具体实施方式

以下讨论针对本文的发展的各种实施方式。虽然这些实施方式中的一个或多个可以是优选的，但是所公开的实施方式不应被解释或以其他方式使用，或者用于限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施方式的讨论仅意味着示例性的实施方式并不旨在使包括权利要求的本公开的范围限于该实施方式。

各种实例实施方案涉及UV激光器，且更具体地涉及如下所述的UV激光器：通过使用支持多个VWLS的多个频率的激光腔并且使用长度优化的非线性光学器件将激光腔内的可见频率加倍成UV光，该UV激光器可由可见波长激光光源(VWLS)提供UV光的有效且时间稳定的产生。本说明书首先介绍示例系统中的UV激光器的高级概述。

作为第一注意事项，为了实现可见光到UV转换，有可能需要满足的两个因素：(1)时间上稳定的高的可见光强度，和(2)适当的非线性晶体或周期性极化材料以将可见光转换成UV光。

图1A示出了根据本文的VIS激光器100(UV激光器的一部分)(这里是VECSEL110)的简化示意图，并且图1B示出了VIS激光器100(UV激光器的一部分)(这里是MECSEL210)的简化示意图。各种其它形式的UV或VIS激光器，无论是替代的VECSEL还是MECSEL，或者以其它方式，都可以适配在本发明的范围内，而不要求限于所示的实施方式，无论是在图中1仅由所附权利要求书的适当范围限制或以其它方式限制本发明。

图1A示出了VECSEL110，其具有VECSEL增益芯片150，VECSEL增益芯片具有一个或多个量子阱120("QW"或"VECSEL QW"或量子点"QD")，量子阱于是可以是激光器的半导体增益介质。增益芯片可以包括一个或多个激光腔，QW120可以被布置和/或封围在相应的激光腔内，并且由于封围，可以通过使用一个或多个的部分反射或全反射腔镜130从腔中提取数瓦特的可见光功率。腔镜130可以是电介质涂覆的镜或体布拉格光栅(Volume BraggGrating，VBG)镜。VBG镜也可以用作波长选择和限制装置。VECSEL QW120进而可以生成输出140。应注意，输出或光140是腔镜130内部的VIS光；而进一步的外部输出或光141是腔镜130外部的VIS输出。取决于镜130和230上的涂层，内部和外部的光强度具有比值。VECSELQW120可以被电或光泵浦以用于使VECSEL QW120产生输出140。在腔镜之间，被围闭的可见光140的功率强度可以大于其在腔镜130外的功率141的至少10倍或更多倍。当所有腔镜都是高度反射的时，典型的放大因子在40和100之间。因此，半导体薄膜激光腔，特别是VECSEL腔可提供必要的可见高强度光140，以提供UV激光器所必需的要求在时间上稳定的高强度可见光141。

或者，图1B示出了可利用MECSEL210设置的UV或VIS激光器100。这里，MECSEL包括MECSEL增益芯片250，MECSEL增益芯片进一步包括MECSEL量子阱220("QW"或"MECSEL QW")，量子阱进而可以是用于激光器的半导体增益介质。类似于上文相对于图1A所描述的VECSEL设置，增益芯片可以包括一个或多个激光腔，QW220可以被布置和/或封围在相应的激光腔内，并且可以通过使用一个或多个的部分反射或全反射腔镜230从腔中提取数瓦特的可见光功率。可以将MECSEL QW220电或光泵浦，以使MECSEL QW220产生输出141。如上文相对于图1A所述的，被围闭的可见光140的功率强度可以大于其在腔镜外的功率的至少10倍或更多倍，并且当所有腔镜都是高度反射的时，通常可以实现40和100之间的放大因子。以此方式，MECSEL腔可提供必要的可见高强度光140以提供UV激光器所需的要求在时间上稳定的高强度可见光。

图1A的VECSEL QW和图1B的MECSEL QW可能需要适当的冷却以确保高功率操作。为了确保对VECSEL增益芯片和MECSEL增益芯片两者的增益区域的QW的适当冷却，可以采用分层结构或分层布置。在该技术中，具有期望特性的散热器和反射器可以围绕QW结构分层或夹置。

