CN117438883A - 一种双波长垂直外腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，具体提供一种双波长垂直外腔面发射激光器，包括：输出耦合镜、泵浦光源和增益单元，对于增益单元，采用了HCG光栅代替传统的DBR反射镜，在短波发光区和长波发光区之间设置长波通滤HCG光栅，对短波长光进行反射，长波长光实现透射，在长波发光区的下方设置长波反馈HCG光栅，用于反馈长波长光，并通过输出耦合镜实现双波长光谐振，当光子的强度超过阙值后，通过输出耦合镜输出双波长光。本发明利用长波通滤HCG光栅将短波发光区与长波发光区的光场进行了隔离，避免了双波长模式激射时的模式竞争，并利用长波反馈HCG光栅代替了传统的DBR反射镜，两个HCG光栅精简了增益单元的厚度，减小了器件体积，有利于增益单元的热导出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体提供一种无DBR反射镜的双波长垂直外腔面发射激光器。
背景技术
由于近年来的深入研究，光泵浦垂直外腔面发射激光器(VECSEL)已经引起许多科研机构的重视。其具备半导体激光器的高效率、小体积、结构紧凑易于集成以及可选波长范围极宽等优点，也具有固体激光器的高功率和高光束质量等优点。除此之外，光泵浦垂直外腔面发射激光器具有灵活的开腔，使得这种激光器成为腔内变频的理想选择，极大地扩大了半导体激光器的波长覆盖范围，因此其在激光显示、光通信、激光雷达、大气探测和生物医疗等诸多领域有着广泛的应用前景。
在非线性光学混频应用中，双波长垂直外腔面发射激光器经过非线性频率变换（和频或差频）处理，能够获得某些特殊波段的波长。以和频为例，如425-500nm波段的激光可应用于海洋探测器、读取DVD光盘以及在指纹搜索等领域。以差频为例，对1μm波段波长间隔大约几个纳米的双波长垂直外腔面发射激光器进行非线性差频，即可产生太赫兹波段的辐射。太赫兹波段的辐射具有抗干扰能力强、不易损坏被检测物质以及穿透性良好等特点，在无损探测、环境监测和通信等领域具有广阔的应用前景；而通过对波长间隔为数十个纳米至上百个纳米的双波长激光进行差频，则可以产生中红外波段的相干辐射，在激光制导、激光雷达、环境监测、空间光通信、光谱学、遥感、医疗等领域有着重要的应用。利用连续的双波长激光，结合Q开关特性，可获得脉冲双波长激光，能更好的探测金属损伤，在工业、医疗等方面用途显著。
比较成熟的VECSEL是在短波发光区与长波发光区之间采用设置DBR反射镜，实现光场分离。但是，其主要缺点是采用了两种不同折射率的材料以周期性交替生长，导致结构厚度过厚，在高强度泵浦功率下，不利于及时将增益芯片内的热导出，限制了VECSEL的输出性能。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种双波长垂直外腔面发射激光器，在VECSEL增益芯片的短波发光区与长波发光区之间采用高对比度（HCG）光栅，实现VECSEL激光器的双波长激射，并利用HCG光栅代替传统的光长波波段的布拉格（DBR）反射镜，极大地降低了器件体积，有利于热导出，并且提高了VECSEL的输出性能。
本发明提供的双波长垂直外腔面发射激光器，包括：输出耦合镜、泵浦光源和增益单元，其中，泵浦光源用于提供泵浦光；
增益单元包括：
短波发光区，其用于吸收泵浦光，产生光生载流子，并激射短波长光；
长波发光区，其用于吸收泵浦光，产生光生载流子，并激射短波长光；
长波通滤HCG光栅，其设置在短波发光区和长波发光区之间，用于反馈短波长光，并透射长波长光；
长波反馈HCG光栅，其设置在长波发光区的下方，用于反馈长波长光；
输出耦合镜用于反馈短波长光和长波长光，实现双波长光谐振，并通过输出耦合镜输出双波长光。
优选的，构成两个共轴的谐振腔，其中一个谐振腔由输出耦合镜、短波发光区及长波通滤HCG光栅构成；另一个谐振腔由输出耦合镜、长波发光区及长波反馈HCG光栅构成。
优选的，还包括散热片和热沉，散热片设置在长波反馈HCG光栅的底部，用于支撑增益单元，并进行热导出；热沉设置在散热片的底部，用于进行热导出。
优选的，增益单元的水平截面为正方形。
优选的，散热片的材料为金刚石，其水平截面为正方形；热沉的材料为铜，其形状为圆柱体，其底面面积大于散热片的水平截面面积。
优选的，还包括增透膜，其设置在短波发光区的上表面，用于降低增益单元表面对双波长光的反射率，提高双波长光的输出性能。
