CN203503971U

CN203503971U - 高功率腔内倍频半导体薄片激光器

Info

Publication number: CN203503971U
Application number: CN201320230506.2U
Authority: CN
Inventors: 宋晏蓉; 张鹏; 张晓�; 于振华; 田金荣
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2023-05-01

Abstract

本实用新型涉及高功率腔内倍频半导体薄片激光器，属于半导体激光器领域。本实用新型采用散热窗口改善激光器的热效应，用滤波装置稳定基频光频率，压窄基频光线宽，提高腔内倍频效率。抽运光经准直聚焦后作用在半导体薄片增益介质（4）上，半导体薄片增益介质上键合了一块高热导率且对抽运光和激光都透明的散热窗口（5）。增益介质中的光生载流子在量子阱（14）中发生受激辐射，由后端镜（8）、输出耦合镜（7）、及半导体薄片增益介质底部的布拉格反射镜（16）构成激光腔产生基频激光，由非线性晶体（10）产生倍频激光（11），其特征在于：激光腔内设置有滤波装置（9），有效稳定基频光的频率，数倍地压窄基频光线宽，从而提高倍频效率。

Description

高功率腔内倍频半导体薄片激光器

技术领域

本实用新型涉及具有散热窗口和滤波装置的高功率腔内倍频半导体薄片激光器的设计，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

半导体薄片激光器（Semiconductor Disk Laser, SDL）综合了半导体激光器和固体薄片激光器二者的优点。一方面，SDL具有半导体激光器的优点：波长覆盖了从可见光到近红外的宽广范围；半导体对抽运光的带间跃迁吸收使其吸收带宽很宽，对抽运光的波长漂移不敏感；器件本身效率高、寿命长、体积小等。另一方面，SDL又具有固体薄片激光器的优点：光束质量十分优良，能获得近衍射极限的圆形TEM₀₀高斯模；光抽运可以产生大面积的均匀抽运，因而可以通过增大抽运光斑面积来降低激光器的热效应；薄片式增益结构的准一维热流有利于进行散热处理；可以通过在腔内增加增益介质的数量来成倍提高激光器的增益；其中的后三点都能大幅度改善激光器的散热，支持激光器的高功率运行。另外，灵活可调的外腔结构使半导体薄片激光器能方便地在腔内插入非线性晶体进行倍频、插入滤波元件进行单频工作、插入调谐元件进行可调谐运转、以及利用可饱和吸收元件进行被动锁模等。

SDL所提供的高功率和高光束质量激光有着广泛的应用前景。对SDL产生的基频光来讲，0.85μm 波段的激光辐射可用于频率变换、能量利用等；1μm波段的激光辐射可用于生物医学、法医鉴定、频率转换、光时钟、光通信、及能量利用等；2μm波段激光辐射在大气及环境监测方面有重要应用。通过倍频，SDL能提供的波段扩展到紫外区域，在激光显示、激光存储、及光刻等诸多领域有着十分重要的应用。

已有的半导体薄片激光器SDL主要包括抽运光源、半导体薄片增益介质、以及构成激光谐振腔的腔镜。其输出功率的限制主要来源于热效应：当抽运功率升高时，由量子缺陷、带内驰豫、非辐射复合、及布拉格反射镜对剩余抽运光的吸收等因素造成半导体薄片介质内有源区的温度升高；而温度的上升又反过来加剧非辐射复合，形成恶性循环，加速温度的上升；随着温度的升高，半导体量子阱的增益会急剧下降，导致激光器出现热熄灭，从而限制了SDL的输出功率。

对于提高SDL的输出功率，主要的问题就是解决好SDL的热效应问题。通过对半导体增益薄片的基质进行腐蚀，可以部分的改进SDL的散热，但该项技术对工艺的要求极高，因为在该技术中半导体增益介质是所谓反序生长的，最后的腐蚀面是出光面，要求其光洁度必须非常好，否则会由于表面的不光洁带来过大的散射损耗，致使激光器阈值太高及效率太低，甚至根本就不能出光。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能输出高功率倍频激光的SDL，提出用高热导率的散热窗口来改善激光器的散热性能，同时在激光腔中设置滤波装置来稳定基频光的频率，压窄基频光的线宽，提高倍频效率，最终得以输出高功率倍频激光。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：在半导体薄片增益介质之上用液体毛细键合一块高热导率且对抽运光和激光都透明的散热窗口，该散热窗口能显著改善激光器的散热性能，因为其一是该窗口的热导率很高，通常是基质材料的数百倍，其二是该窗口距离激光器的发热区即量子阱有源区很近，所以与一般的热量通过布拉格反射镜再经由基质层散发相比较，热量通过散热窗口散发更直接，也更快捷。通过该散热窗口的使用，激光器的散热性能可获得显著的提高。上述散热窗口材料的选择首要条件是该材料必须对抽运光和激光都透明，或者吸收很少；其次是该材料应该有很高的热导率，如此散热性能才可显著提高；第三是要考虑到该材料与半导体薄片增益介质的氧化保护层的热胀系数应大致匹配，否则过大的热应力可能导致增益介质的损毁。

