CN121906234A - 一种垂直外腔表面发射激光器及激光设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种垂直外腔表面发射激光器及激光设备，涉及半导体光源技术领域。该垂直外腔表面发射激光器，包括层叠设置的泵浦光源和发光结构，还包括设置于发光结构出光的谐振组件，谐振组件与发光结构之间形成第一谐振腔，泵浦光源出射的泵浦光束投射至发光结构，发光结构受激辐射出射光子，光子在第一谐振腔内往返反射并在往返反射过程中再次受激辐射形成激光束。该垂直外腔表面发射激光器及激光设备，能够减小垂直外腔表面发射激光器的体积，提高耦合效率。

Description

一种垂直外腔表面发射激光器及激光设备

技术领域

本申请涉及半导体光源技术领域，具体而言，涉及一种垂直外腔表面发射激光器及激光设备。

背景技术

垂直外腔面发射激光器（Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL）作为一种兼具半导体激光器高增益特性与传统固体激光器优异光束质量的混合型激光器件，近年来在高功率、高光束质量及波长可调谐激光应用中展现出显著优势。典型的VECSEL结构通常包括一个半导体有源层、一个高反射率的分布式布拉格反射镜以及一个位于外腔中的曲面输出耦合镜，共同构成光学谐振腔。为实现粒子数反转，VECSEL需依赖外部泵浦源对有源层进行激励。在现有技术中，VECSEL普遍采用边发射激光器作为泵浦光源。边发射激光器虽具备较高的输出功率和成熟的商用化基础，但是，边发射激光器与VECSEL分立封装，整体系统体积庞大、装配复杂，不利于小型化与集成化。

发明内容

本申请的目的在于提供一种垂直外腔表面发射激光器及激光设备，能够减小垂直外腔表面发射激光器的体积，提高耦合效率。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例的第一方面，提供一种垂直外腔表面发射激光器，包括层叠设置的泵浦光源和发光结构，还包括设置于发光结构出光的谐振组件，谐振组件与发光结构之间形成第一谐振腔，泵浦光源出射的泵浦光束投射至发光结构，发光结构受激辐射出射光子，光子在第一谐振腔内往返反射并在往返反射过程中再次受激辐射形成激光束。

作为一种可实施方式，谐振组件包括四棱柱，其中，四棱柱的一侧面外凸形成曲面，另一侧面设置有耦出结构，四棱柱的材料为蓝宝石晶体。

作为一种可实施方式，泵浦光源和发光结构之间设置有超透镜，超透镜用于将泵浦光源出射的泵浦光束聚焦后投射至发光结构。

作为一种可实施方式，发光结构包括依次设置于泵浦光源上的散热晶体、第二有源层、渐逝层以及耦合晶体，第二有源层的折射率大于散热晶体的折射率和所述渐逝层的折射率，以使第二有源层与散热晶体、渐逝层连接的表面构成第二谐振腔。

作为一种可实施方式，谐振组件包括对称设置于发光结构中垂线两侧的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜的反射面朝向发光结构的出光面，第二有源层和散热晶体之间的全反射形成反射面，第一反射镜、第二反射镜以及反射面构成第一谐振腔与第二有源层和散热晶体之间的全反射构成第一谐振腔。

作为一种可实施方式，泵浦光源为垂直激发光源，包括依次层叠设置的第一反射层、第一有源层和第二反射层。

作为一种可实施方式，第一反射层和第二反射层为DBR反射结构，第一有源层包括多层量子阱层。

作为一种可实施方式，泵浦光源远离发光结构的一侧设置有散热基板。

作为一种可实施方式，耦合晶体的结构为半球形或者三棱镜，耦合晶体的外表面涂覆有高反射膜。

本申请实施例的第二方面，提供一种激光设备，包括上述垂直外腔表面发射激光器。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请实施例提供的垂直外腔表面发射激光器，包括层叠设置的泵浦光源和发光结构，还包括设置于发光结构出光的谐振组件，谐振组件与发光结构之间形成第一谐振腔，泵浦光源出射的泵浦光束投射至发光结构，发光结构受激辐射出射光子，光子在第一谐振腔内往返反射并在往返反射过程中再次受激辐射形成激光束。泵浦光源和发光结构层叠设置，泵浦光源和发光结构贴合，使得泵浦光源和发光结构集成为一体结构，省去外部泵浦模块、准直透镜及安装支架，整体厚度可控制在毫米级，从而显著减小激光器的体积，提升集成度。且当泵浦光源集成于激光器内部时，泵浦光束在激光器内部传输，无空气界面反射损失，耦合效率接近100%，从而提高耦合效率。因此，本申请实施例的激光器，能够减小垂直外腔表面发射激光器的体积，提高耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的垂直外腔表面发射激光器的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的垂直外腔表面发射激光器的结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的垂直外腔表面发射激光器的结构示意图之三。