优选的，短波发光区和长波发光区均采用周期性量子阱结构。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明将长波通滤HCG光栅设置在短波发光区和长波发光区之间，对短波长模式进行反馈，对长波模式进行透射，将短波发光区与长波发光区的光场进行了隔离，避免了双波长模式激射时的模式竞争，提高了器件的输出性能；并利用长波反馈HCG光栅代替了常规设计的DBR反射镜，两个HCG光栅精简了增益单元的厚度，大大减小了器件体积，降低了功耗，并且有利于增益单元的热导出。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的双波长垂直外腔面发射激光器的结构示意图。
其中的附图标记包括：
热沉1、散热片2、长波反馈HCG光栅3、长波发光区4、长波通滤HCG光栅5、短波发光区6、增透膜7、泵浦光8、输出耦合镜9。
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。
实施例1：如图1所示，本发明实施例一提出了一种双波长垂直外腔面发射激光器，短波长光和长波长光的波长间隔接近100nm，具体的，分别设计为950nm和1050nm，结构上由下至上依次包括散热装置、增益单元、泵浦光源和输出耦合镜9，其中，泵浦光源用于提供泵浦光8，属于VECSEL的泵浦源，通常可以选用波长在600nm-1200nm之间的半导体激光器。在本实施例中，采用高功率800-810nm波长的激光阵列作为泵浦光源。
增益单元即为传统VECSEL中的增益芯片，增益单元由下至上依次包括长波反馈HCG光栅3、长波发光区4、长波通滤HCG光栅5和短波发光区6，其中，短波发光区6和长波发光区4均采用周期性量子阱结构，这两种周期性量子阱结构的量子阱组分和/或厚度等参数不同，在本实施例中，短波发光区6与长波发光区4均为包括InxGa1-xAs量子阱、AlGaAs吸收层和GaAsP势垒层的周期性多量子阱结构，但厚度参数不同，其中，x代表InGaAs中In组分的含量，如950nm波长发光区为In0.15Ga0.85As，1050nm波长发光区为In0.24Ga0.76As。短波发光区6与长波发光区4均用于吸收泵浦光8，产生光生载流子，载流子经过辐射复合后激射光子。短波发光区6最终激发短波长光；长波发光区4最终激发长波长光。
长波通滤HCG光栅5和长波反馈HCG光栅3均属于高对比度光栅，均为A1Ox/GaAs/A1Ox材质结构，具有高反射和选频特性。其中，A1Ox是一种机械稳定的介电材料，是氧化AlAs后形成的化合物，该x无具体值，通常认为可以是Al2O3。长波通滤HCG光栅5的光栅周期小于工作波长，与普通光栅相比，光栅结构的折射率远高于其周围介质的折射率。长波通滤HCG光栅5用于反馈短波长光，并透射长波长光。长波反馈HCG光栅3用于反馈长波长光。
增益单元的水平截面为正方形。此外，在增益单元的上表面还设置有增透膜7，增透膜7采用Ta2O5，用于降低增益单元上表面对双波长光的反射率，提高激光器双波长光的输出性能。
散热装置设置在增益单元的下表面，具体包括热沉1和散热片2，散热片2的材料为金刚石或者SiC，其水平截面为正方形，用于支撑VECSEL增益单元，同时对VECSEL激光器的热进行导出；热沉1的材料为铜，其形状为圆柱体，其底面面积大于散热片2的水平截面面积，用于对VECSEL激光器的热进行导出。
输出耦合镜9设置在增益单元的上方，采用光学玻璃材料，用于反馈双波长光的光场，实现双波长光谐振，当光子的强度超过阙值后，输出双波长激光。
对于上述VECSEL结构，简述其制备过程如下：
S1：采用外延技术在GaAs基质上生长短波发光区6，通常可采用MOCVD或MBE技术，在短波发光区6的下表面制备长波通滤HCG光栅5，再在长波通滤HCG光栅5的下表面外延生长长波发光区4，再在长波发光区4的下表面进行长波反馈HCG光栅3的制备。
S2：将S1制备获得的结构按照需要制备的增益单元尺寸和形状进行切割，沿微小的正方形边界进行切割。
S3：将长波反馈HCG光栅3的下表面与散热片2进行键合，随后在将散热片2与热沉1焊接起来，随后进行减薄、腐蚀工艺去除基质。散热片2的材料为金刚石，其水平截面为正方形；热沉1的材料为铜，其形状为圆柱体，其底面面积大于散热片的水平截面面积。
S4：在增益单元的上表面蒸镀增透膜7。
