具有增大的强度的扩展腔半导体激光设备制造技术

本发明专利技术涉及一种扩展腔半导体激光设备，其包括：至少两个半导体增益元件（２０，２１）的阵列，所述半导体增益元件（２０，２１）中的每一个包括形成第一端镜（２）和活性介质（３）的层结构（１）。设备内部的耦合部件（２２）将所述半导体增益元件（２０，２１）阵列发射的基本激光辐射组合成单个组合的激光束（２５）。第二端镜（２３）将所述单个组合的激光束（２３）的至少一部分反射回所述耦合部件（２２），从而与第一端镜（２）形成扩展腔。由于若干扩展腔半导体激光器的这种相干耦合，产生了具有增大的强度、良好的光束分布图和窄的光谱带宽的单束基本辐射。该增大强度的光束远比扩展腔半导体激光部件阵列的各光束更适合于通过上转换或者通过二次谐波生成进行频率转换。因此，大大增强了频率转换的效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及扩展腔半导体激光设备，其包括至少两个半导体增益元件的阵列，所 述半导体增益元件中的每一个包括形成第一端镜和活性(active)介质的层结构。
技术介绍
在绿色波长区域缺乏集成的激光光源直到现在仍然阻碍了将激光器广泛用 于显示或照明应用。如今使用的用于绿色波长区域的激光光源依赖于通过上转换 (upconversion)或者通过红外激光光源的二次谐波生成(SHG)进行的频率转换。对于该频 率转换过程的效率而言，泵浦源的强度是最重要的。虽然在大多数情况下上转换过程的转 换效率线性依赖于泵浦强度，但是二次谐波生成甚至呈二次地(quadratically)依赖于泵 浦强度。因此，高度希望发出高强度光束的泵浦源用于高效的频率转换。依赖于上转换或二次谐波生成的相当紧凑的设置可以利用光学泵浦以及特别是 利用电泵浦表面发射半导体激光器来实现。这种电泵浦腔内倍频激光器的一个实例基于 如图1所示的具有扩展腔的垂直腔表面发射激光器(VCSEL) (VECSEL 垂直扩展腔表面发 射激光器)。在扩展腔内部，倍频晶体将来自该VECSEL的红外辐射转换成可见辐射。已知 的倍频晶体由非线性材料制成，所述非线性材料例如周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极 化KTP(PPKTP)或者通常用于二次谐波生成的其他材料，比如BBO、BiBO, KTP或者LB0。对 于高效的倍频，需要高红外功率密度以及窄带红外操作。后者例如通过使用体布拉格光栅 (volume Bragg grating,VBG)作为输出耦合器来实现，所述体布拉格光栅反射红外辐射并 且透射倍频的辐射。该VBG典型地具有大约 0.2nm的窄反射带宽。通常设置在VECSEL 的活性介质的腔内侧的部分透射DBR(分布式布拉格反射器)需要用来降低用于该低增益 设备的激光阈值。此外，对于二次谐波辐射的高效生成，必须使红外激光偏振，因为二次谐 波生成过程通常仅适用于一个特定偏振并且具有其他偏振方向的红外光对于二次谐波生 成将损失掉。这是利用腔内的某种偏振控制器来实现的，所述偏振控制器可以例如为偏振 分束器或者以适当角度放置的镜。该设置的进一步复杂化在于热管理。虽然红外激光器具 有其中输出功率几乎保持恒定的大约10°C的相对较宽的操作范围，但是非线性材料的温度 必须控制在小于1°C的温度范围内。尽管玻璃基质(glass-host)内的上转换表现出相对较宽的吸收分布图 (profile)并且相应地对于泵浦二极管的光谱宽度仅具有低的要求，但是晶体内的上转换 以及尤其是二次谐波生成对于窄带泵浦源最有效。因此，已经提出了一些用于二次谐波生 成激光器的相当复杂的方法，其中泵浦二极管的带宽通过泵浦激光谐振器中的附加光学元 件(比如滤光器或体布拉格光栅)而变窄。由于热约束的原因，单个设备的输出功率在许多情况下局限于数百毫瓦。对于需 要更高输出功率的应用而言，若干单个设备耦合到激光器阵列。在这种情况下，总设备的电 光转换效率(wall-plugefficiency)与单个激光光源的电光转换效率相同。US5131002A中描述了另一种方法。该文献公开了一种扩展腔半导体激光系统，其中利用泵浦源阵列激励彼此分离的多段半导体材料。该泵浦系统展开热负载，同时提供高 功率激光束。扩展激光腔内活性介质的所述多个段的系列操作也导致外耦合的激光束的改 进的光束质量