同时，本实用新型在激光腔中设置滤波装置来稳定基频光的频率，压窄基频激光的线宽，通过对基频光的线宽进行压窄后，一是可以选择接受线宽小但有效非线性系数大的非线性晶体进行腔内倍频，二是基频光线宽压窄后其光谱亮度增强，上述两者都能有效地提高倍频效率，提高倍频激光器的输出功率。

高功率腔内倍频半导体薄片激光器，包括抽运光源、准直透镜、聚焦透镜、半导体薄片增益介质、散热窗口、热沉、输出耦合镜、后端反射镜或者半导体可饱和吸收镜、及非线性晶体；抽运光经准直聚焦后作用在半导体薄片增益介质上，半导体薄片增益介质之上键合了一块散热窗口；散热窗口之下是增益介质，增益介质依次包括防氧化保护层、载流子限制层、10-20对半导体量子阱层与量子阱势垒层构成的周期谐振结构、周期谐振结构之下是布拉格反射镜和基质；整块半导体薄片增益介质被焊接在热沉上。激光谐振腔包括布拉格反射镜、后端反射镜或者半导体可饱和吸收镜之一、及输出耦合镜；

其特征在于：激光谐振腔中设置有滤波装置。

半导体薄片增益介质中的光生载流子在量子阱中发生受激辐射，在激光谐振腔中产生基频振荡，经过滤波装置后对基频光整形并压窄激光线宽，使输出激光的波长在所需波段内频宽变窄，减小进入非线性晶体的光束发散角，提高倍频效率；经过非线性晶体的作用，由输出耦合镜输出高功率倍频激光。

进一步，激光谐振腔还设置有反射镜以及三倍频非线性晶体。

当抽运光源是780-810nm波长的半导体激光器；在基质上首先生长的是高反射率的布拉格反射镜，由层厚为四分之一激光波长的两种高低折射率材料交替生长而成，其中高折射率层为GaAs，低折射率层为AlAs或AlGaAs，整个反射镜由25-35对高低折射率材料交替生长构成；布拉格反射镜之上生长多量子阱周期谐振结构，半导体量子阱层为InGaAs, 其中In含量为0.18-0.20 , 量子阱势垒层为GaAs或 AlGaAs，其中Al含量为0.00-0.08，周期谐振结构中量子阱的总个数为10-20个；多量子阱之上生长高势垒的载流子限制层，为AlGaAs，其中Al含量为0.6-1.0；载流子限制层之上生长防氧化保护层，为GaAs；防氧化保护层之上用毛细键合一块厚度为200-500μm厚的高热导率且对抽运光和激光都透明的薄片作为散热窗口；激光谐振腔由半导体薄片增益介质底部的布拉格反射镜、后端反射镜及输出耦合镜组成，形成Z型折叠腔，与一般的直腔倍频比较，该Z型腔既能避免倍频光回到增益薄片被吸收掉，又能通过合理设计在后端反射镜及输出耦合镜之间获得较小的光腰，利于提高倍频效率；其中后端反射镜对1064nm和532nm波段激光高反镀膜，输出耦合镜对1064nm波段高反镀膜，对532nm波段倍频光高透镀膜；滤波装置置于半导体薄片增益介质及输出耦合镜之间，基频的线宽通过它被数倍地压窄；非线性晶体对基频光镀增透膜，并置于光腰处，以获得高的倍频转换效率。

当抽运光源是650-680nm波长的半导体激光器；布拉格反射镜中的高折射率层为GaAs，低折射率层为AlAs或AlGaAs，整个反射镜由25-35对高低折射率材料交替生长构成；半导体量子阱层为GaAs, 量子阱势垒层为 AlGaAs，其中Al含量为0.15-0.25，周期谐振结构中量子阱的总个数为10-20个；高势垒的载流子限制层为AlGaAs，其中Al含量为0.6-1.0；防氧化保护层为GaAs；防氧化保护层之上用毛细键合一块厚度为200-500μm厚的散热窗口；后端反射镜对850nm和425nm波段激光高反镀膜，输出耦合镜对850nm波段高反镀膜，对425nm波段倍频光高透镀膜；滤波装置用于压窄基频光的线宽；非线性晶体置于光腰处。

