碳基光泵浦半导体高能激光器及激光装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种碳基光泵浦半导体高能激光器，包括：碳基材料基板，所述碳基材料基板的一面为工作面，另一面为导热面；光泵浦半导体激光器芯片，所述光泵浦半导体激光器芯片设置在所述碳基材料基板的工作面，所述光泵浦半导体激光器芯片上设有增益区，所述增益区提供的能量增益至少占所述光泵浦半导体激光器芯片提供能量增益的95％；冷却流体供给装置，所述冷却流体供给装置设置在所述碳基材料基板的导热面，以提供高速冲击的冷却流体对所述碳基材料基板进行导热降温。通过扩大激光器芯片的工作区域面积，提高激光器的输出功率。提高激光器的输出功率。提高激光器的输出功率。

【技术实现步骤摘要】
碳基光泵浦半导体高能激光器及激光装置


[0001]本技术涉及光学设备
，特别是涉及一种碳基光泵浦半导体高能激光器及激光装置。

技术介绍

[0002]高能激光器有着非常广泛的用途，碳基材料具有高热导率、高强度、高硬度特点，光泵浦半导体激光器(0PSL)具有高增益，高吸收，激光波长范围广，芯片厚度薄等特点。
[0003]高能激光器发展面临的主要问题是废热的处理，为了更好的散热，需要更大的散热面积，通常将增益材料做成薄层型，高功率的板条激光器、盘片激光器是其典型的代表，但板条激光器、盘片激光器一般采用传统的掺杂晶体作为增益区，其增益系数低，对泵浦光的吸收系数也低，不得不使用较厚的晶体作为增益区，同时晶体的热导率通常不高，较厚的增益区意味着较高的热阻及较低的激光发射功率。因此，传统的板条激光器、盘片激光器激光发射功率受限，若要进一步的提高激光输出功率，需要将增益区的厚度做的更薄。
[0004]半导体激光器因其材料具有高增益，高吸收特性，激光器芯片厚度通常在微米量级。传统的边发射半导体激光器因光束质量不好，通常只用来做泵浦光源。面发射的半导体激光器具有圆形光斑。同时光泵浦垂直外腔面发射激光器 (Optically Pumped Vertical External
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Cavity Surface Emitting Lasers， OP
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VECSEL)芯片厚度只有数微米，近几年出现的薄膜外腔面发射激光器(MembraneExternal Cavity Surface/>‑
Emitting Laser，MECSEL)因去掉了布拉格反射镜(DBR)，芯片厚度通常不到1微米，OP
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VECSEL或MECSEL也统称光泵浦半导体激光器 (OPSL)。
[0005]动辄数kW/cm2量级的阈值泵浦功率密度是OPSL通往高功率方向的瓶颈， OPSL工作时折合激光发射功率密度(激光发射功率与芯片工作区域面积的比值) 达数10kW/cm2，同时也伴随着相同量级功率密度的废热。废热会使增益区的温度升高，半导体材料的特性与温度密切相关，激光器的波长会随温度的上升以 0.3nm/K的速度红移。过高的温度还会使得半导体材料中电子浓度增高、运动速度变快，载流子寿命变短，激光器阈值提高，当温度超过600℃时，半导体材料容易在空气中氧化，通常半导体激光器芯片工作时温度不能超过300℃，因此在室温下工作的激光器芯片与环境温度的温差不能超过300K。目前报道出的较高功率的OPSL处理这些废热的方式是：先用小尺寸的高热导材料(金刚石、SiC、铜等)将芯片上的废热扩散，再利用水冷结构将废热带走。这种先扩散后带走的散热方式使得工作区域(泵浦光斑)面积越大，中心位置产生的废热越难得到扩散，泵浦光斑中心位置温度过高，从而限制了工作区域面积的大小，OP
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VECSEL报道出的最高功率为106W，其光斑直径只有1mm左右。
[0006]想要扩大薄层型增益材料激光器的工作区域面积，提升激光器的输出功率，则需要抛弃原有的先扩散再带走的散热方式，理想的情况是在垂直于薄层结构平面的方向上即可将废热带走，即采用一维散热的方式。具有一维散热能力的散热结构在激光器芯片工作区域面积扩大时不会对工作区域中心位置的温度产生过多的影响(当然，如果考虑到平行
于平面方向废热的扩散，散热结构的散热效果会更佳)。一维散热则要求冷却部件的负载热流密度与激光器工作区域产生的废热密度一致。
[0007]热的转移有三种方式：热辐射、热传导和热对流。这三种热转移方式中液体的热对流的散热能力最强。高效的冷却方式通常采用液体对流换热的方式转移废热。根据文献报道，高效的冷却方式中，微通道冷却最大负载热流密度可达 5kW/cm2，射流冲击冷却量大负载热密度可达10kW/cm2。这就要求，激光器工作时所产生的废热密度不能大于10kW/cm2。而现有的OPSL激光器阈值泵浦光功率密度高达数kW/cm2，10kW/cm2热负载能力仅为激光器阈值功率密度的2
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5倍，因此现有的OPSL在一维散热条件下工作，其效率将会非常低。想要实现OPSL的一维散热则需要将激光器的废热密度降到10kW/cm2以下，将激光器阈值功率密度降到1kW/cm2以下。
[0008]在我们之前提交的专利中(申请号：202011263399.4)，通过优化光泵浦半导体激光器(OPSL)的芯片结构，将其阈值功率密度降低到100W/cm2量级，工作时废热密度可控制在10kW/cm2以下，与高效的射流冲击冷却方式最大负载热密度一致。
[0009]射流冲击冷却一般采用高速水流冲击的方式带走废热，高速水流具有非常强的冲击力和非常高的压力，对被冲击材料的强度、硬度要求很高，脆且薄的半导体材料芯片显然承受不了如此高的冲击力与压力。近些年，利用CVD(ChemicalVapor Deposition化学气相沉积)人工合成的金刚石、SiC等碳基材料技术发展迅速，直径十多毫米的CVD金刚石已经商业化批量生产，SiC单晶尺寸可以达到6
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8 英寸。以金刚石、SiC为代表的碳基材料具有高硬度、高强度等特性，可以抵抗住射流冲击冷却方式的强大冲击力和压力。金刚石的热导率高达2000W/mK在所有已知物质中排名第一，是热导率最高的金属材料纯铜(400W/mK)的5倍，SiC 热导率也有490W/mK的热导率，高于纯铜，碳基材料的高热导率特性可以快速的将芯片中的废热传导至冲击表面。

