一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器制造技术

本发明专利技术提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器；所述半导体激光器包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源、连续激光种子源、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器；Y字型波导合束结构具有第一后端、第二后端以及一个前端；皮秒脉冲激光种子源包括依次设置的脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体和第一光栅，第一光栅对准第一后端；连续激光种子源包括依次设置的脊型连续增益部分和第二光栅，第二光栅对准第二后端；锥形功率放大器的较小端对准前端。本发明专利技术解决了激光器内部同时产生脉冲和连续两类激光的问题，具有单光束输出皮秒脉冲和连续复合大功率激光的良好结果。连续复合大功率激光的良好结果。连续复合大功率激光的良好结果。

【技术实现步骤摘要】
一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器


[0001]本专利技术涉及导体激光器
，具体而言，涉及一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器。

技术介绍

[0002]工业用半导体激光在材料加工、汽车制造和国防领域具有重要应用，如焊接、打孔、切割等。
[0003]常用的工业用半导体激光器有两类波段：砷化镓(GaAs)基红外激光器(9xxnm～1060nm波段)常用于非金属材料加工；氮化镓(GaN)基蓝光激光(主波长450nm)常用于金属材料(铜和金等)加工，这是由于金属材料对蓝光激光的吸收率远高于红外激光。
[0004]激光器的时域特征是指激光输出可以分为连续或者脉冲形式。连续激光以多模连续半导体、光纤激光器为代表，它的工作原理是在激光器产生连续输出高能量激光与材料的光热效应，蒸发、烧蚀材料。具有光电转换率高、加工速度快等特点。
[0005]超短脉冲激光(又称超快激光，一般指皮秒ps和飞秒fs量级的激光)，其具有超高的峰值能量密度，是激光烧蚀(去除材料)的另一种有效机制，可用于激光切割、钻孔等。最常见产生皮秒脉冲的方法是调Q半导体激光器，它的原理是基于可饱和吸收体的自脉冲激光，激光腔内损耗是被调制的，因此这类激光器结构上必须至少由两个部分组成：一个是增益部分，另一个是充当饱和吸收体的部分。这种方法可以覆盖400nm～1100nm的波长范围：日本SONY公司报道了GaN基波长406nm，峰值功率20W、脉宽15.5ps、频率0.84GHz的脉冲功率激光器(Appl.Phys.Express 3，122103，2010)；德国Ferdinand
‑
Braun研究所报道了GaAs基波长920nm，脉冲峰值功率高达250W(13μJ)的巴条激光器(IEEE High Power Diode Lasers and Systems Conference，2015)；Ferdinand
‑
Braun研究所还报道了GaAs基1064nm波长的脉宽10ps，重复频率达13GHz脉冲激光器(The European Conference on Lasers and Electro
‑
Optics,2013)。
[0006]激光与物质相互作用包括加热、表面改性、熔化、气化、等离子体等多种效应，通常一次照射过程中几种效应会共同体现，相互作用，并且与激光时域特征、功率等相关，影响激光作用效果。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员证实对于超短脉冲必须有激波加热才能产生微米深的熔体，当用激波加热创造出这种深熔体之后，需要空化机制来移除它。(Journal of Applied Physics,125,085103，2019)。因此对激光材料处理的某些情况而言，一束同时包含超短脉冲和连续激光波的复合光源会有更好的烧蚀作用效果，可以在工艺中实现单一时域激光光源无法达到的性能(第二十四届全国激光学术会议，2020)。
[0007]现有可以实现的两类激光复合的技术包括：
[0008]1、双光束空间拼接形式。激光通过这个光路系统聚焦成非常小、具有极高能量密度的点，通过这种加工的方式与材料发生反应、进行加工。将连续激光及脉冲激光复合在一起，使两束激光的轴线在空间上重合。很明显这种激光器需要用到两个光源，且需要使用较
复杂的聚焦光路系统。
[0009]2、可编程的时域拼接形式。一般是光纤/板条激光器结合的，这种时域拼接的方式依靠程序控制激光器的输出特性，优点是可以在纳秒到连续范围内实现脉冲宽度、幅值、间隔等时域特征编程调制。缺点是体积较大，且严格来讲同一时间只输出连续或脉冲的其中一种激光，只是切换时间极短，可视为准同时。