非线性晶体为KNbO₃、KTiOPO₄、BiB₃O₆、β-BaB₂O₄、及LiB₃O₅中的任一种晶体，或者为周期极化非线性晶体PPLT、PPLN、MgO:PPLN、PPKTP、及PPRTA中的任一种晶体。

本实用新型激光器在工作时，抽运光经准直和聚焦后作用在半导体薄片增益介质上；增益介质中的量子阱势垒层吸收抽运光能量，产生光生载流子；载流子被量子阱俘获，在量子阱内跃迁辐射，为激光器提供增益；满足振荡条件波长的辐射在由后端反射镜、输出耦合镜、及半导体薄片增益中布拉格反射镜等腔镜组成的谐振腔中形成振荡，产生基频激光；基频光经过滤波装置其频率得到稳定，线宽被数倍地压窄，再通过非线性晶体作用，产生倍频激光，经由输出耦合镜输出。工作中激光器产生的热量主要由高热导率的散热窗口带走，余下部分由热沉带走。

本实用新型的积极效果：半导体薄片增益介质上的高热导率散热窗口能显著改善激光器的散热性能，大幅度提高激光器的输出功率。相对于通过基质刻蚀增进散热来讲，使用散热窗口不仅工艺要求简单很多，而且其散热效果也非常显著。通过在激光腔内设置滤波装置来数倍地压窄基频光的线宽，既为非线性晶体的选择提供了更大的范围，也能有效地提高腔内倍频的转换效率，增大倍频激光的输出功率。本实用新型激光器结构紧凑，封装工艺要求简单，输出倍频激光功率高，整机体积小，价格低，用途广，适合产业化。

附图说明

图1为本实用新型中的具有散热窗口的高功率腔内倍频半导体薄片激光器结构示意图；

图2为半导体薄片增益介质的外延生长结构图；

图3为散热窗口为300μm厚金刚石薄片时其对激光器中温度上升的影响图；

图4为滤波装置为40μm厚玻璃标准具时其对基频激光光谱压窄的对比图；

图5为获得三倍频激光波长的结构装置图。

图中：1、抽运光源，2、准直透镜，3、聚焦透镜，4、半导体薄片增益介质，5、散热窗口，6、热沉，7、输出耦合镜，8、后端反射镜，9、滤波装置，10、非线性晶体，11、输出倍频激光，12、防氧化保护层，13、高势垒载流子限制层，14、半导体量子阱层，15、量子阱势垒层，16、布拉格反射层，17、基质层，18、全反镜，19、非线性晶体，20、全反镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1：

如图1所示，808nm半导体激光抽运光源1经焦距为10mm的准直透镜2后，由焦距与准直透镜2相同的聚焦透镜3聚焦在半导体薄片增益介质4上。半导体薄片增益介质的结构如图2所示，最上部的防氧化保护层12是GaAs，其下的高势垒载流子限制层13是AlGaAs，其中Al含量为0.6，载流子限制层下是多量子阱周期增益结构，其中的半导体量子阱层14是InGaAs，In含量为0.198，量子阱势垒层15为AlGaAs，Al含量为0.05，最底部是布拉格反射镜16，其高折射率层为GaAs，低折射率层为AlAs，整个半导体薄片增益介质生长在GaAs基质17上，然后用In焊焊接在铜热沉6上。半导体薄片增益介质上用液体毛细键合一块300μm厚的金刚石薄片作为散热窗口5，该金刚石散热窗口对激光器温度上升的影响图如图3所示，它能显著改善激光器的散热性能，大幅度降低激光器中的温度升高，从而提高激光器的输出功率。激光谐振腔由后端反射镜8，输出耦合镜7及半导体增益介质底部的布拉格反射镜16一起构成；后端反射镜对1064nm和532nm波段激光高反镀膜，输出耦合镜对1064nm 波段激光高反镀膜，对532nm波段倍频光高透镀膜；滤波装置9是厚度为40μm的未镀膜玻璃标准具，该标准具对基频激光线宽的压窄作用如图4所示，它能把基频激光的线宽压缩到原来的约十分之一左右；非线性晶体10采用对1064nm基频光切割的10mm长LBO倍频晶体，该晶体两端对1064nm波段镀增透膜，并在腔中放置于光腰处，以获得高的转换效率。工作时，量子阱势垒层15吸收抽运光1，产生光生载流子；载流子被量子阱14俘获，在量子阱内跃迁辐射，为激光器提供增益；满足振荡条件波长的1064nm波段辐射在谐振腔中形成振荡，产生基频激光；基频光通过滤波装置9，其线宽被数倍地压窄，再通过非线性晶体10作用，产生532nm波段倍频激光，经由输出耦合镜7输出，可获得532nm波段的高功率倍频绿光输出；激光器工作中产生的热量主要由高热导率的散热窗口5带走，余下部分由热沉6带走。