图标：100-垂直外腔表面发射激光器；110-泵浦光源；120-发光结构；121-散热晶体；122-第二有源层；123-耦合晶体；130-谐振组件；131-四棱柱；132-第一反射镜；133-第二反射镜；141-超透镜；151-散热基板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，一旦某一项在一个附图中被定义，则在其他附图中不需要对其进行进一步定义。

术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，不能理解为对本申请的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连。对于本领域技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请结合参照图1至图3，本申请实施例提供一种垂直外腔表面发射激光器100（后文简称激光器），包括层叠设置的泵浦光源110和发光结构120，还包括设置于发光结构120出光的谐振组件130，谐振组件130与发光结构120之间形成第一谐振腔，泵浦光源110出射的泵浦光束投射至发光结构120，发光结构120受激辐射出射光子，光子在第一谐振腔内往返反射并在往返反射过程中再次受激辐射形成激光束。

具体的，本申请实施例中的泵浦光源110用于提供激励能量，发光结构120用于在泵浦光束的激发下产生受激辐射，可以理解的是，发光结构120包括量子阱等有源区。

谐振组件130设置于发光结构120的出光侧，与发光结构120共同构成第一谐振腔。

当激光器工作时，泵浦光源110发出的泵浦光束投射至发光结构120的有源区，有源区的半导体材料在吸收高能光子后，电子被激发至导带，形成电子空穴对，随后通过辐射复合返回价带并发射光子，产生初始光子，产生的光子在第一谐振腔内多次往返反射。每次穿过发光结构120的有源区时，通过受激辐射持续放大，形成相干激光并在满足一定条件后出射形成激光。

本申请实施例将泵浦光源110和发光结构120层叠设置，泵浦光源110和发光结构120贴合，使得泵浦光源110和发光结构120集成为一体结构，省去外部泵浦模块、准直透镜及安装支架，整体厚度可控制在毫米级，从而显著减小激光器的体积，提升集成度。且当泵浦光源110集成于激光器内部时，泵浦光束在激光器内部传输，无空气界面反射损失，耦合效率接近100%，从而提高耦合效率。因此，本申请实施例的激光器，能够减小垂直外腔表面发射激光器100的体积，提高耦合效率。

具体的，在实际应用中，当泵浦光源110包括依次层叠设置的第一反射层、第一有源层和第二反射层，可以将发光结构120设置于第二反射层的上表面。在激光器制备过程中，可以利用依次铺设的方式形成泵浦光源110，再在泵浦光源110上铺设发光结构120。可以理解的是，激光器还包括用于支撑的基板。基板与泵浦光源110通过银胶粘合，后在第二反射层上再铺设发光结构120。

可选的，如图1所示，谐振组件130包括四棱柱131，其中，四棱柱131的一侧面外凸形成曲面，另一侧面设置有耦出结构，四棱柱131的材料为蓝宝石晶体。

四棱柱131的内部形成第一谐振腔，具体的，四棱柱131的蓝宝石晶体结构使得光束在蓝宝石-空气界面处全反射。全反射四棱柱131的一侧面外凸形成曲面，凸出的曲面作为反射面，另外，凸曲面具有聚焦作用，可补偿增益芯片热透镜效应，稳定横模，提升光束质量。另一侧面设有耦出结构，耦出结构用于将激光束导出腔外。

具体的，耦出结构可以是部分反射膜、光栅、微棱镜或输出耦合窗口等等形式。其中，耦出结构与曲面可以相对，也可以相邻。

将谐振组件130设置为四棱柱131，如图1所示，四棱柱131直接设置于发光组件上，与发光组件贴合，从而进一步提高激光器的整体性，减小激光器占用的体积。

作为一种可实施的方式，如图1、图2和图3所示，泵浦光源110和发光结构120之间设置有超透镜141，超透镜141用于将泵浦光源110出射的泵浦光束聚焦后投射至发光结构120。

超透镜141由亚波长尺度的纳米天线阵列构成的二维平面光学元件，厚度通常在数百纳米至几微米量级，将超透镜141设置于泵浦光源110与发光结构120之间，对泵浦光源110发出的发散光束进行聚焦，使其精准汇聚到上层发光结构120的有源区。激光器工作时，泵浦光束先穿过位于其正上方的超透镜141。超透镜141通过纳米结构单元将泵浦光束聚焦为直径几十至几百微米的光斑，投射于发光结构120上，激发发光结构120的有源层。

