阅读说明：本技术 一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置及激光器 (Gain device based on micro-nano structure semiconductor thin film and laser ) 是由 崔文达 韩凯 王红岩 杨子宁 宋长青 华卫红 许晓军 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置及激光器,该微纳结构半导体薄膜自上而下包括窗口层(223)、微结构层(221)和多量子阱层(222)；所述多量子阱层(222)包括至少两层势垒层,不同所述势垒层之间包括阱层；所述势垒层和所述阱层分别由不同半导体材料制备而成；该增益装置包括棱镜窗口(21)和所述微纳结构半导体薄膜(22)；该激光器包括至少一个有源镜(2),有源镜(2)包括所述增益装置、基底(23)、热沉(24)和聚焦透镜(25)。本发明提供的激光器能够在高功率条件下实现高效率、高光束质量的输出。(The invention discloses a gain device and a laser based on a micro-nano structure semiconductor film, wherein the micro-nano structure semiconductor film comprises a window layer (223), a micro-structure layer (221) and a multi-quantum well layer (222) from top to bottom; the MQW layer (222) comprises at least two barrier layers, and the barrier layers are different from each other in that a well layer is included; the barrier layer and the well layer are respectively prepared from different semiconductor materials; the gain device comprises a prism window (21) and the micro-nano structure semiconductor film (22); the laser comprises at least one active mirror (2), the active mirror (2) comprising said gain means, a substrate (23), a heat sink (24) and a focusing lens (25). The laser provided by the invention can realize high-efficiency and high-beam-quality output under the condition of high power.)

一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置及激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置及激光器。

背景技术

光泵浦固态激光器是目前实现高功率、高效率输出的主要激光器之一。目前，制约固体激光器功率和光束质量进一步提升的主要瓶颈是激光器运行过程中产生的废热，这些废热会造成固体介质中的热透镜、退偏、双折射、热应力等不良效应，导致激光器功率、效率以及光束质量的下降，因此提高激光器的散热效率是突破高能固体激光器功率提升的重点。

半导体薄膜激光器是实现高效散热的有效技术方案之一。一方面，半导体薄膜是一种厚度在微米或纳米量级的半导体增益介质，如GaN，GaAs，GaSb和InP等。这些半导体材料具有极高的吸收和增益系数，有潜力在微米级的厚度中实现泵浦光的有效吸收和激光的有效增益。另一方面，基于较为成熟的半导体生长技术，半导体薄膜横向尺寸能够达到毫米至厘米量级，因此增益介质具有极高的比表面积，整个增益结构能够实现极高的散热效率。

目前，大部分高功率半导体激光器为电激励边发射激光器，此类激光器的电光转化效率能够达到70%左右，但是由于边发射激光器的发散角较大，无法实现高光束质量输出，而采用反射式出光的垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）能够实现高光束质量、大模场的激光。但是此类激光器目前还无法实现高功率输出，其主要限制因素仍是热效应的影响，高功率运行条件下半导体增益层产生的废热不能快速通过热沉导出，影响了激光器的输出功率和效率。去除此类激光器中的分布式布拉格反射（DBR）层是一种有效的提高散热效率的方式，但是去除DBR层后，激光垂直于增益介质表面的全反射又无法很好解决。总而言之，进一步提高半导体增益薄膜的散热效率，解决无DBR层的VECSEL的全反射难题，是目前实现一种在高功率条件下实现高效率、高光束质量输出的激光器的关键。

发明内容

本发明提供一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置及激光器，用于提高现有技术中VECSEL激光器的散热效率，在无DBR层时实现反射式出光，从而获得高效率、高光束质量的激光输出。

为实现上述目的，本发明提出一种微纳结构半导体薄膜，自上而下，包括窗口层223、微结构层221和多量子阱层222；

所述多量子阱层222包括至少两层上下叠置的势垒层和至少一阱层，所述阱层位于不同所述势垒层之间；所述势垒层和所述阱层分别由不同半导体材料制备而成。

优选地，所述微结构层221为一维光栅结构。

优选地，所述微结构层221的周期为0~λ/n（λ/n表示λ除以n）之间，占空比为0.01~0.99，刻蚀深度为0~λ/n之间，其中，λ为激光波长，n为介质折射率。

