CN110233421A - 一种基于环形外腔的锥形半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，包括锥形激光器、衍射光栅、分束镜和全反镜组；所述锥形激光器包括前腔面、后腔面、脊形波导区和锥形增益放大区；衍射光栅位于锥形激光器的出光方向；分束镜位于衍射光栅的衍射光方向；全反镜组将分束镜反射的光变向传输到锥形激光器的后腔面，所述锥形激光器从前腔面发出激光入射到衍射光栅，经衍射光栅衍射传输至分束镜分光，大部分光直接输出，小部分光反射后经过全反镜组变向传输到锥形激光器的后腔面，经过锥形激光器内部的脊形波导区选基横模及锥形增益放大区功率放大再出射，形成循环。采用本发明的一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，可以在保持基于环形外腔的锥形半导体激光器高光束质量的同时，产生窄谱宽、可调谐的高亮度激光。

Description

一种基于环形外腔的锥形半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
高亮度半导体激光是固体激光领域的研究热点，其具有激光功率高、光束质量好的特点。广义的高亮度包含高空间亮度和高光谱亮度。高空间亮度半导体激光器具有多种结构类型，其中最具发展潜力的就是基于环形外腔的锥形半导体激光器(简称锥形激光器)，它把单模高光束质量的脊形主震荡区与锥形增益放大区集成在同一器件中，因此在提供较高输出功率同时仍能保持良好的光束质量。现有报道亮度指标最高的单片式半导体激光器就是德国Ferdinand-Braun研究所研制的锥形激光器，在波长979nm上输出功率11W，M2<1.1，亮度达1000MW/cm2sr。锥形激光器良好的光束质量可以减小光束整形***的复杂程度，提高光纤耦合效率，因而它在泵浦高亮度光纤激光、工业加工、光学检测等领域具有广阔的应用前景。随着光谱合成、相干光通信等新应用场景的出现，对于具有高光谱亮度(窄光谱宽度)、可调谐的新型高亮度激光光源，提出了更高的要求。因此研究具备窄光谱宽度、波长可调谐特性的新型锥形激光器(1)具有重要科学意义和实用价值。
控制锥形激光器光谱亮度及调谐的难点在于：由于锥形激光器侧向模场较大，为控制光谱引入的器件结构常导致高阶侧模、丝状发光非线性效应等劣化光束质量的影响因素，因此在保持高空间亮度前提下实现控制光谱是高亮度半导体激光研究领域的难点和热点。常见的锥形激光器光谱控制技术包括以下两类：
1、片上光栅结构。即在锥形激光芯片内部的脊波导区端面，采用分布布拉格反射(DBR)作为反射器，可以实现光谱锁定。德国Ferdinand-Braun研究所就采用了腔内DBR结构控制谱宽，虽然该结构的锥形DL可以压窄谱宽到13pm，实现了高光谱亮度，但这种方法也固定了激光波长无法调谐，同时腔内光栅制作需要用到大型电子束光刻机或步进光刻机，工艺复杂，成本高昂。
2、外腔光栅反馈结构。为解决波长调谐问题，国外研究人员在DL外部引入闪耀光栅构成外腔半导体激光器，通过外腔光栅反馈进行纵模选择，从而在获得窄光谱的同时实现激射波长的调谐。一般采用Littrow或Littman-Metcalf型两种光栅外腔结构。但是其应用在锥形激光器时存在两个问题：第一，由于锥形DL结构特殊，脊波导长宽一般只有1μm×(3～5)μm，反射光从外腔光栅回注入前腔面，反向传播功率密度过大，可能造成锥形区—脊波导交接处或后腔面烧毁。第二，反射光除了耦合回脊形波导部分外，还有部分在前后腔面之间形成多模式振荡，这部分多模光可能破坏锥形激光器的光束质量。因此，外腔光栅反馈结构无法满足空间合束等应用对于高功率、高光束质量单管锥形DL的需要。
除上述技术之外，还有一些其它控制锥形激光器光谱宽度或调谐的方法，包括基于窄谱种子源的分离MOPA锥形激光器、结合非线性晶体的光谱控制技术等。虽然上述方法能在一定程度上压窄谱宽或实现光谱调谐，但这些方法都不同程度的有空间亮度低、光谱调谐范围窄、后端耦合效率低的缺陷。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，本发明可以在保持基于环形外腔的锥形半导体激光器高光束质量的同时，产生窄谱宽、可调谐的高亮度激光。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，包括锥形激光器、衍射光栅、分束镜和全反镜组；
所述锥形激光器包括前腔面、后腔面、脊形波导区和锥形增益放大区；
所述衍射光栅位于锥形激光器的出光方向；所述分束镜位于衍射光栅的衍射光方向；所述全反镜组将分束镜反射的光变向传输到锥形激光器的后腔面；
所述锥形激光器从前腔面发出激光入射到衍射光栅，经衍射光栅衍射选波长后，传输至分束镜分光，大部分光直接输出，小部分光反射后经过全反镜组变向传输到锥形激光器的后腔面，经过锥形激光器内部的脊形波导区选基横模及锥形增益放大区功率放大再出射，形成循环。
作为优选，所述外延层位于基底的上部，从下到上包括下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上接触层；所述上接触层上部设置P面电极，基底下部设置N面电极。