实施例2：

半导体激光抽运光源1为670nm；半导体薄片增益介质中的半导体量子阱层为GaAs，量子阱势垒层为AlGaAs，Al含量为0.2；布拉格反射镜由GaAs/AlAs周期构成，其周期数为25-35；后端反射镜对850nm和425nm两个波段高反镀膜，输出耦合镜对850nm波段高反镀膜，对425nm 波段高透镀膜；滤波装置9是厚度为40μm的未镀膜玻璃标准具；非线性晶体采用对850nm基频光切割的10mm长LBO倍频晶体，晶体两端对850nm镀增透膜；可获得425nm波段的高功率倍频蓝光输出。

实施例3：

如图5所示，在实施例1基础上，输出耦合镜7镀1064nm、532nm及355nm三个波段高反膜，倾斜后端镜8使其变为折叠镜，即反射镜18，再加一个对1064nm和532nm高反镀膜、对355nm有透过率的反射镜20形成另一子腔，在此子腔中光腰处置入三倍频非线性晶体LBO，即非线性晶体19，可获得355nm波段的紫外激光输出。

实施例4：

如图1所示，后端反射镜改为针对基频激光设计的半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorption Mirror, SESAM），使基频激光工作在被动锁模状态，可获得皮秒量级的高功率倍频脉冲激光输出。

Claims

1.高功率腔内倍频半导体薄片激光器，包括抽运光源（1）、准直透镜（2）、聚焦透镜（3）、半导体薄片增益介质（4）、散热窗口（5）、热沉（6）、输出耦合镜（7）、后端反射镜（8）或者半导体可饱和吸收镜、及非线性晶体（10）；抽运光经准直聚焦后作用在半导体薄片增益介质（4）上，半导体薄片增益介质之上键合了一块散热窗口；散热窗口之下是增益介质（4），增益介质（4）依次包括防氧化保护层（12）、载流子限制层（13）、10-20对半导体量子阱层（14）与量子阱势垒层（15）构成的周期谐振结构、周期谐振结构之下是布拉格反射镜（16）和基质（17）；整块半导体薄片增益介质被焊接在热沉（6）上。激光谐振腔包括布拉格反射镜、后端反射镜或者半导体可饱和吸收镜之一、及输出耦合镜；

其特征在于：激光谐振腔中设置有滤波装置（9）。

2.如权利要求1所述的高功率腔内倍频半导体薄片激光器，其特征在于：激光谐振腔还设置有反射镜以及三倍频非线性晶体。

3.如权利要求1所述的高功率腔内倍频半导体薄片激光器，其特征在于：抽运光源（1）是780-810nm波长的半导体激光器；散热窗口（5）为厚度为200-500μm厚的金刚石薄片、或者碳化硅薄片、或者宝石薄片；半导体量子阱层（14）为InGaAs, 其中In含量为0.18-0.20 , 量子阱势垒层（15）为GaAs或 AlGaAs，其中Al含量为0.00-0.08，周期谐振结构中量子阱的总个数为10-20个；布拉格反射镜中高折射率层为GaAs，低折射率层为AlAs或AlGaAs，其中GaAs/AlAs或AlGaAs的对数为25-35对；激光腔中的滤波装置为厚度为20-200μm厚的玻璃标准具，或者是双折射滤波片。

4.如权利要求1所述的高功率腔内倍频半导体薄片激光器，其特征在于：抽运光源（1）是650-680nm波长的半导体激光器；散热窗口（5）为厚度为200-500μm厚的金刚石薄片、或者碳化硅薄片、或者宝石薄片；半导体量子阱层（14）为GaAs, 量子阱势垒层（15）为AlGaAs，其中Al含量为0.15-0.25，周期谐振结构中量子阱的总个数为10-20个；布拉格反射镜中高折射率层为GaAs，低折射率层为AlAs或AlGaAs，其中GaAs/AlAs或AlGaAs的对数为25-35对；激光腔中的滤波装置为厚度为20-200μm厚的玻璃标准具，或者是双折射滤波片。