因此，图2提供了用于VECSEL增益芯片150的增益区域160的层的截面图。散热器170可以是VECSEL结构的第一层。用于散热器170的材料或组分物可以选自金刚石，SiC，或者可以使用任何高导热光学器件作为/用于冷却装置。在一些情况下，使用SiC代替金刚石作为散热器可以提供一些额外的益处，如下面关于图4进一步讨论的。在图2中，第二层是VECSEL QW120，并且第三层是分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)172。DBR的一个特性是DBR可以具有高的热阻，并且因此随着电或光泵浦功率增加将不有助于VECSEL的冷却。

此外，图3示出了用于MECSEL增益芯片250的增益区域260的层的截面图。散热器170可以是MECSEL结构的第一层。同样，用于散热器170的材料或组分可选自金刚石，SiC或任何高导热光学器件。在图3中，第二层是MECSEL QW220，并且第三层再次是散热器170。如图所示，MECSEL的QW分层结构不具有DBR结构或层；相反，通过将MECSEL QW结构夹在两个冷却装置或散热器之间来实现额外的冷却。

如前所述，使用SiC作为散热器而不使用金刚石或其他材料，可以提供一些额外的益处，因为SiC具有与GaAs和QW材料的热膨胀系数(Coefficient Of Thermal Expansion，CTE)非常相似的热膨胀系数(CTE)。VECSEL和MECSEL通常生长在砷化镓(GaAs)晶圆上，并且因此使用SiC作为散热器可以提供有效的除热材料。图4提供了用于MECSEL增益芯片250的增益区域260的截面图。在该图4中，MECSEL QW220夹置或层叠在SiC层174之间。随着泵浦功率增加，必须从QW220移除更多的废热。在该实施方式中，SiC层174用作高效的热去除材料。SiC具有大约4×10^-6/K的CTE，其更接近QW的CTE(其中晶圆由GaAs制成，并且QW是GaInP/AIGnp/GaAs)，QW的CTE比金刚石的CTE(大约1×10^-6/K)高大约5×10^-6/K。在较高功率操作下，QW的温度可以高达60℃，并且CTE的悬殊(像与金刚石的悬殊)可能导致器件断裂或过热和失效。因此，SiC可以避免该问题，因为其CTE值更接近于在QW的晶圆中使用的GaAs/QW的CTE值。

在一个实施方式中，本发明的主题可以提供一种制造VECSEL增益芯片或MECSEL增益芯片的方法，其中，QW结构首先生长在期望的衬底或晶圆(诸如GaAs)上。GaAs衬底通常可以具有0.2-0.5mm的厚度，这取决于晶圆直径。在基板上生长QW之后，选择和/或指定的散热器(诸如SiC)被光学接合到QW-GaAs晶圆。光学接合涉及与另一晶圆相配的晶圆以保持良好的光学和热接触。注意，SiC与GaAs相比是相对较硬的硬材料，GaAs相对较软，并且在一些情况下是脆弱的。因此，为了实现光学接合，将QW-GaAs晶圆厚度从GaAs侧减小到约0.1mm或更小是有利的。这种厚度的减小使得QW-GaAs晶圆更柔性。SiC晶圆和薄的或减小的厚度QW-GaAs晶圆被表面活化并在标准光学接合机(例如EVP公司的EVG500系列)中在高真空条件下(诸如10^-7托或更高)使用接合工艺压合在一起。对于VECSEL QW增益芯片，仅需要一次光学接合，因为VECSEL增益芯片的一侧被DBR覆盖，如图2所示。

对于MECSEL QW增益芯片，在SiC-QW-GaAs被制成一个单体晶圆组件之后，将该组件浸入酸溶液中(例如H₂SO₄:H₂O₂:H₂O或浓硫酸，或NH₄OH:H₂O₂)，以选择性地移除GaAs。在该酸洗之后，只有薄的QW层留在SiC晶圆上。然后，在高或超高真空条件下，在标准光学接合机中的利用接合工艺，活化第二SiC晶圆并压合到SiC-QW，如上所述。结果是形成了单个SiC-QW-SiC晶圆，如图3和4所示。

