专利名称：透射式电子束泵浦紫外激光管的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光领域，具体涉及半导体激光器。
背景技术：
目前，激光器主要是三类一类是以激光二极管，一类是以DPSS为基础的固体激光器；另一类是以准分子激光器为主的气体激光器。现有的紫外激光器主要以气体激光器为主。现有的紫外激光器都存在着效率低、功耗大、输出功率低等等的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种透射式电子束泵浦紫外激光管，解决以上技术问题。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现透射式电子束泵浦紫外激光管包括一激励源、谐振腔，谐振腔生成在一衬底上，其特征在于，所述激励源采用一电子枪系统；所述谐振腔设置在所述电子枪系统的靶向方向上；所述谐振腔内设有半导体结构，所述半导体结构生成在所述衬底上，所述衬底上设有一层高禁带半导体层，所述高禁带半导体层上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层。本发明选择禁带宽度不同的半导体层，从而组成新的结构的能带结构上形成势能阱结构。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提闻转换效率的目的。所述半导体结构包括至少两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层。具体的可以为所述半导体结构包括两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层，即，两种材质的所述高禁带半导体层交替排列构成层叠式结构。每层所述高禁带半导体层的厚度在I纳米到50纳米。至少两层所述高禁带半导体层层叠构成所述半导体结构，所述半导体结构的厚度大于等于10nm。厚度也可以根据波段和功率的需要来具体设计。所述半导体结构中包括至少两层III-V族半导体材质的高禁带半导体层。具体的III-V族半导体材质可以为氮化铝、氮化镓等氮化物系的III-V族半导体材质。所述半导体结构中包括一层II-VI族半导体材质的高禁带半导体层。II-VI族半导体材质可以为ZnMgSSe系的II-VI族半导体材质。半导体材质可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。高禁带半导体层可以是有应变的，也可以是没有应变的。为了提高转换效率和调控激光的波长。
在所述半导体结构一端设有高反射镜，另一端设有一低反射镜，所述低反射镜外侧还设有一透明基片。以高反射镜、低反射镜中的一个作为所述衬底。
所述电子枪系统包括一真空腔室，自所述真空腔室一端向另一端依次排布有电子枪、电学控制机构、电磁聚焦机构、电磁偏转扫描机构、谐振腔、激光出射口 ；
所述谐振腔的透明基片贴近所述激光出射口。
所述电子枪发出的电子束依次经过电学控制机构、电磁聚焦机构、电磁偏转扫描机构，形成呈现扫描状态的高能电子束，打入所述谐振腔，为激光发射提供能量。
高能电子束携带的能量可以使它穿过作为靶的谐振腔的表面到达能产生激光的半导体结构层。高能电子束会把能量传递给半导体材质中的束缚电子，从而产生自由的电子一空穴对。在半导体材质结构比较完整的情况下，这样产生出的自由电子一空穴对将复合而产生光子。在所述高反射镜、低反射镜和所述透明基片构成的结构中，这些产生出来的光子会被筛选，满足特定条件的光子会被保留在谐振腔内，不满足条件的光子被散射出谐振腔。满足特定条件的光子在谐振腔中反复反射，从而使更多的电子一空穴对复合而产生出更多的光子，由此达成受激辐射，形成激光。
所述电子枪设有发射电子的阴极，所述阴极可以是金属、氧化物、各种纳米管等材料构成的阴极。
电学控制机构可以为一高压电加速机构，用于将电子束加速，提高能量。
所述电磁偏转扫描机构连接有用于一扫描控制系统，所述扫描控制系统控制所述电磁偏转扫描机构，进而通过所述电磁偏转扫描机构控制电子束的发射方向，进而使电子束打在所述谐振腔的不同位置，使谐振腔中半导体结构的不同位置发射激光，避免所述半导体结构因为一个位置长时间发射激光而造成过热。
谐振腔的高反射镜、低反射镜的镜面可以是由多层氧化物介质膜构成的分布式布拉格反射镜或是高反射低吸收的金属膜组成。
还包括一谐振腔冷却系统，所述谐振腔冷却系统包括歧管、热交换系统、冷却液， 所述冷却液设置在所述歧管内，所述热交换系统连接所述歧管的入口和出口，所述歧管包括设置在所述谐振腔周边的周边歧管。冷却液通过周边歧管流经整个谐振腔周边，谐振腔被冷却，冷却液温度上升，升温的冷却液从出口离开周边歧管，从而进入热交换系统，进行冷却和冷却液重新循环。