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种半导体激光设备，特别是VECSEL设备，其产生具有显著 减小的光谱带宽的高功率基本激光辐射。这个目的是利用依照权利要求1的扩展腔半导体激光设备，特别是VECSEL设备来 实现的。该设备的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中加以描 述。所述扩展腔半导体激光设备包括至少两个半导体增益元件的阵列，这些半导体增 益元件中的每一个包括形成第一端镜和活性介质的层结构。将所述半导体增益元件阵列 发射的基本激光辐射组合成单个组合的激光束的耦合部件设置在该半导体增益元件阵列 与第二端镜之间，所述第二端镜将所述单个组合的激光束的至少一部分反射回所述耦合部 件，从而与所述第一端镜形成扩展腔。在一个最优选的实施例中，所述扩展腔半导体激光 设备为基于代表半导体增益元件的VCSEL部件的阵列的VECSEL设备。因此，在下文中使用 VECSEL的实例描述提出的激光设备以及该设备的有利实施例。然而，本专利技术和优选的实施 例同样适用于其他扩展腔激光设备，比如边缘发射激光器。所述阵列的VECSEL部件优选地具有与普通VCSEL相同的构造，区别在于，形成这 些VCSEL的端镜的DBR之一在一定程度上部分透射，使得在没有附加外部端镜的情况下不 实现激光发射。这样的VECSEL部件的阵列可以是一维阵列或二维阵列，可以由所有VECSEL 部件公共的单个衬底形成。此外，所述阵列或者每个单个VECSEL部件可以设置在用于在操 作期间散热的适当热沉上。本专利技术基于若干VECSEL的激光束通过相长干涉的相干耦合。不同VECSEL部件的 光束通过充当干涉测量(interferometric)光束组合器的耦合部件而叠加(overlay)。该 光束组合器优选地提供一个或多个分束区域以便适当地将不同激光束组合成一个单一激 光束。在这样的分束区域处，例如当组合两个激光束时，这些激光束之一的一部分被反射或 透射到扩展腔的外部。由于激光器将总是倾向于工作在最小化损耗的模式下，因此两个激 光束之间的干涉将这样调节，使得损耗通道的光束将相消干涉，而扩展腔内的光束将相长 干涉。因此，即使原则上在这种类型的腔内将预期大量的损耗，损耗也可以通过相消干涉而 避免，并且所述两个激光束相长相加，从而导致两个光束的相干发射。这同样适用于当使用 超过两个VECSEL部件的阵列时超过两个激光束的耦合。由于该相干耦合的原因，实现了显 著的光谱变窄，因为所有耦合的激光在工作于不同长度的激光谐振器内时必须共享共同的 纵向腔模式。同样的理由对于横模也成立。因此，不同VECSEL部件的相干耦合也导致光束 质量的充分改善。所提出的VECSEL设备的输出随着设备内包含的VECSEL部件数量的增加 而相应地增大。由于显著的光谱变窄、改善的光束质量以及基本辐射(优选地红外辐射) 的更高的强度的原因，特别是当使用像例如用于二次谐波生成的晶体那样的频率转换晶体 时，所提出的激光设备可以非常有利地用于腔内或腔外频率转换。由于相干耦合的激光束的光谱变窄，因而无需腔内的任何附加光谱选择性。因此，可以采用比体布拉格光栅简单得多的外耦合镜。例如，廉价的宽带电介质(dielectric)镜 可以用于外耦合，或者电介质涂层可以直接应用到其中激光束被耦合的光学耦合部件的出 射表面。所提出的激光设备允许实现用于产生希望的激光辐射的非常紧凑的构造。为了产生例如在绿色波长区域内的倍频辐射，可以在外耦合的基本激光束的光束 路径上将产生上转换的激光辐射的频率转换介质设置在耦合的激光部件的外部腔之外。在 这种情况下，设备的第二端镜被设计成形成用于所述基本激光辐射的外耦合镜，即它一方 面对于所述基本激光辐射是部分透射的，但是仍然允许激光设备工作于激光阈值之上。不 用说，外耦合的基本激光束可以由适当的光学元件(比如一个或多个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扩展腔半导体激光设备，包括：－至少两个半导体增益元件（２０，２１）的阵列，所述半导体增益元件（２０，２１）中的每一个包括形成第一端镜（２）和活性介质（３）的层结构（１），－耦合部件（２２），其将所述半导体增益元件（２０，２１）阵列发射的基本激光辐射组合成单个组合的激光束（２５），以及－第二端镜（２３），其将所述单个组合的激光束（２５）的至少一部分反射回所述耦合部件（２２），从而与所述第一端镜（２）形成扩展腔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J拜尔，U韦克曼，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]