如图5A所示，通过施加抗反射(Anti-Reflection，AR)涂层和金属化来进一步处理SiC-QW-GaAs(VECSEL)晶圆和SiC-QW-SiC(MECSEL)晶圆的图案180。然后，通过激光划线和分离来产生单个或单体的SiC-QW-GaAs(VECSEL)增益芯片和单个或单体的SiC-QW-SiC(MECSEL)增益芯片，如图5B所示。具体地，垂直划线190和水平划线192可以形成栅格，并且因此示出了用于激光划线的一个示例性方式，以及示出了可以如何从大的图案或增益芯片阵列180分离出每个单独的增益芯片。

取决于材料相容性，散热器和QW的表面可能在形成牢靠和完全的光学接合方面具有一定的阻力和/或难度。将诸如CN或SiN的介电材料的薄层添加到散热器和QW的表面可有助于减轻接合阻力，并有助于散热器和QW的表面接合。必须适当地选择膜的厚度以最小化散热器与QW之间的光学反射率。图6提供了示出反射率与膜的厚度的关系的曲线图，其中，折射率n＝1.7。因此，在这种情况下，对于厚度的最佳选择是200nm。

图18A提供了包括导带410和价带412的半导体的示意图。量子阱414是半导体的价带和导带中的凹陷。本发明的一个实施方式可以包括增加势垒泵浦激光器430的量子效率。在诸如18B图中示出的示意性图中的势垒泵浦激光器430中，泵浦光子418将电子416从块体的价带412推动到导带410中。为了使势垒泵浦激光器中的量子效率最大化，其QW被设计成吸收泵浦波长和激射波长之间的光子能量差为接近6％的泵浦光。例如，在本发明的拓展中，一个实施方式使用640nm作为泵浦光来产生680nm的光。640nm和680nm之间的差为约6％，通过比较，这显著小于使用532nm泵浦波长以产生680nm激光波长(泵浦波长与激射波长之间的光子能量之间的差约为28％)的其它激光器设计。

在本发明的另一实施方式中，对于井内泵浦激光器，量子效率可进一步增加。井内泵浦激光器是指激光器中使用的结构和方法，其中，泵浦光仅在量子阱中被吸收。图18C提供了井内泵浦激光器440，其中，泵浦光子418将电子416从量子阱的价带412中的层级举升到导带410。在本发明的拓展的一个实施方式中，QW被设计成吸收泵浦波长和激射波长之间的光子能量差为接近3％的光。在一种实施方式中，对于本发明的井内泵浦激光器，泵浦波长是660nm，激射波长是680nm。此外，将SiC接触冷却和井内泵浦组合在一起可以使所产生的可见光功率最大化。井内泵浦结构，方法和技术可以是本领域技术人员已知的，并且也被公开在数个出版物中，例如，"Direct Pumping of Quantum Wells Improves Performanceof Semiconductor Thin-Disk Lasers"Photonics Spectra(June2005)和"EnhancedEfficiency of AIGalnP Disk Laser by In-well Pumping"Optics Express，p2472(2015)。

图7示出了MECSEL的替代实施方式和布置的示意图。具体地，图7示出了UV或VIS激光器100，这里，MECSEL 210包括MECSEL增益芯片250，MECSEL增益芯片进一步具有可以为激光器提供半导体增益介质的一个或多个MECSEL量子阱220("QW"或"MECSEL QW")。类似于图1A中所描述的MECSEL，通过将QW 220封围在激光腔内，可凭借使用一个(或多个)部分反射腔镜230从腔中提取数瓦特的可见光功率。在电或光泵浦时，MECSEL QW220产生输出或VIS140。注意，在此替代实施方式中，为了免除用于VWL的MECSEL增益芯片上的AR涂层，MECSEL增益芯片250布置成相对于光路成布鲁斯特角θ_B(或偏振角)。布鲁斯特角可以帮助避免由于增益芯片上的有缺陷的涂层而引起的一定量的光损耗。

