CN116683269A - 1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及被动调Q激光器技术领域，尤其涉及一种1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，包括泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体。泵浦源采用制备微透镜的VCSEL，VCSEL发出的泵浦光经过微透镜聚焦后进入激光增益介质进行泵浦，泵浦源与增益介质形成线性三镜耦合腔结构以提升泵浦效率。泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供1.06μm波段光学增益，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现1.06μm波长被动调Q脉冲的输出。本发明利用晶片键合方法实现三个组件之间的芯片级半导体/固体的垂直集成，集成式被动调Q激光器具有芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及被动调Q激光器技术领域，尤其涉及一种1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器。
背景技术
被动调Q技术是目前获得小型化、高重复频率、高峰值功率激光脉冲输出的最有效的方法之一。其利用可饱和吸收体对光场的非线性饱和吸收作用，控制谐振腔的损耗，完成工作物质的储能与释放，实现激光脉冲输出，具有无需外部驱动源控制、体积小、结构简单、制作成本低等优点。固体增益介质的具有微秒到毫秒量级的上能级寿命，比半导体增益介质的上能级寿命大几个数量级，适合制备高峰值功率、短脉宽的被动调Q激光器。然而，与半导体激光器不同的是，固体增益介质为晶体或玻璃组成，需要外部泵浦源进行泵浦，因此制造紧凑的芯片级高峰值功率激光器非常具有挑战性。
1.06μm波段激光作为常规非芯片级半导体泵浦固体激光器研究最广泛、最成熟的激光波段之一，具有研究基础深厚、关联器件价格低、易于探测、方便系统集成等优点，在激光雷达、激光测距、遥感测量、光通讯等领域都具有重要的应用价值。1.06μm波段激光作为光源在通过倍频、和频等非线性变化后可获得多种波长激光，例如：在倍频后产生532nm激光，三倍频后产生355nm紫外激光，四倍频后产生266nm紫外激光，这些波长同样是固体激光领域研究的重点内容，在工业加工、生物医学和军事科研等领域同样具有重要应用。
然而截止到目前，并没有关于1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成激光器的相关报道。
发明内容
本发明目的在于提供1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，该激光器具有芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点。
本发明提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，包括采用晶片键合方法依次垂直集成的泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体；其中，泵浦源采用垂直腔面发射激光器，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，在垂直腔面发射激光器的衬底上制备有微透镜，垂直腔面发射激光器发出的泵浦光经微透镜聚焦后进入激光增益介质；将垂直腔面发射激光器的一个DBR层作为第一反射层，第一反射层对泵浦光的反射率大于99%，将垂直腔面发射激光器的另一个DBR层作为第二反射层，第二反射层对泵浦光的反射率在70%~98%之间；激光增益介质采用对1.06μm谐振光进行增益的材料；在激光增益介质面向垂直腔面发射激光器的表面镀有第三反射层，第三反射层对泵浦光的反射率小于1%及对1.06μm谐振光的反射率大于98%；在激光增益介质面向可饱和吸收体的表面镀有第四反射层，第四反射层对泵浦光的反射率大于98%及对1.06μm谐振光的反射率小于1%；可饱和吸收体采用对1.06μm谐振光进行非线性饱和吸收的材料；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第五反射层，第五反射层对1.06μm谐振光的反射率小于1%；在可饱和吸收体背离激光增益介质的表面镀有第六反射层，第六反射层对1.06μm谐振光的反射率在50%~98%之间；第三反射层和第六反射层形成被动调Q激光器的谐振腔，用于激射1.06μm波长的激光；第一反射层、第二反射层和第四反射层形成线性三镜耦合腔，用于泵浦激光增益介质，为谐振腔提供起振增益；第二反射层和第四反射层间形成F-P干涉腔，用于提高激光增益介质对泵浦光的吸收率；垂直腔面发射激光器发出的泵浦光经微透镜聚焦后进入激光增益介质，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供光学增益，对1.06μm谐振光进行起振，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现1.06μm波长的被动调Q脉冲激光输出。
优选地，激光增益介质采用Nd3+掺杂晶体材料或Nd3+掺杂玻璃材料。
优选地，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG材料、半导体可饱和吸收镜材料、碳纳米管材料或二维层状材料。
优选地，泵浦光的波长为808nm。
