专利名称：空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激光器。
背景技术：
光泵浦垂直腔面发射半导体激光器具有良好的空间光强分布、大的输出功 率范围、体积小、光束质量好等突出优点，使光泵浦垂直外腔面发射半导体激 光器具有广阔的应用范围。光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器结合了半导体 泵浦固体激光器和垂直外腔面发射半导体激光器的构造方法，吸取了二者的优 点，既能输出面发射激光器的优质基模高斯光束，又能获得可与边发射激光器
相比拟的高功率。具有芯片结构简单，无PN结，无电接触，极大地简化了的生 长过程，提高了可靠性；没有电流注入，消除了附加电阻上相应的热效应；芯 片用非掺杂的半导体材料生长，减少了自由载流子吸收导致的光损耗，较低的 对泵浦元件损伤性、较高的可靠性和大的输出功率范围等突出优点，使得输出 功率稳定性更高；从光泵浦激光器的谐振腔设计角度来看，它类似于半导体泵 浦固体薄片激光器，降低了热效应，但波长上可以灵活设计；同时，泵浦的效 率上亦可得到较大的改善，可有效地提高转换效率和阈值功率，比半导体泵浦 固体薄片激光器的设计更加灵活。
散热问题是光泵浦垂直外腔面发射激光器向高功率拓展的瓶颈，同时也是 影响光-光转换效率的关键问题。引起面发射半导体芯片增益降低的主要因素有 两个 一是温升导致的单个量子阱的峰值增益降低；二是热效应使激光场的波 腹与量子阱的位置错开，从而致使吸收效率降低，耦合强度减弱。面发射半导 体芯片的热效应影响着器件的正常工作，对光泵浦垂直外腔面发射激光器有效的热管理是提高其输出激光功率、效率和改善光束质量的关键问题之一。
随着泵浦光功率的加大，热效应问题也变得愈来愈严重，克服热效应，获
得良好的输出激光特性已经成为研究的热点。研究人员先后报道了如下几种通
过改善其热特性的方法来提高激光输出特性，如通过减薄面发射半导体芯片衬
底[Peter Brick; Stephan Lutgen， Tony Albrecht，etal.High-efficiency high-power semiconductor disc
laser.ProcofSPIE.4993 (2003):50-56]、改善热沉与芯片以及芯片出光面与高导热的透
明才才料间的键合工艺[William J Alford, Thomas D Raymond,and Andrew AAllerman.High power and good beam quality at 980 nm from a vertical external-cavity surface-emitting laser.J.
Opt.Soc.Am—B.2002,19(4):663-666]等方法来实现良好的散热；通过采用双反射带型反
射镜[Ki-Sung Kim, Jaeryung Yoo, Gibum Kim,et al.Enhancement of Pumping Efficiency in a Vertical-External- Cavity Surface-Emitting Laser正EE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS.2007,19(23):1925-1927]和应变补偿量子阱结构[Li Fan,Jorg Hader，Marc Schillgalies, etal.High-Power Optically Pumped VECSEL Using a Double-Well Resonant Periodic Gain Structure TEEE Photonics Technology Letters.2005,17 (9): 1764-1766]等降寸氐热^[应方$去
来改善激光器的输出特性。上述改善面发射半导体芯片热特性的方法在一定程
度上缓解了热效应对输出激光特性的影响，但距离实际应用屮对高功率、高效
率和高光束质量的追求还有一定的差距。
常规的光泵浦垂直外腔面发射激光器是基于普通高斯光束作为泵浦源，泵
浦区和激射区相重叠，产生较大的热效应，在泵浦功率较大时，面发射半导体