所述冷却液采用绝缘、透明的冷却液。以便谐振腔冷却系统隔离高电压，省去了其他电隔离系统的设置。所述冷却液可以采用介质冷却液，如3M公司制造的Fluorinert，也可以采用全氟液体或其他非导电流体。
图I为本发明的谐振腔结构示意图2为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图I，透射式电子束泵浦紫外激光管包括一激励源、谐振腔1，谐振腔I生成在一衬底上，激励源米用一电子枪系统2。谐振腔I设置在电子枪系统2的祀向方向上。
谐振腔I内设有半导体结构，半导体结构生成在衬底上，衬底上设有一层高禁带半导体层U，高禁带半导体层11上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层12。
本发明选择禁带宽度不同的半导体层，从而组成新的结构的能带结构上形成势能阱结构。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上， 从而达到提闻转换效率的目的。
半导体结构包括至少两种不同材质的高禁带半导体层11、12，且包含至少三层高禁带半导体层，相邻的两层高禁带半导体层11、12为不同材质的高禁带半导体层。
具体的可以为半导体结构包括两种不同材质的高禁带半导体层，且包含至少三层高禁带半导体层，相邻的两层高禁带半导体层11、12为不同材质的高禁带半导体层，SP， 两种材质的高禁带半导体层交替排列构成层叠式结构。每层高禁带半导体层的厚度在10 纳米到40纳米。至少两层高禁带半导体层11、12层叠构成半导体结构，半导体结构的厚度大于等于12nm。半导体结构的厚度根据所需的功率和波长来具体设计。
半导体结构中包括至少两层III-V族半导体材质的高禁带半导体层U。具体的 III-V族半导体材质可以为氮化铝、氮化镓等氮化物系的III-V族半导体材质。半导体结构中包括也可以是至少两层II-VI族半导体材质的高禁带半导体层12。II-VI族半导体材质可以为ZnMgSSe系的II-VI族半导体材质。半导体材质可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。高禁带半导体层可以是有应变的，也可以是没有应变的。为了提高转换效率和调控激光的波长。
在半导体结构一端设有高反射镜13，另一端设有一低反射镜14，低反射镜14外侧还设有一透明基片15。以高反射镜13、低反射镜14中的一个作为衬底。
参照图2，电子枪系统2包括一真空腔室20，自真空腔室20 —端向另一端依次排布有电子枪21、电学控制机构22、电磁聚焦机构23、电磁偏转扫描机构24、谐振腔I、激光出射口 25。谐振腔I的透明基片15贴在激光出射口 25上。
电子枪21发出的电子束依次经过电学控制机构22、电磁聚焦机构23、电磁偏转扫描机构24，形成呈现扫描状态的高能电子束，打入谐振腔1，为激光发射提供能量。
高能电子束携带的能量可以使它穿过作为靶的谐振腔I的表面到达能产生激光的半导体结构层。高能电子束会把能量传递给半导体材质中的束缚电子，从而产生自由的电子一空穴对。在半导体材质结构比较完整的情况下，这样产生出的自由电子一空穴对将复合而产生光子。在高反射镜13、低反射镜14和透明基片15构成的结构中，这些产生出来的光子会被筛选，满足特定条件的光子会被保留在谐振腔I内，不满足条件的光子被散射出谐振腔I。满足特定条件的光子在谐振腔I中反复反射，从而使更多的电子一空穴对复合而产生出更多的光子，由此达成受激辐射，形成激光。
电子枪21设有发射电子的阴极，阴极可以是金属、氧化物、各种纳米管等材料构成的阴极。电学控制机构22可以为一高压电加速机构，用于将电子束加速，提高能量。
电磁偏转扫描机构24连接有用于一扫描控制系统，扫描控制系统控制电磁偏转扫描机构24,进而通过电磁偏转扫描机构24控制电子束的发射方向，进而使电子束打在谐振腔I的不同位置，使谐振腔I中半导体结构的不同位置发射激光，避免半导体结构因为一个位置长时间发射激光而造成过热。谐振腔I的高反射镜13、低反射镜14的镜面可以是由多层氧化物介质膜构成的分布式布拉格反射镜或是高反射低吸收的金属膜组成。还包括一谐振腔I冷却系统26，谐振腔I冷却系统26包括歧管、热交换系统、冷却液，冷却液设置在歧管内，热交换系统连接歧管的入口和出口，歧管包括设置在谐振腔I周边的周边歧管。冷却液通过周边歧管流经整个谐振腔I周边，谐振腔I被冷却，冷却液温度上升，升温的冷却液从出口离开周边歧管，从而进入热交换系统，进行冷却和冷却液重新循环。冷却液采用绝缘、透明的冷却液。以便谐振腔I冷却系统26隔离高电压，省去了 其他电隔离系统的设置。冷却液可以采用介质冷却液，如3M公司制造的Fluorinert,也可以采用全氟液体或其他非导电流体。本发明具有如下优点I.转换效率高。由于本发明使用了不同禁带宽度的半导体材料，在导带和价带上都形成了势能阱。