具体的，超透镜141可直接制备在泵浦光源110的上表面上，实现片上光学调控。在层叠方向上，超透镜141的厚度较小，从而大幅降低激光器在垂直方向上堆叠高度。

超透镜141可针对泵浦光源110的发散特性定制相位分布，实现衍射极限聚焦，聚焦效率可达85%以上；避免传统微透镜因球差、像散导致的能量损失，使更多泵浦光束被有效吸收，提升光-光转换效率。

可选的，如图2和图3所示，发光结构120包括依次设置于泵浦光源110上的散热晶体121、第二有源层122、渐逝层以及耦合晶体123，第二有源层122的折射率大于散热晶体121的折射率和渐逝层的折射率，以使第二有源层122与散热晶体121、渐逝层连接的表面构成第二谐振腔。

本申请实施例利用折射率差异形成的光学界面构建内建谐振腔，即第二谐振腔。具体的，第二有源层122的折射率大于散热晶体121和渐逝层的折射率，以使半导体第二有源层122与散热晶体121、渐逝层连接的表面构成子谐振腔。

耦合晶体123由一个高折射率，高热导率的材料构成，例如可以由ZnS或者ZnSe晶体组成的半球形结构实现。半球形晶体弯曲球面蒸镀高反膜，同时在半球形耦合晶体123的平面上蒸镀渐逝层。渐逝层由低折射率材料构成。由于渐逝层的厚度较薄，在附图中未示出。第二有源层122在生长衬底上剥落之后，直接原子力键合到具有渐逝层的耦合晶体123上。第二有源层122的另一面用另一个低折射率、热导系数高的散热晶体121压覆，示例性地，散热晶体121可以采用蓝宝石晶体。

本申请实施例中，第一反射镜132、第二反射镜133以及反射面构成了发光结构120外部的第一谐振腔，而第二有源层122的上下两个表面又构成了发光结构120内部的第二谐振腔。第二谐振腔的一端由半导体材料和散热晶体121的全反射形成，假设内部角度满足全反射条件。第二谐振腔的另一端由半导体材料和渐逝层之间的受抑全反射构成，此受抑全反射的反射率和透射率由渐逝层的厚度和光束角度共同决定。第二谐振腔一方面可以起到增强半导体增益系数的作用，另一方面可以起到选频的作用。第二谐振腔的谐振频率和波长由光束在第二有源层122中的倾斜角度所决定，进一步由第一反射镜132、第二反射镜133与发光结构120的光路角度决定。因此，当调节第一反射镜132、第二反射镜133的光路角度时，可以达到调节激光器的出光波长的目的。

另外，在实际应用中，在垂直于层级的平面上，散热晶体121和所述耦合晶体123的面积大于所述第二有源层122的面积，如图2和图3所示。

可以理解的是，如图1所示，当谐振组件130包括四棱柱131时，发光结构120包括依次设置于泵浦光源110上的散热晶体121和第二有源层122。

作为一种可实施的方式，如图2和图3所示，谐振组件130包括对称设置于发光结构120中垂线两侧的第一反射镜132和第二反射镜133，第一反射镜132和第二反射镜133的反射面朝向发光结构120的出光面，第二有源层122和散热晶体121之间的全反射形成反射面，第一反射镜132、第二反射镜133以及反射面构成第一谐振腔。

其中，发光结构120的中垂线指通过发光结构120几何中心且垂直于其出光面的纵向对称轴，第一反射镜132与第二反射镜133左右对称地布置在该轴线两侧，形成V型光路折叠结构，发光结构120的上表面为激光发射面，即出光面，第一反射镜132和第二反射镜133的反射面均面向出光面，使得从发光结构120发出的光可被两侧反射镜捕获并反射回增益区。第一谐振腔由第二有源层122和散热晶体121之间的全反射、第一反射镜132以及第二反射镜133共同围成，在第一谐振腔内的光路为，光从发光结构120出射后被第一反射镜132反射，再进入有源区进行二次激发后反射至第二反射镜133，在被第二反射镜133反射回再次进入有源区，返回起点，形成折叠往返路径；形成折叠式外腔激光器。

在实际应用中，第一反射镜132和第二反射镜133通常安装在同一基座上，确保角度与位置高度对准。

第一谐振腔的底部反射由第二有源层122与散热晶体121之间的全反射实现。不再需要传统设计中的分布式布拉格反射镜，从而减小热阻，提高散热性能。

具体的，当第一谐振腔中光线传播的方向与第二有源层122的垂直方向形成一定角度的时候，第二有源层122与下方的低折射率介质表面形成全反射。该全反射可以取代高反射率的分布式布拉格反射镜，从而减小热阻，提升散热性能。