优选地，所述势垒层厚度为0~λ/2n（λ/2n表示λ除以2n）之间，λ为激光波长，n为介质折射率；所述阱层厚度为5~15 nm。

优选地，所述窗口层223的厚度为0~λ/10n（λ/10n表示λ除以10n）之间，λ为激光波长，n为介质折射率。

为实现上述目的，本发明还提出一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置，包括棱镜窗口21和如上述所述的微纳结构半导体薄膜22；

所述棱镜窗口21包括底面213和至少一对相对于所述底面倾斜的倾斜表面；一对所述倾斜表面对称分布在所述底面213上，倾斜角度分别为大于+0º、小于+90º和大于-0º、小于-90º；所述倾斜表面均镀有一组膜系以实现对泵浦光反射、振荡光透射的目的；

所述微纳结构半导体薄膜22至少上端与所述棱镜窗口21的底面213固定连接；

泵浦光从所述微纳结构半导体薄膜22的侧边垂直所述底面213进入所述棱镜窗口21内，经所述倾斜表面全反射后从所述窗口层223进入所述微纳结构半导体薄膜22内进行增益。

优选地，所述膜系包括若干层泵浦光高反膜和若干层振荡光高透膜，所述泵浦光高反膜的反射率大于99.9%，所述振荡光高透膜的透射率大于99.9%。

为实现上述目的，本发明还提出一种基于微纳结构半导体薄膜的激光器，包括：

有源镜组，包括至少一个有源镜2，所述有源镜2包括如上述所述的增益装置、基底23、热沉24和聚焦透镜25；所述基底23的一端与所述微纳结构半导体薄膜22的下端固定连接，所述基底23的另一端固定连接在所述热沉24上；所述聚焦透镜25分布在所述基底23的侧边并固定在所述热沉24上，泵浦光通过所述聚焦透镜25垂直所述棱镜窗口21的底面213进入所述棱镜窗口21内；

当所述有源镜组内的有源镜2的数量为2时，所述有源镜2错位相对排列，当所述有源镜组内的有源镜2的数量≥3时，所述有源镜2按锯齿形排列，以保证从一个有源镜2透射出的振荡光可以相同入射角进入相邻有源镜2内；

全反镜3和耦合输出镜4，所述全反镜3和所述耦合输出镜4对称分布在所述有源镜组两侧；

所述有源镜组、全反镜3和耦合输出镜4共同组成谐振腔；

至少一个泵浦源1，用于提供泵浦光。

优选地，所述基底23采用高热导率材料，导热系数大于500W/m·K。

优选地，所述泵浦源1采用半导体泵浦源，泵浦方式为分布式泵浦。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的基于微纳结构半导体薄膜的激光器，去除了传统OPSL的DBR层，可有效提高散热效率，从而降低热效应对光泵半导体激光器功率提升的限制，可以实现大功率输出。

2、本发明提供的基于微纳结构半导体薄膜的激光器，通过对半导体增益薄膜的微结构设计实现对泵浦光和振荡光的高反射，同时在微纳结构半导体薄膜内部实现光场局域增强，并使微纳结构半导体薄膜内阱层和势垒层均能够处于光场增强位置，从而实现更高的单程增益和更低的泵浦阈值，从而提高激光器效率，实现高光束质量、大模场的激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中提供的微纳结构半导体薄膜的结构示意图；

图2为本发明实施例2中提供的基于微纳结构半导体薄膜的增益装置的结构示意图；

图3为本发明实施例3中提供的基于微纳结构半导体薄膜的激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例3中不同入射角条件下有源镜的反射率分布图；

图5为本发明实施例3中泵浦光和振荡光在微纳结构半导体薄膜内的光场分布图。

附图标号说明：1：泵浦源；2：有源镜；21：棱镜窗口；211：第一倾斜表面；212：第二倾斜表面；213：底面；22：微纳结构半导体薄膜； 221：微结构层；222：多量子阱层；223：窗口层；23：基底；24：热沉；25：聚焦透镜；3：全反镜；4：耦合输出镜。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种微纳结构半导体薄膜，自上而下，包括窗口层223、微结构层221和多量子阱层222；