在利用高效多模操作的当前拓展实施方式中，可包括可以免除与功率稳定性相关的反馈回路的多模操作。STDL具有大于若干nm的带宽，所述带宽包含多个频率。STDL可以在大约1nm带宽处提供稳定的VWLS。根据带宽要求，可以通过添加诸如双折射滤板(Birefringent Filter Plate，BFP)的波长限制光学器件来进一步控制带宽。使用上述高效多模操作，此替代实施方案能够提供时间上稳定的高强度VWLS。可对该替代特征进行拓展以避免模拍问题(mode beating problem)，同时还避免单模操作，单模操作可能导致由于腔长度随温度变化而导致的功率不稳定性。此外，通过使用高效多模操作，本文的实施方式还能够避免复杂的反馈系统来维持功率稳定性，这是UV激光器的所期望的特性。

对在本发明的UV激光装置中使用的合适的NLC的选择可能需要具有特定的性质和特性以产生期望的UV光。这些性质和特性可以包括但不限于：(1)对于对应的VWL和UV波长透明；(2)高非线性系数；(3)大的带宽以同时支持多个频率；以及(4)最小的走离角。提供所需特性的示例性NLC可包括：(a)周期性极化晶体，例如钽酸锂(PPLT或PPSLT)；和/或(b)周期性极化LaBGeO₅(PPLBGO)。对于PPLT和PPLBGO，可以使用一阶，二阶或更高阶。

图8示出，在类似的可见波长激光光源(VWLS)条件下、针对两个非线性晶体(NLC)长度的相对强度与波长的关系的曲线图(带宽和UV转换效率)。图8进一步证明NLC长度必须适当地选择，并且NLC的长度在UV激光器的优选功能中起重要作用。较长的晶体可提供较高的转换效率但限制带宽。因此，带宽要求对NLC的最大长度具有限制。60mm的腔长度具有2.5GHz的模间隔(在680nm处为大约0.004nm)。1.6mm长的PPSLT具有为0.1nm的半峰全宽(FWHM)的带宽，这允许约25个频率在这样的腔内振荡。因此，图8示出了在相似的VWLS功率密度下在两个NLC长度下的带宽和UV转换效率。此外，图9示出NLC长度由如图所示的FWHM的带宽要求决定的曲线图。

图10提供了示例性UV激光器101(这里是VECSEL110)的示意图。VECSEL110包括VECSEL增益芯片150，VECSEL增益芯片150具有可为激光器的半导体增益介质的一个或多个量子阱120("QW"或"VECSEL QW")。在该示例中，电或光泵浦半导体薄盘增益介质或增益芯片150也用作第一腔镜。在图10中，NLC 270被布置在输出路径或光路140中的120，130之间，其中，NLC用于在输出或VIS 140穿过NLC时产生UV光。UV光然后行进并穿过部分反射的或覆有专用涂层的UV透射腔镜130。增益芯片150包含腔内SiC散热器，在散热器和GaAs晶圆之间具有CN或SiN涂层的薄层，如上文具体描述的那样。

图11提供了UV激光器101(这里是VECSEL 110)的替代实施方式的又一示意图。在该配置中，NLC 270被布置在包含VECSEL增益芯片150的腔内，VECSEL增益芯片具有一个或多个量子阱120。在该实施方式中，BFP 280被布置在输出路径或光路140中。在该实施方式中，第一专用反射镜132被布置在BFP的后方并与光路对应。第一专用反射镜132的独特之处在于，它的内表面覆有涂层以反射VWL并且高效透过UV以提取UV光。第一专用反射镜132成角度以反射或引导输出或VIS 140通过NLC 270并朝向第二专用反射镜134。第二专用反射镜134的内表面覆有涂层以反射VWL和UV波长。第二专用反射镜134反射UV激光输出或光束142使其通过NLC 270并向回穿过第一专用反射镜132。因此，在两个方向上产生的UV光，左边的UV光被第二腔镜134反射回以与右边的UV光合并为单个UV输出142。以此方式，实现了稳定的基于VECSEL的UV激光输出142。

