外腔多波长激光系统技术方案

控制外腔表面发射激光器的多层增益构件中的量子阱的数量和类型可以提供一种以上相干光波长的光的输出。多层镜式构件中的层数和类型可以提供一种双波长反射器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种能够发射两个或两个以上相干波长的激光系统，尤其是涉及具有可选择位置量子阱的光激励(optical pump)和电激励(electricalpump)两种半导体垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，该量子阱用于控制每一所述波长光的功率。
技术介绍
多波长激光源的需求在不断增加。例如，多种激光显示设备的增加呈现了对红(R)(～625纳米)、绿(G)(～532纳米)及蓝(B)(～460纳米)色激光源的需求。就本专利技术者所知，目前尚无既可发射蓝色波长又可发射绿色波长光的半导体激光器。二极管激励固态(DPSS)激光器结合二次谐波发生(SHG)技术能够提供532纳米的绿色激光，但是，目前这种设备还比较昂贵。大功率蓝色激光由于其低的再结合效率而很难获得。如美国专利第6,347,109号所披露的，红外波长、光激励半导体(OPS)垂直外(或耦合)腔表面发射激光器能够以如美国专利第6,370,168号所公开的二次谐波发生(OPS)技术提供可见波长激光束。同样，如美国专利第6,614,827号和6,243,407号所公开的，电激励垂直外腔表面发射激光器能够以二次谐波发生技术提供可见光波长的激光束。这些专利在这里可合并参考。一般来说，光激励半导体—垂直外腔表面发射激光器(OPS-VECSELs)在念上是将二极管激励固态激光器和半导体量子阱(QW)垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)结合起来。在这些装置中，一个激光系统半导体芯片是由一个量子阱活性层和一个高反射率分布布拉格(Bragg)反射器(DBR)组成。通常情况下，量子阱活性层用于加强增益性能，以便取得高功率，例如使用谐振周期增益(RPG)结构，如马克·库兹涅佐夫(Mark Kuznetsov)等人发表于1999年5月/6月电气和电子工程师学会(IEEE)杂志的量子电子学论文选，第3期第5卷的论文“具有圆形TEM00激光束的大功率(＞0.5-W连续波(CW))二极管激励垂直外腔表面发射半导体激光器的设计与特性”中的结构。图1为如美国专利第6,370,168号所公开的常规垂直外腔表面发射激光器的简化横断面。请参照图1，常规垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)10包括一个附于芯片上的散热装置11。该芯片包括一个衬底12，在其上面叠加了一个较低的高反射率多层镜式构件13，如分布布拉格反射器(DBR)的半导体层，还包括一个增益区14，如具有谐振周期增益(RPG)的多量子阱增益区，以及上面的一个抗反射涂层15。产生激光的腔形成于外部球面镜16和芯片的高反射率镜式构件13之间，部分激光束λ2可以通过该球面镜作为激光输出。来自一个不同波长λ1多模激光源17的激励光束投射到抗反射涂层15上。可增设一光学非线性晶体(图中未示出)，以倍增产生激光λ2的频率。图2示出了常规分布布拉格反射器13和谐振周期增益活性区14的结构与谐振腔结构之驻波的关系。可以看出，谐振周期增益构件14由量子阱14a和分隔层14b构成。该量子阱14a位于驻波的波腹，通过激励激光λ1在量子阱中的吸收，使激励激光λ2的增益达到最大，这样，有利于避免过热。产生于常规垂直外腔表面发射激光器活性区14的光穿过外反射镜16作为一种连续波(CW)激光输出投射出去。在这些装置中，激励二极管激光器17(此处为光激励)、冷却元件、以及光学器件决定了激光系统的价格。半导体芯片(衬底12、分布布拉格反射器(DBR)13、谐振周期增益构件(RPG)14及抗反射涂层15)只是总价的一小部分。这些系统产生作为输出的单波长λ2激光。
技术实现思路