优选地，垂直腔面发射激光器为底发射结构或顶发射结构，采用热回流法、磁控溅射法、PECVD沉积法、聚焦离子束刻蚀法、限制扩散湿法或化学刻蚀法将微透镜制备在底发射结构或顶发射结构的垂直腔面发射激光器的出光口处。
与现有技术相比，本发明利用晶片键合方法实现泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体之间的芯片级半导体/固体的垂直集成，集成式被动调Q激光器具有芯片级体积、结构简单、效率高、脉宽窄和峰值功率高等优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的合体结构示意图；
图2是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的爆炸结构示意图；
图3是根据本发明实施例1提供的808nm波段VCSEL的结构示意图；
图4是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的光路示意图；
图5是根据本发明实施例1提供的Nd:YAG晶体的吸收光谱图；
图6是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的输出光谱图；
图7是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的一维阵列示意图；
图8是根据本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器的二维阵列示意图。
附图标记：泵浦源1、第一反射层101、第二反射层102、微透镜103、有源区104、衬底105、P型接触层106、N型接触层107、激光增益介质2、第三反射层201、第四反射层202、可饱和吸收体3、第五反射层301、第六反射层302、线性三镜耦合腔4、谐振腔5、泵浦光6、谐振光7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提出一种1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，包括泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体，泵浦源发出的泵浦光进入激光增益介质，经线性三镜耦合腔结构对激光增益介质进行泵浦，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供1.06μm波段光学增益，通过设计合适的谐振腔的镀膜参数控制1.06μm波长激光起振，经过可饱和吸收体调制腔内损耗后，实现1.06μm波长被动调Q脉冲激光的输出。
泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体采用晶片键合技术实现芯片级的垂直集成。
泵浦源采用VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器），VCSEL可以采用顶发射结构或底发射结构，在顶发射VCSEL或在底发射VCSEL的出光口处制备有微透镜，制备微透镜的方法包括但不限于热回流、磁控溅射、PECVD沉积、聚焦离子束刻蚀、限制扩散湿法、化学刻蚀法等方法。微透镜用于对VCSEL发出的泵浦光进行聚焦，提升泵浦光的泵浦效率，同时微透镜用于实现泵浦光与谐振光之间的模式匹配。VCSEL发出泵浦光后，经表面集成的微透镜进入激光增益介质，利用线性三镜耦合腔结构对激光增益介质进行泵浦，VCSEL的发射谱与增益晶体的吸收谱匹配（一个典型的泵浦波长值为808nm）。
激光增益介质选用为谐振腔提供1.06μm波段增益的材料，包括但不限于Nd3+掺杂晶体、Nd3+掺杂玻璃等材料。
可饱和吸收体选用对1.06μm波长激光具有非线性饱和吸收作用的材料，包括但不限于Cr4+:YAG、半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管、二维层状材料等材料。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
实施例1
利用本发明实施例1提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，实现Nd:YAG-Cr4+:YAG晶体配置的芯片级半导体/固体垂直集成的被动调Q脉冲输出。
如图1-图4所示，被动调Q激光器包括泵浦源1、激光增益介质2和可饱和吸收体3。
泵浦源1选用底发射结构的VCSEL，VCSEL所发出的泵浦光6的波长为808nm。
VCSEL包括衬底105，在衬底105的底部制备微透镜103和N型接触层107，在衬底105的顶部依次制备N型DBR层、有源层104、P型DBR层和P型接触层106。衬底105为泵浦光提供传输距离，并提供散热作用。微透镜103对泵浦光起聚焦作用。有源层104采用InGaAlAs/AlGaAs应变量子阱结构，为VCSEL提供增益。P型接触层106和N型接触层107为VCSEL提供电流注入。P型DBR层作为第一反射层101，对于808nm的泵浦光6呈高反射率（反射率R＞99%）。N型DBR层作为第二反射层102，对于808nm的泵浦光6呈部分反射率（70%＜反射率＜R98%）。
图2所示的泵浦源1为底发射结构的VCSEL，当泵浦源1采用顶发射结构的VCSEL时，将N型DBR层作为第一反射层101，将P型DBR层作为第二反射层102。
无论是底发射结构的VCSEL还是顶发射结构的VCSEL，P型DBR层与N型DBR层的位置可以互换。
激光增益介质2选用Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的吸收谱能够与808nm的泵浦光6进行很好的匹配（如图5所示），为谐振腔5提供1.06μm谐振光7的起振增益。Nd:YAG晶体相对于Nd:YVO4晶体具有更长的上能级寿命，易于实现更高峰值功率的脉冲输出。