S5：最后，将增益单元和输出耦合镜9固定在光学调整架上，输出耦合镜9与增透膜7之间的间隔为30-100mm，而泵浦光8以一定的角度倾斜聚焦在增透膜7的表面上。
基于上述VECSEL结构，简述其工作过程如下：
泵浦光源发射泵浦光8，泵浦光8以一定的角度倾斜聚焦在增透膜7的表面上，并透过增透膜7进行继续传播，依次穿过短波发光区6、长波通滤HCG光栅5和长波发光区4，泵浦光8传播过程中被短波发光区6和长波发光区4的周期性量子阱结构吸收，并产生光生载流子。在短波发光区6中，由于载流子的辐射复合，产生了一种光子，这种光子被长波通滤HCG光栅5反射回来，并经过短波发光区6进行放大，输出至输出耦合镜9进行反馈，形成谐振。然后，这种光子通过输出耦合镜9反馈到增益单元中，形成谐振，实现短波长光的光子累积，输出耦合镜9、短波发光区6及长波通滤HCG光栅5之间构成一个谐振腔。同时，在短波发光区6中，由于载流子的辐射复合，产生了另一种光子，这种光子被长波反馈HCG光栅3反射回来，并经过长波发光区4进行放大，继续输出至输出耦合镜9进行反馈，形成谐振。然后，这种光子通过输出耦合镜9反馈到增益单元中，形成另一谐振，实现长波长光的光子累积，输出耦合镜9、长波发光区4及长波反馈HCG光栅3之间构成另一个谐振腔。由于长波通滤HCG光栅5将短波发光区6和长波发光区4的光场进行了隔离，两种光子互不干扰，当光子的强度超过阙值后由输出耦合镜9输出双波长激光。
实施例2：与实施例1的不同之处在于，泵浦光源更换为高功率600-670nm波长的激光阵列，短波发光区6为InGaAsP/InGaP/AIGaAs的周期性多量子阱结构，长波发光区4为GaAs/AlGaAs的周期性多量子阱结构。最终输出的双波长激光中短波长光和长波长光的波长分别为780nm和880nm。
实施例3：与实施例1的不同之处在于，泵浦光源更换为高功率970-980nm波长的激光阵列，短波发光区6为和长波发光区4为InA1GaAs/InP的周期性多量子阱结构。最终输出的双波长激光中短波长光和长波长光的波长分别为1400nm和1500nm。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：输出耦合镜、泵浦光源和增益单元，其中，泵浦光源用于提供泵浦光；
所述增益单元包括：短波发光区、长波发光区、长波通滤HCG光栅和长波反馈HCG光栅；
所述短波发光区，其用于吸收所述泵浦光，产生光生载流子，并激射短波长光；
所述长波发光区，其用于吸收所述泵浦光，产生光生载流子，并激射短波长光；
所述长波通滤HCG光栅，其设置在所述短波发光区和所述长波发光区之间，用于反馈短波长光，并透射长波长光；
所述长波反馈HCG光栅，其设置在所述长波发光区的下方，用于反馈长波长光；
所述输出耦合镜用于反馈短波长光和长波长光，实现双波长光谐振，并通过所述输出耦合镜输出双波长光。
2.如权利要求1所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，构成两个共轴的谐振腔，其中一个谐振腔由所述输出耦合镜、所述短波发光区及所述长波通滤HCG光栅构成；另一个谐振腔由所述输出耦合镜、所述长波发光区及所述长波反馈HCG光栅构成。
3.如权利要求1所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括散热片和热沉，散热片设置在所述长波反馈HCG光栅的底部，用于支撑所述增益单元，并进行热导出；热沉设置在散热片的底部，用于进行热导出。
4.如权利要求3所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，所述增益单元的水平截面为正方形。
5.如权利要求4所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，散热片的材料为金刚石，其水平截面为正方形；热沉的材料为铜，其形状为圆柱体，其底面面积大于散热片的水平截面面积。
6.如权利要求1所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括增透膜，其设置在所述短波发光区的上表面，用于降低所述增益单元表面对双波长光的反射率，提高双波长光的输出性能。
7.如权利要求1所述的双波长垂直外腔面发射激光器，其特征在于，所述短波发光区和所述长波发光区均采用周期性量子阱结构。
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