本专利技术提供的是一种垂直外腔表面发射激光(VECSEL)系统，它可以产生一种以上波长的相干光，而无须显著增加制造成本和运行费用。该半导体芯片设计成能够发射两个或两以上不同波长的光，而其它能产生两种波长光的激光系统制造成本都很高。本专利技术的实施例包括一种具有一个激光激励(laser pump)结构、一个激光谐振腔和一个激励源(pump source)的激光系统。激光谐振腔有一谐振腔轴并形成于激光激励结构的镜式构件和与所述增益构件相分开的外部镜式构件之间。所述激励源用于将激励能量输送给增益构件，从而在谐振腔中产生激光辐射。激光激励结构包括一个与双波长镜式构件为邻的多层增益构件。增益构件包括多个第一活性层和由分隔层隔开的多个第二活性层。第一活性层位于第一频率的第一驻波的波腹上，而第二活性层则位于第二频率的第二驻波的波腹上。可以通过对第一活性层和第二活性层数量的选择来控制第一和第二波长之每种光的相对输出功率。在某些实施例中，第一活性层的第一波长短于第二活性层的第二波长，且有比所述第一活性层多的所述第二活性层位于所述第一和第二波长的驻波波腹相重叠的位置。这样，相关激光输出功率便能够得以平衡。在某些实施例中，激光激励结构的镜式构件包括多个周期异质结构，而每一个异质结构包括至少两个四分之一波长高折射层H、至少两个分隔层S及至少一个四分之一波长低反射层L。该多层镜式构件可以是一个以(L(HS)D)N的形式排列的堆栈，或以(H(LS)D)N的形式排列的堆栈，此处D和N为正整数，且D大于1。在另一些实施例中，在激光谐振腔内设有一光学非线性晶体，用于至少将激光辐射的第一频率和激光辐射的第二频率之中的一个频率加倍，从而提供倍频辐射。附图说明本专利技术上述的及其它特点和优点在下列典型实施例的说明中，并参照附图将会变得十分清晰，但本专利技术不受这些实施例的限制。值得注意的是，并非本专利技术的所有可能的典型实施例就能展示所述优点的方方面面。图1是一个常规垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)的简图。图2所示为一种常规谐振周期增益构件实例。图3是一种典型垂直外腔表面发射激光器的简图。图4是一种本专利技术典型实施例的光激励芯片结构的垂直剖面简图。图5是一种本专利技术典型实施例的电激励芯片结构的垂直剖面简图。图6是一种本专利技术典型实施例的谐振周期增益构件实例。图7是一种本专利技术典型实施例的双波段高反射率分布布拉格反射器的反射率曲线图。图8是本专利技术另一典型实施例的双波段高反射率分布布拉格反射器的反射率曲线图。具体实施例方式图3简要地展示了一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)的实例。该基础型垂直外腔表面发射激光器具有一种众所周知的产生激光的结构，它包括一个产生激光的活性区，和该活性区位于其间的上半导体层与下半导体层，但该基础型结构却有许多型式。本专利技术并不限于这种特定的结构，而且也适用于包括多个量子阱的各种不同的产生激光的结构。如图3所示，使用光激励方案的激光器包括一个激励激光二极管110，它将激光通过一准直透镜片111将激励波长λ1的平行光束投射到激光激励结构100上。激励光并不一定源于二极管，也不一定是相干光。该激光激励构件生成于衬底101上，该衬底依次置于散热装置112上。衬底可由砷化镓或其它任何能够在其上生成激光激励结构的材料制成。激光系统还包括一个具有谐振腔轴和包括一个激光激励结构100的镜式构件102(见图4和图5)的激光谐振腔，一个如实施例所示，包括第一及第二外反射镜113、114并与增益构件103分隔开的外部镜式构件，以及一个传输波长选择元件118。传输波长选择元件118位于激光谐振腔内，用于在由增益构件103组成的增益带宽特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光系统，包括：一个包括有与一个双波长镜式构件相邻的多层增益构件的激光激励结构，所述增益构件包括多个第一活性层和多个用阻挡层分开的第二活性层；一个具有一个谐振腔轴的激光谐振腔，所述激光谐振腔形成于所述激光激励结构的镜式结构和与所述增益构件分开的一外镜式构件之间；和一个激励源，设置其用于将激励能量传送给所述增益构件，从而在所述激光谐振腔中产生激光辐射，其中所述第一活性层位于第一波长的第一驻波的波腹，而第二活性层位于第二波长的第二驻波的波腹，和其中第一活性层的数量和第二活性层的数量控制第一波长和第二波长每种光相对功率输出。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金泽，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]