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，以解决上述存在的问题。
[0011]本专利技术提供的一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源、连续激光种子源、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器；
[0012]所述激光器外延结构包括衬底、以及衬底上方由下至上依次设置的下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和上接触层；
[0013]所述Y字型波导合束结构具有第一后端、第二后端以及一个前端；所述皮秒脉冲激光种子源包括依次设置的脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体和第一光栅，所述第一光栅对准第一后端；所述连续激光种子源包括依次设置的脊型连续增益部分和第二光栅，所述第二光栅对准第二后端；所述锥形功率放大器的较小端对准前端；
[0014]所述半导体激光器在所述脊型脉冲增益部分和脊型连续增益部分的一端的侧面形成后腔面；所述半导体激光器在所述锥形功率放大器的较大端的侧面形成前腔面；所述脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体、脊型连续增益部分、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器上具有P面电极；所述激光器外延结构下方具有N面电极。
[0015]在一些实施例中，所述脊型脉冲增益部分和脊型连续增益部分的宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述脊型可饱和吸收体的宽度为2μm～7μm，长度为0.1mm～0.5mm。
[0016]在一些实施例中，所述脊型脉冲增益部分与脊型可饱和吸收体之间的间距为10～20μm。
[0017]在一些实施例中，所述Y字型波导合束结构为弧形缓变形状，宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm。
[0018]在一些实施例中，所述锥形功率放大器的锥角度数为4
°
～7
°
，长度为1mm～5mm。
[0019]在一些实施例中，所述第一光栅和第二光栅采用表面分布式布拉格反射器结构，反射率为1～50％。
[0020]在一些实施例中，所述后腔面镀有高反膜，所述高反膜对激光波长反射率为0.01％～1％；所述前腔面镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率为90％～100％。
[0021]本专利技术还提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
[0022]S1，制作激光器外延结构：在衬底在由下至上外延生长出下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和上接触层；
[0023]S2，在激光器外延结构上进行第一次光刻和蚀刻，制作第一光栅和第二光栅；
[0024]S3，在激光器外延结构上进行第二次光刻和蚀刻，制作脊型脉冲增益部分、脊型可
饱和吸收体、脊型连续增益部分和Y字型波导合束结构；
[0025]S4，在激光器外延结构上进行第三次光刻和蚀刻，制作锥形功率放大器；
[0026]S5，在激光器外延结构表面制作绝缘膜层；
[0027]S6，在激光器外延结构上的绝缘膜层进行第四次光刻光刻和蚀刻，在脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体、脊型连续增益部分、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器的上表面形成电极注入窗口，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源(1)、连续激光种子源(2)、Y字型波导合束结构(3)和锥形功率放大器(4)；所述激光器外延结构包括衬底(16)、以及衬底(16)上方由下至上依次设置的下限制层(17)、下波导层(18)、量子阱层(19)、上波导层(20)、上限制层(21)和上接触层(22)；所述Y字型波导合束结构(3)具有第一后端、第二后端以及一个前端；所述皮秒脉冲激光种子源(1)包括依次设置的脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)和第一光栅(7)，所述第一光栅(7)对准第一后端；所述连续激光种子源(2)包括依次设置的脊型连续增益部分(12)和第二光栅(13)，所述第二光栅(13)对准第二后端；所述锥形功率放大器(4)的较小端对准前端；所述半导体激光器在所述脊型脉冲增益部分(5)和脊型连续增益部分(12)的一端的侧面形成后腔面(8)；所述半导体激光器在所述锥形功率放大器(4)的较大端的侧面形成前腔面(15)；所述脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)、脊型连续增益部分(12)、Y字型波导合束结构(3)和锥形功率放大器(4)上具有P面电极(9、10、14、23、24)；所述激光器外延结构下方具有N面电极(11)。2.根据权利要求1所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述脊型脉冲增益部分(5)和脊型连续增益部分(12)的宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述脊型可饱和吸收体(6)的宽度为2μm～7μm，长度为0.1mm～0.5mm。3.根据权利要求2所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述脊型脉冲增益部分(5)与脊型可饱和吸收体(6)之间的间距为10～20μm。4.根据权利要求3所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述Y字型波导合束结构(3)为弧形缓变形状，宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm。5.根据权利要求4所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述锥形功率放大器(4)的锥角度数为4
°
～7

【专利技术属性】
技术研发人员：李弋，唐淳，杜维川，周坤，贺钰雯，何林安，高松信，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：