作为优选，所述衍射光栅为平面衍射光栅或体布拉格光栅。
作为优选，所述衍射光栅可转动，通过转动调节衍射光栅角度；转动衍射光栅改变入射角度，起到选光谱频率(单纵模)和调谐波长的作用。
作为优选，所述分束镜反射率为1％～10％；大部分光可以直接输出，小部分光反射后经过全反镜组传输到锥形激光器后腔面。
作为优选，所述全反镜组中最后一个全反镜位于锥形激光器发出激光的反向延长线上，使其反射的光与锥形激光器发出的激光同轴，使反射的光平行进入锥形激光器。
作为优选，所述全反镜组包括两个全反镜，衍射光栅、分束镜和两个全反镜处于矩形的四角，锥形激光器位于衍射光栅与最后一个全反镜之间，全反镜组包括两个全反镜为最简单结构，实际应用中全反镜的数量可以为两个以上；
作为优选，所述全反镜组中的全反镜反射率为大于99％。
作为优选，所述脊形波导区的宽度为2μm-7μm，长度为0.2mm-1mm。
作为优选，所述锥形增益放大区的锥角度数为4°-7°，长度为1mm-5mm。
作为优选，所述前腔面镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率值为0.01％-1％。
作为优选，所述后腔面镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率值为0.01％-0.2％。
作为优选，还包括快轴准直镜和慢轴准直镜，位于前腔面与衍射光栅之间；所述快轴准直镜位于前腔面与慢轴准直镜之间。
作为优选，还包括单向器，所述单向器位于衍射光栅与分束镜之间，其作用是防止回光干扰。
作为优选，还包括非球面镜组，所述非球面镜组位于后腔面与全反镜组中最后一个全反镜之间，使光经过非球面镜组缩束至与锥形激光器后腔面的脊形波导尺寸一致。
本发明的一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，锥形激光器的前腔面发出激光，经过快轴准直镜和慢轴准直镜的准直，入射到衍射光栅表面，转动衍射光栅改变入射角度，起到选光谱频率(单纵模)，并可转动衍射光栅角度起调谐波长的作用，衍射光通过单向器，传输至分束镜进行分光，大部分透射光直接输出，小部分光反射后经通过全反镜组传输变向，后经过非球面镜组缩束至与锥形激光器后腔面的脊形波导尺寸一致，在锥形激光器内部，空间基模由于脊形波导区的选模作用在模式竞争中获得优势，得到高光束质量的基模(单横模)激光，并在锥形增益放大区得到功率放大，高亮度激光从前腔面输出，构成循环。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：锥形激光器输出的激光经分束后，仅有小部分经全反镜组返回锥形激光器的后腔脊形区，不存在前腔光栅反馈，避免了一般反射式外腔激光器脊形区烧毁和前后腔面间多模式振荡的问题；波长的锁定和调谐是通过改变衍射光栅的角度实现的，由于光栅衍射效率高、角度变化大，因此可以对激光波长实现宽范围、高效率调谐。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明基于环形外腔的锥形半导体激光器的一种结构示意图；
图2是本发明基于环形外腔的锥形半导体激光器的另一种结构示意图；
图3是锥形激光器的结构示意图。
图中标记：1-锥形激光器、2-衍射光栅、3-分束镜、4-全反镜组、5-P面电极、6-上接触层、7-上限制层、8-上波导层、9-量子阱层、10-下波导层、11-下限制层、12-基底、13-N面电极、14-后腔面、15-前腔面、16-脊形波导区、17-锥形增益放大区、18-快轴准直镜、19-慢轴准直镜、20-单向器、21-非球面镜组。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-3所示，本实施例的一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，包括锥形激光器1、衍射光栅2、分束镜3和全反镜组4；全反镜组4包括两个全反镜；
所述锥形激光器1包括前腔面15、后腔面14、脊形波导区16和锥形增益放大区17；
所述衍射光栅2、分束镜3和两个全反镜处于矩形的四角，锥形激光器1位于衍射光栅2与最后一个全反镜之间；
所述衍射光栅2位于锥形激光器1的出光方向；所述分束镜3位于衍射光栅2的衍射光方向；所述全反镜组4将分束镜3反射的光变向传输到锥形激光器1的后腔面14；
所述锥形激光器1从前腔面15发出激光入射到衍射光栅2，经衍射光栅2衍射选波长后，传输至分束镜3分光，大部分光直接输出，小部分光反射后经过全反镜组4变向传输到锥形激光器1的后腔面14，经过锥形激光器1内部的脊形波导区16选基横模及锥形增益放大区17功率放大再出射，形成循环。
作为优选，所述锥形激光器1还包括基底12、外延层、电极；所述前腔面15设置在基底12的一侧面；后腔面14设置在与前腔面15相对的基底12另一侧面；脊形波导区16设置在靠近后腔面14的基底12上；锥形增益放大区17设置在靠近前腔面15的基底12上；锥形增益放大区17与脊形波导区16相连。