图12提供了利用MECSEL 210的UV激光器101的另一实施方式的又一示意图。在该实施方式中，NLC 270被布置在包含MECSEL增益芯片250的腔内，MECSEL增益芯片具有一个或多个量子阱220。在该实施方式中，BFP 280被布置在输出140或光路140中。第一反射镜132被布置在BFP后方但与光路对应。第一专用反射镜132的独特之处在于，它的内表面覆有涂层以反射VWL并高效透过UV以提取UV光。第一专用反射镜132成角度以反射或引导输出或VIS 140使其通过NLC 270并朝向第二专用反射镜134。第二专用反射镜134的内表面覆有涂层以反射VWL和UV波长。第二专用反射镜134反射UV激光输出并使其通过NLC 270并向回穿过第一专用反射镜132。因此，在两个方向上产生的UV光，左边的UV光被第二腔镜134反射回以与右边的UV光合并为单个UV输出142。将第三反射镜136布置在MECSEL的增益芯片250背后以反射回VWL。通过将反射镜136，132和134一起使用，实现了稳定的VIS腔。以这种方式，实现了稳定的基于MECSEL的UV激光器。

图13提供了根据本发明的至少一些实施方式的走离补偿NLC的示意图。可以使用从晶体供应商获得的走离补偿NLC来满足最小走离要求。例如，图13提供了一对具有相同相位匹配角的贝塔-钡硼氧化物(Barium Boron Oxide，BBO)光学器件300，所述光学器件被布置在相反的方向上，以使偏斜的光束(2ω)310再次返回到中心。这两个BBO 300之间的间隔可以被减小到零或可以处于光学接触。

图14提供了UV激光器101(这里是VECSEL110)。VECSEL110包括VECSEL增益芯片150，VECSEL增益芯片150具有可以为激光器提供半导体增益介质的一个或多个量子阱120("QW"或"VECSEL QW")。在该示例中，电或光泵浦的半导体薄盘增益介质或增益芯片150也用作第一腔镜。在图14中，将NLC 270布置在输出路径或光路140中，其中，NLC用于在输出或VIS穿过NLC时产生UV光。UV光然后行进并穿过部分反射的或覆有专用涂层的(高反射VIS并且高透射UV)腔镜130。如上所述，增益芯片150包含腔内SiC散热器，在散热器和GaAs晶圆之间具有/不具有CN或SiN涂层的薄层。

图15提供了UV激光器101(这里是井内泵浦的MESEL 400)。MECSEL组件410包括SiC散热器420，SiC散热器可以具有或可以不具有如本公开中其他地方所描述的CN或SiN膜层。泵浦光光学器件430，432，434设置在MECSEL周围的所选择位置处，以将未吸收的泵浦光再回收到MECSEL以用于多次经历井内泵浦。通过将井内泵浦的MECSEL 400封围在激光腔内，就可以通过使用一个(或多个)腔镜230/440从腔中提取数瓦特的可见光功率。NLC 270定位在输出140或光路140中，以将VWL转换为稳定的UV光142。第二腔镜位于腔的与第一腔镜442相对的端部处。因此，图15提供井内泵浦MECSEL400，其中，MECSEL QW 220夹置在CTE相容的散热器420之间，以支持高强度VWL输出140的多个频率。在该实施方式中，使用红光泵浦450来泵浦MECSEL QW 220。在图15中，可以利用红光泵浦450来泵浦meselQW220。在图15中，可以利用适当长度的NLC 270(诸如PPLT/PPLST或PP-LBGO)来将多频率输出140转换成稳定的UV光142。也可以采用该配置的其他变型和实施方式来产生稳定的UV光142，如进一步公开和描述的。