芯片的温度升高将会使激光器的有效增益减小，输出功率达到饱和，严重时将
会出现荧光猝灭。
发明内容
为了克服光泵浦垂直外腔面发射激光器的泵浦区和激射区重叠，热效应严 重问题，进而改善激光器的输出特性，本发明提供了一种空心光束泵浦直外腔 面发射激光器。
如附图1和附图2所示，本发明的空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激
4光器包括半导体激光器l、传输光纤2、准直透镜3、卡塞格林望远系统4、耦 合透镜5、分光棱镜6、外腔面发射外延片7、铜热沉8和输出镜9组成；其中， 半导体激光器1发出的泵浦激光束经过传输光纤2输出，准直透镜3将光纤输 出的激光束进行准直，卡塞格林望远系统4将准直后的光束变换成空心光束再 经过耦合透镜5进行聚焦，聚焦光经过分光棱镜6入射到外腔面发射外延片7 匕进行泵浦激励，外腔面发射外延片7受到激励后产生的荧光在外延片7的布 拉格反射镜、分光棱镜6的倾斜面和输出镜9间振荡形成激光输出；
所述的卡塞格林望远系统4由一片凸面反射镜和一片中空的凹面反射镜组 成，入射到凸面反射镜上的光束发散后被凹面反射镜反射输出形成空心光束；
所述的分光棱镜6是两个等腰直角棱镜组成的正方体，对泵浦激光束的透 过率高于99%，两个等腰直角棱镜分界面对45度入射激射荧光高反射；
如图2所示，所述的外腔面发射外延片7由衬底1K缓冲保护层12、窗口 层13、垒区14、量子阱有源区15和布拉格反射镜16构成；所述的衬底11上 依次采用分子束外延法生长缓冲保护层12、窗口层13、垒区14、量子阱有源区 15、垒区1.4和布拉格反射镜16;所述的缓冲保护层12是为了避免窗口层13与 空气直接接触的氧化和晶格失配；窗口层13以防垒区14产生的载流子扩散到 材料表面；量子阱有源区15选择应变补偿量子阱结构，每个周期都生长一层垒 区用于对泵浦光的吸收，量子阱处于l/2波长的整数倍处，生长多个周期，量子 阱数量为3-15个；布拉格反射镜16采用25对以上1/4波长厚度高低折射率材 料交替结构，以保证对激射光具有高于99%的反射率；
所述的外腔面发射外延片7的出光表面键合透明金刚石膜10，背面键合在 铜热沉8上实现将自身产生的废热导出。
有益效果本发明采用空心光束作为泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可调、 无加热效应和传播不变性等特点，使泵浦区与激射区中心相分离来降低外腔面 发射外延片激射区的热效应和微应变，提高光光转换效率和输出功率，改善输 出光束质量和输出光谱稳定度，不失为一种有效的方法。在抽运功率为2W时， 空心光束作为泵浦源比普通高斯光束作为泵浦源，转换效率提高了 11%，输出 圆对称近衍射极限光束，光束质量M2&1。其可为刑事侦察、光信息存储、影像 显示、生物医学仪器、水下探测等光电子信息产业提供了良好的光源。
图1是空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激光器的构成示意框图。图2是外腔面发射外延片7的构成示意图。
具体实施例方式
实施例1如附图1和附图2所示，本发明的空心光束泵浦垂直外腔面发射 半导体激光器由半导体激光器1、传输光纤2、准直透镜3、卡塞格林望远系统 4、耦合透镜5、分光棱镜6、外腔面发射外延片7、铜热沉8和输出镜9组成； 其中，半导体激光器1发出的泵浦激光束经过传输光纤2输出，准直透镜3将 光纤输出的激光束进行准直，卡塞格林望远系统4将准直后的光束变换成空心 光束再经过耦合透镜5进行聚焦，聚焦光经过分光棱镜6入射到外腔面发射外 延片7上进行泵浦激励。外腔面发射外延片7受到激励后产生的荧光在外延片7 的布拉格反射镜、分光棱镜6的倾斜面和输出镜9间振荡形成激光输出。
半导体激光器1为808nm边发射激光器。
传输光纤2为石英光纤，光纤的芯径为400um，数值孔径为0.22。 卡塞格林望远系统4由 一片凸面反射镜和一片中空的凹面反射镜组成，入
射到凸面反射镜卜的光束发散后被凹面反射镜反射输出形成空心光束，反射面 的反射率均高于99%。