可选的，如图1、图2和图3所示，泵浦光源110为垂直激发光源，包括依次层叠设置的第一反射层、第一有源层和第二反射层。

边发射激光器出射光束呈高度不对称的椭圆分布，发散角大，导致泵浦光耦合效率低，且需复杂的准直与整形光学系统；另外，边发射激光器为一维线阵结构，难以实现均匀面泵浦，易在增益芯片上形成热斑，限制输出功率提升并影响光束质量。本申请实施例将泵浦光源110设置为垂直激发光源，垂直腔结构天然支持圆形对称光斑，其正交方向的发散角可低至6.6°，且M²因子接近1.1–1.5，接近衍射极限，也就是说泵浦光源110具有表面垂直出光、圆形光斑、低发散角等等优点。

垂直激发光源为发光结构120提供质量较好的泵浦光束，从而提升激光束的质量；另外，垂直激发光源的面泵浦方式使泵浦光能量均匀分布在增益芯片表面，避免局部过热，实现对发光结构120高效均匀的泵浦和热管理，从而进一步提高激光束的质量。

作为一种可实施的方式，如图1、图2和图3所示，第一反射层和第二反射层为DBR反射结构，第一有源层包括多层量子阱层。

具体的，第一反射层和第二反射层可以是由多对高/低折射率材料交替构成，如AlGaAs/GaAs交替层叠设置，或者AlGaN/GaN交替层叠设置，反射率>99.9%，作为第一反射层和第二反射层。在实际应用中，第一反射层作为底部反射层，通常为N型掺杂；第二发射层作为顶部反射层，通常为P型掺杂，且内部引入投射结构，如氧化限制孔，作为输出耦合结构，使得泵浦光束垂直向上出射。

第一有源层采用多量子阱结构，例如3–5个In₀.₂Ga₀.₈As/GaAs量子阱，每个阱厚约7–10nm，夹在势垒层之间，具有高增益系数、窄增益谱宽以及低阈值电流等等优点。

可选的，如图1、图2和图3所示，泵浦光源110远离发光结构120的一侧设置有散热基板151。

散热基板151承担热量导出功能，还用于为整体激光器提供机械支撑，具体的，散热基板151直接贴合或键合于泵浦光源110的衬底或者底部反射层的背面，构成高效的热传导路径。其中，散热基板151的材料可以是铝。

作为一种可实施的方式，如图2和图3所示，耦合晶体123的结构为半球形或者三棱镜，耦合晶体123的外表面涂覆有高反射膜。

将耦合晶体123设置为半球形或者三棱镜，使得耦合晶体123的结构多样化，提高激光器的适应性。

本申请实施例还提供一种激光设备，包括上述垂直外腔表面发射激光器100。激光设备具有与垂直外墙表面发射激光器相同的结构和有益效果，由于垂直外腔表面发射激光器100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，故在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，包括层叠设置的泵浦光源和发光结构，还包括设置于所述发光结构出光的谐振组件，所述谐振组件与所述发光结构之间形成第一谐振腔，所述泵浦光源出射的泵浦光束投射至发光结构，所述发光结构受激辐射出射光子，所述光子在所述第一谐振腔内往返反射并在往返反射过程中再次受激辐射形成激光束。

2.根据权利要求1所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述谐振组件包括四棱柱，其中，所述四棱柱的一侧面外凸形成曲面，另一侧面设置有耦出结构，所述四棱柱的材料为蓝宝石晶体。

3.根据权利要求1所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述泵浦光源和所述发光结构之间设置有超透镜，所述超透镜用于将所述泵浦光源出射的泵浦光束聚焦后投射至所述发光结构。

4.根据权利要求1所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述发光结构包括依次设置于所述泵浦光源上的散热晶体、第二有源层、渐逝层以及耦合晶体，所述第二有源层的折射率大于所述散热晶体和所述渐逝层的折射率，以使所述第二有源层与所述散热晶体、所述渐逝层连接的表面构成第二谐振腔。

5.根据权利要求4所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，谐振组件包括对称设置于所述发光结构中垂线两侧的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射面朝向所述发光结构的出光面，所述第二有源层和所述散热晶体之间的全反射形成反射面，所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述反射面构成所述第一谐振腔。

6.根据权利要求1所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述泵浦光源为垂直激发光源，包括依次层叠设置的第一反射层、第一有源层和第二反射层。

7.根据权利要求6所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述第一反射层和所述第二反射层为DBR反射结构，所述第一有源层包括多层量子阱层。

8.根据权利要求1所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述泵浦光源远离所述发光结构的一侧设置有散热基板。

9.根据权利要求4所述的垂直外腔表面发射激光器，其特征在于，所述耦合晶体的结构为半球形或者三棱镜，所述耦合晶体的外表面涂覆有高反射膜。

10.一种激光设备，其特征在于，包括权利要求1~9任意一项所述的垂直外腔表面发射激光器。