图16提供了VECSEL的布置的示意图，该VECSEL可以通过使用附加的光学器件来提供和实现宽范围的UV功率输出。图16提供了UV激光器101，(这里是VECSEL 110)。VECSEL110包括VECSEL增益芯片150，VECSEL增益芯片具有一个或多个量子阱120("QW"或"VECSELQW")，量子阱可以是或提供用于激光器的半导体增益介质。在该示例中，电或光泵浦半导体薄盘增益介质或增益芯片150也用作第一腔镜。在图16中，NLC 270被布置在输出路径或光路140中，其中，NLC 270用于在输出VIS穿过NLC 270时产生UV光142。然后，UV光142行进并通过部分反射的或覆有专用涂层(高反射VIS和高透射UV)的腔镜或端镜138。如上所述，增益芯片150包含腔内SiC散热器，在散热器和GaAs晶圆之间具有/不具有CN或SiN涂层的薄层。图16还提供或包括聚焦透镜290。

在图16中，可以利用诸如聚焦透镜290的附加光学器件来增加UV激光器的功率输出。聚焦透镜290可以具有焦距F1。端镜138可具有曲率半径R2。在16图中还示出了距离：Dl，D2和D3；其中，D1表示VECSEL增益芯片150的表面与聚焦透镜290之间的距离；D2表示聚焦透镜290与NLC 270之间的距离；以及D3表示NLC 270与端镜137之间的距离。在一个方面，可以通过将F1/R2设置为约等于1并且将D1/(D2+D3)的值设置为约等于2来调整UV功率输出。以这种方式，激光器可以在宽范围的功率水平下操作。

图17提供了UV激光器101(这里是井内泵浦MECSEL 400)的又一示意性视图。MECSEL组件410包括SiC散热器420，SiC散热器可以具有或可以不具有如本公开中其他地方所描述的CN或SiN膜层。泵浦光光学器件430，432，434被设置在MECSEL周围的所选择得位置处，以再回收未吸收的泵浦光以多次穿过。通过将井内泵浦的MESEL 400封围在激光腔内，就可以通过使用一个(或多个)腔镜230/440从腔中提取数瓦特的可见光功率。在该示例中，波长选择和限制光学器件292被定位在输出或VIS 140或光路中，以选择和限制VWF输出140。第二腔镜444位于腔的与第一腔镜440相对的端部处。VWF输出140被第二腔镜反射而穿过NLC 270，以将多频输出或VWF转换成UV光142。UV光在两个方向上产生，并且左边的UV光被第三腔镜134反射回以与右边的UV光合并成单个UV输出1422。因此，图17提供井内泵浦MECSEL400，其中，MECSEL QW 220夹置在CTE相容的散热器420之间，以支持高强度VWL输出140的多个频率。在该实施方式中，使用红光泵浦450来泵浦MECSEL QW220。在图17中，可以利用适当长度的NLC 270(诸如PPLT/PPLST或PP-LBGO)来将多频率输出VIS 140转换为稳定的UV光142。该配置的其他变型和实施方式也可用于产生稳定的UV光142，如进一步公开和描述的。

图19A示出了势垒泵浦激光器500的示例。在图19A中，泵浦光子502被泵浦到导带510的势垒504a中。将泵浦光子502泵浦到势垒504中会在势垒505中产生电子空穴对520a，520b。电子空穴对520a，520b迁移(如虚线522a，522b所示)到量子阱514中的一个量子阱，并在该量子阱处重新组合以产生激光光子524。

图19B示出了井内泵浦激光器600的示例，在图19b中，泵浦光子602被泵浦到导带610的阱614中。泵浦光子602在量子阱614中被吸收，这就在量子阱614中产生了电子空穴对620a，620b。在弛豫(如虚线622a，622b所示)到基态之后，它重新组合成激光光子624。泵浦光子和激光光子之间的能量差(称为量子缺陷)，以热的形式沉积在散热器中，如图1A，1B和2所示。

以上讨论意在说明本发明的原理和各种实施方式。一旦完全理解上述公开内容，对本领域技术人员来说，没有描述的基本概念的许多变化，替代方案和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。所有这些修改和变化都包括在所附权利要求及其法律等同物的范围内，并且本发明的范围不受所给出的示例或其权利要求的限制。