双波长垂直腔面发射半导体激光器、光学设备及制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种双波长垂直腔面发射半导体激光器、光学设备及制备方法，包括自上而下依次排列的输出耦合镜、泵浦光源、增透膜、短波长发光区、高对比度光栅、长波长发光区、布拉格反射镜、散热组件，增透膜设置在短波长发光区朝向所述输出耦合镜的一侧，布拉格反射镜设置在散热组件上，短波长发光区与长波长发光区均采用周期性多量子结构，短波长发光区与长波长发光区的周期性量子阱结构的量子阱组分不同，对短波长激光进行反馈，对长波长激光进行透射，实现了双波长垂直腔面发射半导体激光器双波长激射，并且高对比度光栅在相同反射率的情况下，减少器件体积，提高了激光器的输出性能。提高了激光器的输出性能。提高了激光器的输出性能。

【技术实现步骤摘要】
双波长垂直腔面发射半导体激光器、光学设备及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器领域，特别涉及一种双波长垂直腔面发射半导体激光器、光学设备及制备方法。

技术介绍

[0002]双波长激光器有着自身独特的优势，在干涉测量、光学计算、激光精细光谱分析、激光医疗、光通讯以及非线性光学混频等领域广泛的应用，已引起国内外许多研究人员的关注，因此近年来成为了热门的研究课题。
[0003]在非线性光学混频应用中，双波长激光器经过非线性频率变换（和频或差频）的办法，能够获得某些特殊波段的波长。以和频为例，如 425
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500nm波段的激光可应用于海洋探测器、读取DVD光盘以及在指纹搜索等领域。以差频为例，对1μm波段波长间隔大约几个纳米的双波长激光进行非线性差频,即可产生太赫兹波段的辐射。太赫兹波段的辐射具有抗干扰能力强、不易损坏被检测物质以及具有良好的穿透性等特点，在无损探测、环境监测和通信等领域具有广阔的应用前景；而通过对波长间隔为数十个纳米至上百个纳米的双波长激光进行差频, 则可以产生中红外波段的相干辐射, 在激光制导、激光雷达、环境监测、空间光通信、光谱学、遥感、医疗等领域有着重要的应用。利用连续的双波长激光，结合Q开关特性，获得脉冲双波长激光，能更好的探测金属损伤，在工业、医疗等方面用途显著。
[0004]近年来，光泵浦垂直外腔面发射激光器(VECSEL)结合了固体薄片激光器和半导体激光器的优点，采用外部光注入的方式使其产生激光激射，是一种灵活的高光束质量、高输出功率的多波长发射平台。VECSEL的发光波长可以利用成熟的能带工程根据实际需要进行设计，可设计为670nm至2800nm的广泛基本工作波长范围。同时，由于这种结构拥有一个灵活的外腔，从而实现非线性波长变化。通过VECSEL结构设计分离短波长和长波长的增益材料或采用宽频带半导体增益材料，可以在一定程度上解决光场相互作用，但是短波长会被长波长的增益材料吸收。利用双增益芯片产生双波长, 不存在振荡模式之间的竞争, 可以获得稳定的双波长振荡输出,然而该方式总是需要复杂的光学系统。
[0005]比较成熟的是VECSEL激光器在短波长发光区与长波长发光区之间采用光学长波通滤光结构，可以有效的避免光场相互作用的问题。然而，其主要缺点是采用两种不同折射率的材料以周期性交替生长的光学长波通滤光结构厚度过厚，在高强度泵浦功率下，不利于及时将增益芯片内的热导出。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术实施例中提供一种双波长垂直腔面发射半导体激光器、光学设备及制备方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种双波长垂直腔面发射半导体激光器，包括自上而下依次排列的输出耦合镜、泵浦光源、增透膜、短波长发光区、高对比度光栅、长波长发光区、布拉格反射镜、散热组件，所述增透膜设置在所述短波长发光区朝向所述输出耦合镜的一侧，
所述布拉格反射镜设置在所述散热组件上，所述第一波长小于所述第二波长，所述短波长发光区与所述长波长发光区均采用周期性多量子结构，所述短波长发光区与所述长波长发光区的周期性量子阱结构的量子阱组分不同；所述输出耦合镜、所述短波长发光区及所述高对比度光栅之间构成第一谐振腔，所述输出耦合镜、所述长波长发光区及所述布拉格反射镜之间构成第二谐振腔，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔为共轴谐振腔；所述泵浦光源发出的泵浦光入射到短波长发光区和所述长波长发光区，被周期性量子阱结构吸收产生光生载流子，所述光生载流子经过辐射复合后发光产生两种光子，分别为第一光子和第二光子，第一光子经过所述高对比度光栅后返回，再次经过短波长发光区，并经过所述输出耦合镜后反馈形成第一谐振；所述第二光子经过所述布拉格反射镜后返回，再次经过长波长发光区，并经过所述输出耦合镜后反馈形成第二谐振，当所述第一光子和所述第二光子的光强度超过预设阈值后由所述输出耦合镜输出双波长激光。
[0008]作为一种可选的方案，所述散热组件包括铜热沉和散热片，所述铜热沉的整体结构为圆柱体，所述散热片为金刚石材料制成且整体结构为正方体，所述布拉格反射镜设置在所述散热片上。
[0009]作为一种可选的方案，所述泵浦光源采用波长在600nm至1200nm的半导体激光器。