作为优选，所述外延层位于基底12的上部，从下到上包括下限制层11、下波导层10、量子阱层9、上波导层8、上限制层7、上接触层6；所述上接触层6上部设置P面电极5，基底12下部设置N面电极13。
作为优选，所述衍射光栅2为平面衍射光栅。
作为优选，所述衍射光栅2可以转动，通过转动调节衍射光栅2角度。
作为优选，所述分束镜3反射率为10％。
作为优选，所述全反镜组4中的全反镜反射率为大于99％。
作为优选，所述脊形波导区16的宽度为5μm，长度为0.6mm。
作为优选，所述锥形增益放大区17的锥角度数为4°，长度为3mm。
作为优选，所述前腔面15镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率值为0.01％。
作为优选，所述后腔面14镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率值为0.01％。
在另一实施例中，所述衍射光栅为体布拉格光栅；还包括非球面镜组，所述非球面镜组位于后腔面与全反镜组中最后一个全反镜之间，使光经过非球面镜组缩束至与锥形激光器后腔面的脊形波导尺寸一致；还包括快轴准直镜和慢轴准直镜，位于前腔面与衍射光栅之间；所述快轴准直镜位于前腔面与慢轴准直镜之间；还包括单向器，所述单向器位于衍射光栅与分束镜之间。
综上所述，采用本发明的一种基于环形外腔的锥形半导体激光器,锥形激光器输出的激光经分束后，仅有小部分经全反镜组返回锥形激光器的后腔脊形区，不存在前腔光栅反馈，避免了一般反射式外腔激光器脊形区烧毁和前后腔面间多模式振荡的问题；波长的锁定和调谐是通过改变衍射光栅的角度实现的，由于光栅衍射效率高、角度变化大，因此可以对激光波长实现宽范围、高效率调谐。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：包括锥形激光器(1)、衍射光栅(2)、分束镜(3)和全反镜组(4)；
所述锥形激光器(1)包括前腔面(15)、后腔面(14)、脊形波导区(16)和锥形增益放大区(17)；
所述衍射光栅(2)位于锥形激光器(1)的出光方向；所述分束镜(3)位于衍射光栅(2)的衍射光方向；所述全反镜组(4)将分束镜(3)反射的光变向传输到锥形激光器(1)的后腔面(14)；
所述锥形激光器(1)从前腔面(15)发出激光入射到衍射光栅(2)，经衍射光栅(2)衍射传输至分束镜(3)分光，大部分光直接输出，小部分光反射后经过全反镜组(4)变向传输到锥形激光器(1)的后腔面(14)，经过锥形激光器(1)内部的脊形波导区(16)选基横模及锥形增益放大区(17)功率放大再出射，形成循环。
2.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述锥形激光器(1)还包括基底(12)、外延层和电极；所述前腔面(15)设置在基底(12)的一侧面；后腔面(14)设置在与前腔面(15)相对的基底(12)另一侧面；脊形波导区(16)设置在靠近后腔面(14)的基底(12)上；锥形增益放大区(17)设置在靠近前腔面(15)的基底(12)上；锥形增益放大区(17)与脊形波导区(16)相连。
3.如权利要求2所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述外延层位于基底(12)的上部，从下到上包括下限制层(11)、下波导层(10)、量子阱层(9)、上波导层(8)、上限制层(7)、上接触层(6)；所述上接触层(6)上部设置P面电极(5)，基底(12)下部设置N面电极(13)。
4.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述衍射光栅(2)为平面衍射光栅或体布拉格光栅。
5.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述衍射光栅(2)可转动，通过转动调节衍射光栅(2)角度。
6.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述分束镜(3)反射率为1％～10％。
7.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：所述全反镜组(4)中最后一个全反镜位于锥形激光器(1)发出激光的反向延长线上，使其反射的光与锥形激光器(1)发出的激光同轴。
8.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：还包括快轴准直镜(18)和慢轴准直镜(19)，位于前腔面(15)与衍射光栅(2)之间；所述快轴准直镜(18)位于前腔面(15)与慢轴准直镜(19)之间。
9.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：还包括单向器(20)，所述单向器(20)位于衍射光栅(2)与分束镜(3)之间。
10.如权利要求1所述的基于环形外腔的锥形半导体激光器，其特征在于：还包括非球面镜组(21)，所述非球面镜组(21)位于后腔面(14)与全反镜组(4)中最后一个全反镜之间。
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