所述多量子阱层222包括至少两层上下叠置的势垒层和至少一阱层，所述阱层位于不同所述势垒层之间；所述势垒层和所述阱层分别由不同半导体材料制备而成。

微纳结构半导体薄膜的设计属于微纳结构设计，通过所述微纳结构设计实现光场在所述微纳结构半导体薄膜内的增益层（阱层和势垒层）的局域增强，从而实现更高的单程增益和更低的泵浦阈值，同时可实现对泵浦光和腔内振荡光的高反射或高透射率。

优选地，所述微结构层221为一维光栅结构，以实现微纳结构半导体薄膜的高反射功能。

优选地，所述微结构层221的周期为0~λ/n之间，占空比为0.01~0.99，刻蚀深度为0~λ/n之间，其中，λ为激光波长，n为介质折射率。微结构层221的结构优化设计以更好实现微纳结构半导体薄膜的高反射功能。

优选地，所述势垒层厚度为0~λ/2n之间，λ为激光波长，n为介质折射率；所述阱层厚度为5~15 nm。势垒层、阱层的厚度与其使用的材料相关，根据势垒层和阱层的材质来设计其厚度，以确保微纳结构半导体薄膜具有高反射功能。

优选地，所述窗口层223的厚度为0~λ/10n之间，λ为激光波长，n为介质折射率。窗口层223用于保护微结构层221，控制窗口层223的厚度以对微结构层221起到更好地保护作用，同时不影响微纳结构半导体薄膜的高反射功能。

本发明还提出一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置，包括棱镜窗口21和如上述所述的微纳结构半导体薄膜22；

所述棱镜窗口21包括底面213和至少一对相对于所述底面倾斜的倾斜表面；一对所述倾斜表面对称分布在所述底面213上，倾斜角度分别为大于+0º、小于+90º和大于-0º、小于-90º；所述倾斜表面均镀有一组膜系以实现对泵浦光反射、振荡光透射的目的；

所述微纳结构半导体薄膜22至少上端与所述棱镜窗口21的底面213固定连接；

泵浦光从所述微纳结构半导体薄膜22的侧边垂直所述底面进入所述棱镜窗口21内，经所述倾斜表面全反射后从所述窗口层223进入所述微纳结构半导体薄膜22内进行增益。

优选地，所述膜系包括若干层泵浦光高反膜和若干层振荡光高透膜，所述泵浦光高反膜的反射率大于99.9%，所述振荡光高透膜的透射率大于99.9%。不同所述泵浦光高反膜可实现对不同波长和入射角的泵浦光的高反射；不同所述振荡光高透膜可实现对不同波长振荡光的高透射。而膜的反射率或透射率高则可降低光的损失。

优选地，所述微纳结构半导体薄膜22的上端与所述棱镜窗口21的底面通过光胶技术贴合，以提高微纳结构半导体薄膜22的散热效率。

本发明还提出一种基于微纳结构半导体薄膜的激光器，包括：

有源镜组，包括至少一个有源镜2，所述有源镜2包括如上述所述的增益装置、基底23、热沉24和聚焦透镜25；所述基底23的一端与所述微纳结构半导体薄膜22的下端固定连接，所述基底23的另一端固定连接在所述热沉24上；所述聚焦透镜25分布在所述基底23的侧边并固定在所述热沉24上，泵浦光通过所述聚焦透镜25垂直所述棱镜窗口21的底面213进入所述棱镜窗口21内；

当所述有源镜组内的有源镜2的数量为2时，所述有源镜2错位相对排列，当所述有源镜组内的有源镜2的数量≥3时，所述有源镜2按锯齿形排列，以保证从一个有源镜2透射出的振荡光可以相同入射角进入相邻有源镜2内；