这个势能阱中能量状态比较集中，掉入势能阱中的电子和空穴收到限制，有利于发光。2.发光波长可调。势能阱中的能量状态与势能阱的具体形状有紧密的联系。通过调整势能阱的宽度和高度，可以调节势能阱中能级的高低。而发光的波长与势能阱中的能级有直接的联系。所以通过调节势能阱的形状就可以调节发光的波长。通过选择不同的材料和结构，本发明的发光波长可以涵盖远红外到深紫外。3.不需要掺杂。宽禁带半导体掺杂非常困难，这也是紫外激光难以用传统的激光二极管方式实现的主要原因。本发明从根本上避开了掺杂问题，从而使制作高效率、大功率的紫外激光器成为可能。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.透射式电子束泵浦紫外激光管包括一激励源、谐振腔，谐振腔生成在一村底上，其特征在于，所述激励源采用ー电子枪系统； 所述谐振腔设置在所述电子枪系统的靶向方向上； 所述谐振腔内设有半导体结构，所述半导体结构生成在所述衬底上，所述衬底上设有ー层高禁带半导体层，所述高禁带半导体层上生长有另ー层禁带宽度不同的高禁带半导体层。
2.根据权利要求I所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半导体结构包括至少两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层。
3.根据权利要求2所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半导体结构包括两种不同材质的所述高禁带半导体层，且包含至少三层所述高禁带半导体层，相邻的两层所述高禁带半导体层为不同材质的所述高禁带半导体层，即，两种材质的所述高禁带半导体层交替排列构成层叠式结构。
4.根据权利要求3所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于每层所述高禁带半导体层的厚度在I nm、nm。
5.根据权利要求4所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于至少两层所述高禁带半导体层层叠构成所述半导体结构，所述半导体结构的厚度大于等于10nm。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半导体结构中包括ー层III-V族半导体材质的高禁带半导体层。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半导体结构中包括ー层II-VI族半导体材质的高禁带半导体层。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述电子枪系统包括一真空腔室，自所述真空腔室一端向另一端依次排布有电子枪、电学控制机构、电磁聚焦机构、电磁偏转扫描机构、谐振腔、激光出射ロ ； 所述谐振腔的透明基片贴近所述激光出射ロ。
9.根据权利要求8所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述电磁偏转扫描机构连接有用于ー扫描控制系统，所述扫描控制系统控制所述电磁偏转扫描机构，进而通过所述电磁偏转扫描机构控制电子束的发射方向，进而使电子束打在所述谐振腔的不同位置，使谐振腔中半导体结构的不同位置发射激光，避免所述半导体结构因为ー个位置长时间发射激光而造成过热。
10.根据权利要求9所述的透射式电子束泵浦紫外激光管，其特征在于还包括ー谐振腔冷却系统，所述谐振腔冷却系统包括歧管、热交换系统、冷却液，所述冷却液设置在所述歧管内，所述热交換系统连接所述歧管的入口和出口，所述歧管包括设置在所述谐振腔周边的周边歧管；冷却液通过周边歧管流经整个谐振腔周边，谐振腔被冷却，冷却液温度上升，升温的冷却液从出ロ离开周边歧管，从而进入热交换系统，进行冷却和冷却液重新循环。
全文摘要
本发明涉及激光领域，具体涉及半导体激光器。透射式电子束泵浦紫外激光管包括一激励源、谐振腔，谐振腔生成在一衬底上，激励源采用一电子枪系统；谐振腔设置在电子枪系统的靶向方向上；谐振腔内设有半导体结构，半导体结构生成在衬底上，衬底上设有一层高禁带半导体层，高禁带半导体层上生长有另一层禁带宽度不同的高禁带半导体层。本发明选择禁带宽度不同的半导体层，从而组成新的结构的能带结构上形成势能阱结构。这些势能阱结构有利于约束半导体导带和价带上的载流子于特定的能量状态上，从而达到提高转换效率的目的。
文档编号H01S5/04GK102983499SQ20121042628
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者张学渊, 钟伟杰, 赵健, 夏忠平 申请人:上海显恒光电科技股份有限公司