在激光增益介质2面向泵浦源1的表面镀有第三反射层201，第三反射层201对于808nm的泵浦光6呈高透过率（反射率R＜1%）且对于1.06μm的谐振光7呈高反射率（R＞98%）。
在激光增益介质2面向可饱和吸收体3的表面镀有第四反射层202，第四反射层202对于808nm的泵浦光6呈高反射率（反射率R＞98%）且对于1.06μm的谐振光7呈高透过率（反射率R＜1%）。
第一反射层101、第二反射层102和第四反射层202形成用于泵浦结构的线性三镜耦合腔4，线性三镜耦合腔4用于泵浦激光增益介质2，为谐振腔5提供起振增益。
通过合理配置第二反射层102的反射率可以平衡泵浦源1的增益与损耗。
第二反射层102和第四反射层202形成Fabry–Pérot干涉腔，可以提高激光增益介质2对泵浦光6的吸收效果。
可饱和吸收体3选用Cr4+:YAG晶体。
在可饱和吸收体3面向激光增益介质2的表面镀有第五反射层301，第五反射层301对于1.06μm的谐振光7呈低反射率（反射率R＜1%）。
在可饱和吸收体3背离激光增益介质2的表面（即面向出光口的表面）镀有第六反射层302，第六反射层302对于1.06μm的谐振光7呈部分反射率（50%＜反射率R＜98%）。
第三反射层201和第六反射层302形成被动调Q激光器的谐振腔5，为被动调Q激光器提供谐振反馈，激射1.06μm的脉冲激光。
Nd:YAG晶体为谐振腔5提供起振增益，经过Cr4+:YAG晶体调制谐振腔5的腔内损耗后，实现1.06μm输出波长的被动调Q脉冲激光输出（如图6所示）。
本发明实施例1的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器可以布置多个形成激光器阵列，例如布置成图7所示的一维阵列和图8所示的二维阵列。
实施例2
利用本发明实施例2提供的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，实现Nd:YVO4-Cr4+:YAG晶体配置的芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q脉冲输出。
实施例2与实施例1的区别在于将作为激光增益介质的Nd:YAG晶体替换成Nd:YVO4晶体，Nd:YVO4晶体相对于Nd:YAG晶体具有更短的上能级寿命，易于实现更高重复频率的脉冲输出。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，其特征在于，包括采用晶片键合方法依次垂直集成的泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收体；其中，
泵浦源采用垂直腔面发射激光器，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱相匹配，在垂直腔面发射激光器的表面制备有微透镜，垂直腔面发射激光器发出的泵浦光经微透镜聚焦后进入激光增益介质；将垂直腔面发射激光器的一个DBR层作为第一反射层，第一反射层对泵浦光的反射率大于99%，将垂直腔面发射激光器的另一个DBR层作为第二反射层，第二反射层对泵浦光的反射率在70%~98%之间；
激光增益介质采用对1.06μm谐振光进行增益的材料；在激光增益介质面向垂直腔面发射激光器的表面镀有第三反射层，第三反射层对泵浦光的反射率小于1%及对1.06μm谐振光的反射率大于98%；在激光增益介质面向可饱和吸收体的表面镀有第四反射层，第四反射层对泵浦光的反射率大于98%及对1.06μm谐振光的反射率小于1%；
可饱和吸收体采用对1.06μm谐振光进行非线性饱和吸收的材料；在可饱和吸收体面向激光增益介质的表面镀有第五反射层，第五反射层对1.06μm谐振光的反射率小于1%；在可饱和吸收体背离激光增益介质的表面镀有第六反射层，第六反射层对1.06μm谐振光的反射率在50%~98%之间；
第三反射层和第六反射层形成被动调Q激光器的谐振腔，用于激射1.06μm波长的激光；
第一反射层、第二反射层和第四反射层形成线性三镜耦合腔，用于泵浦激光增益介质，为谐振腔提供起振增益；
第二反射层和第四反射层间形成F-P干涉腔，用于提高激光增益介质对泵浦光的吸收率；
垂直腔面发射激光器发出的泵浦光经微透镜聚焦后进入激光增益介质，泵浦后的激光增益介质为谐振腔提供光学增益，对1.06μm谐振光进行起振，经过可饱和吸收体调制谐振腔的腔内损耗后，实现1.06μm波长的被动调Q脉冲激光输出。
2.根据权利要求1所述的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，其特征在于，激光增益介质采用Nd3+掺杂晶体材料或Nd3+掺杂玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，其特征在于，可饱和吸收体采用Cr4+:YAG材料、半导体可饱和吸收镜材料、碳纳米管材料或二维层状材料。
4.根据权利要求1所述的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，其特征在于，泵浦光的波长为808nm。
5.根据权利要求1所述的1.06μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器，其特征在于，垂直腔面发射激光器为底发射结构或顶发射结构，采用热回流法、磁控溅射法、PECVD沉积法、聚焦离子束刻蚀法、限制扩散湿法或化学刻蚀法将微透镜制备在底发射结构或顶发射结构的垂直腔面发射激光器的出光口处。
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