[0010]作为一种可选的方案，所述布拉格反射镜为多层周期性结构，由交替排列的第一折射率介质材料层和第二折射率介质材料层组成，所述第一折射率介质材料层和所述第二折射率介质材料层的厚度均为四分之一光学波长，所述第一折射率介质材料层由低铝组分的铝镓砷材料制成，所述第二折射率介质材料层由高铝组分的铝镓砷材料组成，第一折射率大于第二折射率。
[0011]作为一种可选的方案，所述双波长垂直腔面发射半导体激光器的增益芯片结构整体为正方体形。
[0012]作为一种可选的方案，所述双波长垂直腔面发射半导体激光器为激射波长9XXnm与10XXnm的双波长激光器时，所述泵浦光源是高功率800nm至810nm波长的激光阵列，所述输出耦合镜采用光学玻璃材质，所述增透膜为五氧化二钽Ta2O5，所述短波长发光区与所述长波长发光区均为In
x
Ga1‑
x
As量子阱、AlGaAs吸收层和GaAsP势垒层的周期性多量子阱结构，所述高对比度光栅为AlO
x /GaAs/AlO
x
材质，所述布拉格反射镜为25至30对铝镓砷AlGaAs或砷化鎵GaAs，焊料为铟，所述散热片为金刚石或碳化硅SiC材质。
[0013]作为一种可选的方案，所述双波长垂直腔面发射半导体激光器为激射波长78Xnm与8XXnm的双波长激光器时，所述泵浦光源为高功率600nm至670nm波长的激光阵列，所述短波长发光区为铟镓砷磷InGaAsP或磷化镓铟InGaP或铝镓砷AlGaAs的周期性多量子阱结构，所述长波长发光区为砷化镓GaAs/铝镓砷AlGaAs的周期性多量子阱结构。
[0014]作为一种可选的方案，所述双波长垂直腔面发射半导体激光器为激射波长14XXnm与15XXnm的双波长激光器时，所述泵浦光源为高功率970nm至980nm波长的激光阵列，所述短波长发光区与所述长波长发光区为铟铝镓砷InAlGaAs或磷化铟InP的周期性多量子阱结构。
[0015]第二方面，本专利技术实施例中提供一种光学设备，具有如上述的双波长垂直腔面发射半导体激光器。
[0016]第三方面，本专利技术实施例中提供一种双波长垂直腔面发射半导体激光器制备方法，包括：采用外延技术包括金属有机化合物化学气相沉淀 MOCVD或分子束外延MBE技术在基质上生长短波长发光区；通过刻蚀光栅再依次外延生长长波长发光区、布拉格反射镜；将所述布拉格反射镜侧的表面与散热片键合，将所述散热片与铜热沉进行焊接；进行减薄和腐蚀去除基质后镀增透膜得到VECSEL器件；将所述VECSEL器件和输出耦合镜固定在光学调整架上，所述输出耦合镜与所述增透膜之间的间隔30nm至100mm，所述泵浦光源以一定的角度倾斜聚焦在所述增透膜的表面上。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，包括自上而下依次排列的输出耦合镜、泵浦光源、增透膜、短波长发光区、高对比度光栅、长波长发光区、布拉格反射镜、散热组件，所述增透膜设置在所述短波长发光区朝向所述输出耦合镜的一侧，所述布拉格反射镜设置在所述散热组件上，所述短波长发光区与所述长波长发光区均采用周期性多量子结构，所述短波长发光区与所述长波长发光区的周期性量子阱结构的量子阱组分不同；所述输出耦合镜、所述短波长发光区及所述高对比度光栅之间构成第一谐振腔，所述输出耦合镜、所述长波长发光区及所述布拉格反射镜之间构成第二谐振腔，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔为共轴谐振腔；所述泵浦光源发出的泵浦光入射到短波长发光区和所述长波长发光区，被周期性量子阱结构吸收产生光生载流子，所述光生载流子经过辐射复合后发光产生两种光子，分别为第一光子和第二光子，第一光子经过所述高对比度光栅后返回，再次经过短波长发光区，并经过所述输出耦合镜后反馈形成第一谐振；所述第二光子经过所述布拉格反射镜后返回，再次经过长波长发光区，并经过所述输出耦合镜后反馈形成第二谐振，当所述第一光子和所述第二光子的光强度超过预设阈值后由所述输出耦合镜输出双波长激光。2.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述散热组件包括铜热沉和散热片，所述铜热沉的整体结构为圆柱体，所述散热片为金刚石材料制成且整体结构为正方体，所述布拉格反射镜设置在所述散热片上。3.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述泵浦光源采用波长在600nm至1200nm的半导体激光器。4.根据权利要求1或2所述的双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述布拉格反射镜为多层周期性结构，由交替排列的第一折射率介质材料层和第二折射率介质材料层组成，所述第一折射率介质材料层和所述第二折射率介质材料层的厚度均为四分之一光学波长，所述第一折射率介质材料层由低铝组分的铝镓砷材料制成，所述第二折射率介质材料层由高铝组分的铝镓砷材料组成，第一折射率大于第二折射率。5.根据权利要求1或2所述的双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述双波长垂直腔面发射半导体激光器的增益芯片结构整体为正方体形。6.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射半导体激光器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继业，张俊，彭航宇，王靖博，张建伟，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：