[发明专利]具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，特别是涉及具有梯度带隙势垒吸 收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器。

背景技术

垂直外腔面发射激光器属于面发射激光器中的一种，是半导体激光技 术中的新型器件，以其高功率、优质光束质量和易于形成二维列阵的特点 在激光显示、激光通信、材料加工、医疗及国防工程等领域具有广泛的应 用前景。特别是其易于倍频和形成二维列阵的特点，可以实现高光束质量 的高功率激光输出，这些优点使其在工业加工、固体激光和光纤激光泵浦、 晶体倍频等领域有着非常大的研发前景。

垂直外腔面发射激光器与固体激光器和边发射半导体激光器以及垂 直腔面发射激光器相比具有很大的优势。一，传统的固体激光器体积庞大、 造价高、转换效率低；垂直外腔面发射激光器具有体积小、成本低、转换 效率高等优势。而且半导体材料的带隙是可以调节的，它能获得固体激光 器所没有的波长。这些将大大拓展它的应用领域。二，边发射半导体激光 器发散角大，需要对输出光束进行整形，这套整形系统精度要求很高，目 前我国还没有能力生产这套系统；垂直外腔面发射激光器具有极小的发散 角、圆对称光斑、易于单纵模激射，不用经过复杂的整形系统就可以直接 使用，大大降低了成本。另外，高功率半导体激光器在光泵浦、医疗、材 料处理、自由空间通信传输、激光显示等领域的巨大应用市场使得高功率 垂直腔面发射半导体激光器件的研究今年来也得到了重视和发展。三，对 于小尺寸(＜10μm)的垂直腔面发射半导体激光器，虽然其输出光束是理 想的单模圆形光束，但功率被限制在10mW左右。而对于功率大于180mW 的器件，输出光束是多模。光泵浦垂直外腔面发射激光器在原则上解决了 这些问题，它通过外腔镜调节光学谐振腔达到单模输出。此外，在光泵浦 垂直外腔面发射激光器系统中加入倍频晶体和可饱和吸收镜进行倍频和 被动锁模和调Q，可以扩大输出波长的范围。可输出功率达到瓦级的圆对 称光束。因为它体积小、光束质量好、功率较大、易于倍频和锁模，并且 制作简单等优良的特性，光泵浦垂直外腔面发射激光器正在成长为一种代 表性的器件，并具有良好的发展前景。

在光泵浦垂直外腔面发射激光器中势垒吸收层可以采用台阶带隙结 构(见说明书附图4)或者梯度带隙结构(见说明书附图5)。当采用台阶 带隙的势垒吸收层时，同采用梯度带隙势垒吸收层的激光器相比，由于量 子阱对载流子的收集能力弱，因此光激发产生的载流子在势垒区停留的时 间更长，从而在高功率泵浦下，势垒区的载流子浓度更容易达到饱和状态， 出现吸收饱和现象，从而限制了输出功率的提高，同时也降低泵浦效率。 在当今的边发射半导体激光器中，采用梯度带隙结构的激光器比采用台阶 带隙结构的激光器在稳定性方面要差，这主要是因为激光腔面因素的影 响，在梯度带隙结构的边发射激光器器件工作时观察到更加显著的腔面缺 陷产生和更高的腔面温度，从而影响了它的稳定性，因此在边发射激光器 中多采用台阶带隙结构。由于以上的原因，在以往的垂直外腔面发射激光 器技术中，也是采用台阶带隙结构。因而对载流子的限制很不好，而量子 阱对光激发产生的载流子的收集能力不足，会导致非辐射复合增加，外量 子效率降低，发热严重，甚至出现热饱和现象，限制了激光器得到更大的 输出功率。但是考虑到垂直外腔面发射激光器采用的是多层布拉格反射镜 和外腔镜构成激光腔，激光腔面因素的影响就不存在了。而且在梯度带隙 结构的三角形光腔内，态密度更小，电子更易占据有源区量子阱，因此梯 度带隙结构中的量子阱对势垒吸收层中光激励产生的载流子有更好的收 集能力，从而有效限制了势垒吸收区的光吸收饱和现象，可以通过增大泵 浦功率来提高输出功率；并且由于势垒吸收区产生的载流子很快被收集到 量子阱内，有效减少了势垒区的载流子浓度，从而减少了势垒区的自发发 射损耗，提高了外量子效率，提高了输出功率。因此，在光泵浦垂直外腔 面发射激光器中可以采用梯度带隙的势垒吸收层。