技术实现思路

[0010]本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种碳基光泵浦半导体高能激光器，能够提高激光器的散热能力，从而提高激光器的输出功率。
[0011]本技术还提出一种具有上述碳基光泵浦半导体高能激光器的激光装置。
[0012]根据本技术的第一方面实施例的碳基光泵浦半导体高能激光器，包括：
[0013]碳基材料基板，所述碳基材料基板的一面为工作面，另一面为导热面；
[0014]光泵浦半导体激光器芯片，所述光泵浦半导体激光器芯片设置在所述碳基材料基板的工作面，所述光泵浦半导体激光器芯片上设有增益区，所述增益区提供的能量增益至少占所述光泵浦半导体激光器芯片提供能量增益的95％；
[0015]冷却流体供给装置，所述冷却流体供给装置设置在所述碳基材料基板的导热面，以提供高速冲击的冷却流体对所述碳基材料基板进行导热降温。
[0016]根据本技术实施例的碳基光泵浦半导体高能激光器，至少具有如下有益效果：利用光泵浦半导体激光器的高增益、高吸收、厚度小等特性，结合碳基材料的高热导率、高硬度、高强度特性，以一维热散热和对流换热条件为理论依据，使得冷却流体与碳基材料基板的对流换热能力与光泵浦半导体高能激光器工作时增益区产生的废热密度相匹配，通
过扩大激光器芯片的工作区域面积，提高激光器的输出功率。
[0017]根据本技术的一些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基光泵浦半导体高能激光器，其特征在于，包括：碳基材料基板，所述碳基材料基板的一面为工作面，另一面为导热面；光泵浦半导体激光器芯片，所述光泵浦半导体激光器芯片设置在所述碳基材料基板的工作面，所述光泵浦半导体激光器芯片上设有增益区，所述增益区提供的能量增益至少占所述光泵浦半导体激光器芯片提供能量增益的95％；冷却流体供给装置，所述冷却流体供给装置设置在所述碳基材料基板的导热面，以提供高速冲击的冷却流体对所述碳基材料基板进行导热降温。2.根据权利要求1所述的碳基光泵浦半导体高能激光器，其特征在于：所述增益区的厚度不超过20μm。3.根据权利要求1所述的碳基光泵浦半导体高能激光器，其特征在于：所述增益区与所述碳基材料基板的距离不超过50μm。4.根据权利要求1所述的碳基光泵浦半导体高能激光器，其特征在于：所述碳基材料基板的厚度大于100μm，小于2...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓军，王红岩，李康，杨子宁，崔文达，韩凯，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：