分光棱镜6是两个等腰直角棱镜组成的正方体，对泵浦激光束的透过率高 于99%，两个等腰直角棱镜分界面对45度入射激射荧光高反射，反射率高于 99.8%。
如图2所示，外腔面发射外延片7由衬底11、缓冲保护层12、窗口层13、 垒区14、量子阱有源区15和布拉格反射镜16构成；其中，衬底11上依次分子 束外延法生长缓冲保护层12、窗口层13、垒区14、量子阱有源区15、垒区14 和布拉格反射镜16;所述的衬底11是GaAs或InP，外腔面发射外延片7制备 完毕后采用化学腐蚀将衬底11减薄至500um。缓冲保护层12是为了避免窗口 层13与空气直接接触的氧化和晶格失配。窗口层13以防垒区14产生的载流子 扩散到材料表面。量子阱有源区15选择应变补偿量子阱结构，每个周期都生长 一层垒区用于对泵浦光的吸收，量子阱处于1/2波长的整数倍处，生长多个周期， 量子阱数量为3-15个。布拉格反射镜16采用25对以上1/4波长厚度高低折射 率材料交替生长结构，以保证对激射光具有高于99%的反射率。
外腔面发射外延片7的出光表面键合透明金刚石膜10，背面键合在铜热沉 8上从而实现将自身产生的废热导出。
在抽运功率为2W时，空心光束作为泵浦源比普通高斯光束作为泵浦源， 转换效率提高了 11%，输出圆对称近衍射极限光束，光束质量M2^1。
权利要求
1、空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激光器，其特征在于，其包括半导体激光器(1)、传输光纤(2)、准直透镜(3)、卡塞格林望远系统(4)、耦合透镜(5)、分光棱镜(6)、外腔面发射外延片(7)、铜热沉(8)和输出镜(9)组成；所述的半导体激光器(1)发出的泵浦激光束经过传输光纤(2)输出，准直透镜(3)将光纤输出的激光束进行准直，卡塞格林望远系统(4)将准直后的光束变换成空心光束再经过耦合透镜(5)进行聚焦，聚焦光经过分光棱镜(6)入射到外腔面发射外延片(7)上进行泵浦激励；外腔面发射外延片(7)受到激励后产生的荧光在外腔面发射外延片(7)的布拉格反射镜、分光棱镜(6)的倾斜面和输出镜(9)间振荡形成激光输出；所述的卡塞格林望远系统(4)由一片凸面反射镜和一片中空的凹面反射镜组成，入射到凸面反射镜上的光束发散后被凹面反射镜反射输出形成空心光束；所述的分光棱镜(6)是两个等腰直角棱镜组成的正方体，对泵浦激光束的透过率高于99％，两个等腰直角棱镜分界面对45度入射激射荧光高反射；所述的外腔面发射外延片(7)由衬底(11)、缓冲保护层(12)、窗口层(13)、垒区(14)、量子阱有源区(15)和布拉格反射镜(16)构成；所述的衬底(11)上依次分子束外延法生长缓冲保护层(12)、窗口层(13)、垒区(14)、量子阱有源区(15)、垒区(14)和布拉格反射镜(16)；所述的量子阱有源区(15)选择应变补偿量子阱结构，每个周期都生长一层垒区用于对泵浦光的吸收，量子阱处于1/2波长的整数倍处，生长多个周期，量子阱数量为3-15个；布拉格反射镜(16)采用25对以上1/4波长厚度高低折射率材料交替结构；所述的外腔面发射外延片(7)的出光表面键合透明金刚石膜(10)，背面键合在铜热沉(8)上。
全文摘要
本发明提供了空心光束泵浦垂直外腔面发射半导体激光器，其包括半导体激光器(1)、传输光纤(2)、准直透镜(3)、卡塞格林望远系统(4)、耦合透镜(5)、分光棱镜(6)、外腔面发射外延片(7)、铜热沉(8)和输出镜(9)组成。采用空心光束作为泵浦光，利用其具有暗斑尺寸可调、无加热效应和传播不变性等特点，使泵浦区与激射区中心相分离来降低外腔面发射外延片激射区的热效应和微应变，提高光光转换效率和输出功率，改善输出光束质量和输出光谱稳定度。在抽运功率为2W时，比普通高斯光束作为泵浦源转换效率提高11％，输出圆对称近衍射极限光束，光束质量M<sup>2</sup>≈1。可用于刑事侦察、光信息存储、影像显示、医学仪器和水下探测。
文档编号H01S3/0941GK101567520SQ20091006701
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者刘向南, 刘国军, 煌 周, 莉 徐, 戚伟佳, 轶 曲, 菲 王, 王晓华, 翁永超, 薄报学, 欣 高 申请人:长春理工大学