全反镜3和耦合输出镜4，所述全反镜3和所述耦合输出镜4对称分布在所述有源镜组两侧；

所述有源镜组、全反镜3和耦合输出镜4共同组成谐振腔；

至少一个泵浦源1，用于提供泵浦光。

有源镜组、全反镜3和耦合输出镜4共同组成谐振腔，通过微结构层221的结构设计，微纳结构半导体薄膜22内产生的振荡光在基底23与微纳结构半导体薄膜22的交界处发生全反射，同时振荡光在多量子阱层222内产生局域场增强，能够有效提高激光器效率；

激光器运行过程中，振荡光在多个有源镜2中产生全反射的同时获得增益放大，在全反镜3处产生全反射，在耦合输出镜4处产生部分反射；进一步地，全反镜3对振荡光的反射率大于99.9%；进一步地，耦合输出镜4反射率大于0，小于99%；经过在谐振腔中不断的往返，振荡光不断得到增益放大，最终在耦合输出镜4处输出激光。

有源镜组中有源镜2的数量根据实际使用需求进行设置，有源镜2的数量越多，对激光的增益效果越好。泵浦源1的数量根据有源镜2的数量进行设置，每个有源镜2对应一组泵浦源1。

优选地，所述有源镜组中的有源镜2均采用反射式，即振荡光在微纳结构半导体薄膜处发生全反射，以利于在有源镜组、全反镜3和耦合输出镜4之间形成谐振腔。

优选地，所述基底23采用高热导率材料，导热系数大于500W/m·K。基底23作为本发明激光器的散热层，选择高热导率材料以提高激光器的散热效率。

优选地，所述基底23加工成为具有设定曲率的表面，从而制成凹面或凸面有源镜，以增加本发明激光器的应用范围。

优选地，所述泵浦源1采用半导体泵浦源，泵浦方式为分布式泵浦。选择合适的泵浦源以提供高质量的泵浦光。分布式泵浦即：每个有源镜2对应一组泵浦源（一个聚焦透镜对应一个泵浦源），可有效减轻每个有源镜的散热压力。泵浦光由所述底面213进入所述棱镜窗口21内经所述第一倾斜表面211和第二倾斜表面212全反射后入射至微纳结构半导体薄膜22内部，泵浦光经微结构层221的调制并在多量子阱层222产生局域光场增强，从而提高泵浦光的吸收率。

优选地，所述棱镜窗口21的底面与所述聚焦透镜25对应位置处（即泵浦光入射处）镀有泵浦光高透膜（优选镀波长960 nm，入射角为0度的高透膜），以增加泵浦光的透过率。

本发明提供的半导体薄膜激光器去除了传统的DBR反射层，代之以特殊设计的微纳结构实现高反射和光场局域增强，从而实现更高的散热效率和大模场输出。本发明提出的半导体薄膜为实现高功率、高光束质量固体激光器提供了一种有效的解决方案。

实施例1

本实施例提供一种微纳结构半导体薄膜，如图1所示，自上而下，包括窗口层223、微结构层221和多量子阱层222；

所述多量子阱层222包括四层上下叠置的势垒层GaAs（每层势垒层GaAs（砷化镓）厚度为250nm）和三层阱层InGaAs（每层阱层InGaAs（铟镓砷）厚度为10nm），所述阱层位于不同所述势垒层之间；

所述微结构层221为一维光栅结构，光栅周期为550 nm，占空比为0.5，刻蚀深度为300nm。

所述窗口层223的材质为SiO₂，厚度为5 nm。窗口层223位于微纳结构半导体薄膜22的上端，起到保护微结构层221的作用。

本实施例中，微结构层221与多量子阱层222一起构成光栅波导结构，当从窗口层223入射的激光以特定角度入射时将会产生导模共振效应，多量子阱层222内部产生局域场增强。

实施例2

本实施例提供一种基于微纳结构半导体薄膜的增益装置，如图2所示，包括棱镜窗口21和如实施例1所述的微纳结构半导体薄膜22；

所述棱镜窗口21包括底面213和一对相对于所述底面倾斜的倾斜表面（第一倾斜表面211和第二倾斜表面212）；一对所述倾斜表面对称分布在所述底面213上，倾斜角度分别为+45º和-45º；所述倾斜表面均镀有一组膜系以实现对泵浦光反射、振荡光透射的目的；

