接触面积，确保激光器散热效率较高，此结构在靠近泵浦激光一端圆孔大，又方便了泵浦激光光斑在聚焦调节过程中的观察。
所述耦合输出镜为平凹镜，凹面镀有对基频红外激光高反射率和对倍频可见光高透过率的第四反射膜，平面镀有对倍频可见光高透过率的第五反射膜，把倍频获得的可见光耦合输出，并保证基频红外光继续留在谐振腔内振荡；所述对泵浦光高透过率而对基频红外激光高反射率的第一反射膜，由高折射率层14和低折射率层15两种介质交替生长而成，两种介质对泵浦光都透明，两种介质的光学厚度都是基频红外光波长的四分之一；所述用于产生基频红外激光的有源区，由发射基频红外光的量子阱层16及吸收泵浦光从而产生光生载流子的势垒层17交错组成，量子阱层16中的每个量子阱均需要置于增益芯片内基频光驻波场的波峰处，以获得最大的激光器增益；增益芯片的最外层为高势垒材料层18，用于阻止有源区的载流子迁移到表面产生非辐射复合，同时也用于保护有源区材料不被氧化.
泵浦光源为808nm半导体激光器，准直聚焦系统为一对焦距为10mm的平凸透镜组，热沉为铜材料，圆锥台形状的通光孔的大园和小园直径分别为10mm及3mm。
半导体增益芯片中第一反射膜的高折射率层材料为Al0.2GaAs，低折射率层材料为Al0.98GaAs，两层的光学厚度均为基频红外光波长1064nm的四分之一。半导体增益芯片中的有源区量子阱的阱层为8nm厚的In0.24GaAs材料，势垒层为150nm厚的GaAs材料。半导体增益芯片中最外层的高势垒层为125nm厚的Al0.6GaAs材料。
反射平片的后侧镀对1064nm波长高透过率，对532nm波长高反射率的第二反射膜。反射平片紧靠半导体增益芯片放置。
非线性晶体为周期极化PPLN晶体，晶体两个通光端面均镀对1064nm波长和532nm波长高透过率的第三反射膜。非线性晶体紧靠反射平片放置。
耦合输出镜为曲率半径为30mm的平凹镜，凹面镀对1064nm波长高反射率，对532nm波长高透过率的第四反射膜；平面镀对532nm波长高透过率的第五反射膜。耦合输出镜距离半导体增益芯片29mm放置。
该激光器输出可见光的激光波长为532nm的绿光，器件整体长度小于45mm，输出近衍射极限TEM00模圆形光斑，光束质量优良。根据泵浦功率的大小，激光器输出功率可达数瓦至数十瓦。
实施例2：
泵浦光源为808nm半导体激光器，准直聚焦系统为一对焦距为15mm的平凸透镜组，热沉为铜材料，圆锥台形状的通光孔的大园和小园直径分别为12mm及3.5mm。
半导体增益芯片中第一反射膜的高折射率层材料为Al0.2GaAs，低折射率层材料为AlAs，两层的光学厚度均为基频红外光波长976nm的四分之一。半导体增益芯片中的有源区量子阱的阱层为8nm厚的In0.13GaAs材料，势垒层为130nm厚的GaAs材料。半导体增益芯片中最外层的高势垒层为207nm厚的Al0.6GaAs材料。
反射平片的后侧镀对976nm波长高透过率，对488nm波长高反射率的第二反射膜。反射平片紧靠半导体增益芯片放置。
非线性晶体为I类相位匹配的LBO晶体，晶体两个通光端面均镀对976nm波长和488nm波长高透过率的第三反射膜。非线性晶体紧靠反射平片放置。
耦合输出镜为曲率半径为50mm的平凹镜，凹面镀对976nm波长高反射率，对488nm波长高透过率的第四反射膜；平面镀对488nm波长高透过率的第五反射膜。耦合输出镜距离半导体增益芯片48mm放置。
该激光器输出可见光的激光波长为488nm的蓝光，器件整体长度小于65mm，输出近衍射极限TEM00模圆形光斑，光束质量优良。根据泵浦功率的大小，激光器输出功率可达数瓦至数十瓦。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：沿激光器光轴的方向从后到前依次包括泵浦光源、准直聚焦透镜组、带通光孔的热沉、半导体增益芯片、反射平片、非线性晶体和耦合输出镜。
2.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述泵浦光源、准直聚焦透镜组、带通光孔的热沉、半导体增益芯片、反射平片、非线性晶体和耦合输出镜均排列在同一条中心轴线上，该中心轴线同时为激光谐振腔的光轴。
3.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述带通光孔的热沉上的通光孔为圆锥台结构；此圆锥台结构在靠近增益芯片一端圆孔小，在靠近泵浦激光一端圆孔大。
4.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述半导体增益芯片从后到前依次包括对泵浦光高具有透过率而对基频红外激光具有高反射率的第一反射膜和用于产生基频红外激光的有源区层。
5.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述反射平片包括平片本体和设置有平片本体侧面的对基频激光具有高透过率且对倍频可见光具有高反射率的第二反射膜。
6.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述非线性晶体的两通光端面均设置有利于基频红外激光和倍频可见光透过的通光膜。
7.根据权利要求1所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述耦合输出镜为平凹镜，平凹镜的凹面镀有对基频红外激光具有高反射率和对倍频可见光具有高透过率的第四反射膜，平凹镜的平面镀有具有对倍频可见光高透过率的第五反射膜。
8.根据权利要求4所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述第一反射膜由高折射率层和低折射率层两种介质交替生长而成，该两种介质对泵浦光都透明且两种介质的光学厚度均为基频红外光波长的四分之一。
9.根据权利要求4所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述有源区层由发射基频红外光的量子阱层及吸收泵浦光从而产生光生载流子的势垒层交错组成，量子阱层的每个量子阱均置于增益芯片内基频光驻波场的波峰处以获得最大的激光器增益。
10.根据权利要求4所述的后端泵浦式小型化的可见光波长范围面发射半导体激光器，其特征在于：所述增益芯片的出射面设置有高势垒材料层，所述高势垒材料层用于阻止有源区的载流子迁移到表面产生非辐射复合并保护有源区材料不被氧化。
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