所述微纳结构半导体薄膜22的上端与所述棱镜窗口21的底面213通过光胶技术贴合，提高微纳结构半导体薄膜22的散热效率；

泵浦光从所述微纳结构半导体薄膜22的侧边垂直所述底面213进入所述棱镜窗口21内，经所述倾斜表面全反射后从所述窗口层223进入所述微纳结构半导体薄膜22内进行增益。

所述膜系包括一层泵浦光高反膜和一层振荡光高透膜；所述泵浦光高反膜为波长960 nm，入射角为γ时的高反膜，反射率大于99.9%；所述振荡光高透膜为波长996 nm，入射角为0度时的高透膜，透射率大于99.9%。

本实施例中，泵浦光垂直所述底面213入射至棱镜窗口21内的第一倾斜表面211，入射角为γ，泵浦光在第一倾斜表面211处全反射，以入射角α入射至微纳结构半导体薄膜22，在微纳结构半导体薄膜22内进行增益并发生全反射。

实施例3

本实施例提供一种基于微纳结构半导体薄膜的激光器，如图3所示，包括：

有源镜组，包括三个有源镜2，所述有源镜2包括如实施例2所述的增益装置、基底23、热沉24和聚焦透镜25；所述基底23的一端与所述微纳结构半导体薄膜22的下端通过光胶技术贴合固定，所述基底23的另一端通过铟膜焊接工艺固定连接在所述热沉24上；每个有源镜2包括两个聚焦透镜25，所述聚焦透镜25对称分布在所述基底23的侧边，所述聚焦透镜25贯穿所述热沉24并固定安装在所述热沉24上；所述聚焦透镜25的一端靠近泵浦源1，另一端靠近所述棱镜窗口21的底面213，泵浦光通过所述聚焦透镜25可垂直所述棱镜窗口21的底面213进入所述棱镜窗口21内；有源镜组中三个有源镜2按锯齿形排列，以保证从一个有源镜2透射出的振荡光可以相同入射角进入相邻有源镜2内；

全反镜3和耦合输出镜4，所述全反镜3和所述耦合输出镜4对称分布在所述有源镜组两侧；

所述有源镜组、全反镜3和耦合输出镜4共同组成谐振腔；所述全反镜3用于将从所述有源镜组中透射出的振荡光全反射重新进入所述有源镜组内；所述耦合输出镜4用于将从所述有源镜组中透射出的振荡光按设置的输出率输出，未输出的振荡光被耦合输出镜4反射重新进入所述有源镜组内；

六个泵浦源1，用于提供泵浦光。泵浦源1采用半导体泵浦源，泵浦方式为分布式泵浦。

所述有源镜组中的有源镜2均采用反射式；

所述基底23采用金刚石材质，厚度为3mm；基底23与热沉24通过铟膜焊接工艺连接；

所述微纳结构半导体薄膜22利用剥离法转移至基底23的一端上，并与基底23通过光胶技术贴合固定（即通过范德凡尔斯力结合）；

所述棱镜窗口21的底面213与所述聚焦透镜25对应位置处（即泵浦光入射处）镀有波长960 nm、入射角为0度的泵浦光高透膜。

本实施例提供的半导体薄膜激光器在运行过程中，微纳结构半导体薄膜22中产生的废热通过散热层（即基底23）快速传导至热沉24，可使激光器微纳结构半导体薄膜22在高功率运行时保持较低的温度。

图4为不同入射角条件下本实施例中有源镜2的反射率分布。从图4可知，入射波（泵浦波）的波长为960 nm，在第一表面211处的入射角γ=α-β=5°，在微纳结构半导体薄膜22处的入射角为α=47°；振荡波的波长为996 nm，在微纳结构半导体薄膜22处的入射角β=42°。由此可知，只有在特定角度下，泵浦光和振荡光才能发生全反射。

图5为本实施例中泵浦光和振荡光在微纳结构半导体薄膜22内的光场分布，由图可知，微纳结构半导体薄膜22内部光场得到明显增强，并且阱层位于增强的振荡光光场最强处，势垒层位于增强的泵浦光光场最强处，从而提高激光器的单程吸收和增益，提高激光器效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。