[发明专利]一种增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种利用金属表面等离子体共振效应应用于半导体激光器中实现增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器器件。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、能够有效的被电和光抽运，实现高的功率转换效率等优点，半导体激光器作为重要的光电子器件之一，在激光打印、信息存储、光传感、光纤通信等信息领域有着非常广泛的应用。其中，高功率单纵模半导体激光器具有窄线宽和良好的相干特性在超高精度激光雷达、卫星间通信、相干光通信、泵浦固体激光器及国防等领域有着其他激光器不可替代的优势。但由于传统半导体激光器的谐振腔长尺寸远大于波长量级，无法对光模式形成有效的选频机制，在高功率工作时其光谱会迅速展宽，且光谱随温度和工作电流的变化比较大，导致器件的相干性变差，限制了其在抽运固体激光器、相干光通信和高分辨光学测试系统中的应用。

针对以上问题，半导体激光器通常在谐振腔中集成频率选择结构或者在激光器外部与选模器件进行耦合，从而控制不同波长的增益损耗，来实现压缩光谱线宽的目的。光栅具有选模特性，光栅结构可以使泵浦源的中心波长一致性获得提升。采用外置光栅或者内置光栅技术实现激光二极管泵浦源波长稳定，能够有效压缩泵浦源光谱半宽。实现泵浦源波长稳定窄线宽输出的有效方法之一是在半导体激光器结构内部建立一个布拉格光栅，靠光的反馈来实现波长的锁定，并通过优化脊型波导条件来实现基横模式输出，提升其光束质量。通常内腔选模式的窄线宽半导体激光器采用集成布拉格光栅的方案，按照光栅分布位置的不同可分为分布布拉格反射(DBR)半导体激光器和分布反馈(DFB)半导体激光器。

采用在半导体激光器光波导引入高阶布拉格光栅的方法，利用高阶光栅的散射特性和反射特性进行光波模式选择，实现半导体激光器器件高功率稳定单模工作。该方法可以有效获得半导体激光器稳定波长输出，但该方法中实现波长稳定输出的光栅制备困难、工艺复杂。在制备光栅的过程中，由于外界大气的流动而且含有不确定的杂质都对制备的纯净度有着影响，难以制备出能够拥有良好重复性的衍射图像。光栅制备对曝光参数以及显影参数有苛刻要求，外界的环境会严重影响参数的稳定。其次，在激光器芯片制备工艺过程中还需要克服湿法腐蚀存在的瓶颈问题。这种方法在实现对激光器压缩线宽的同时会降低器件的输出功率，并且在激光器器件的发光效率方面没有改善。

发明内容

本发明提出一种增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器，该激光器结构具有波长选择作用，实现半导体激光器目标波长的输出，可使半导体激光器稳定波长压缩光谱线宽所需的工艺制备过程简化，减少所需光学元件、降低成本，使半导体激光器波长稳定更容易实现，同时该方法还可以提高半导体激光器的发光效率，进而实现高效率高功率窄线宽激光输出。

本发明提出一种增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器，该半导体激光器是在半导体激光器结构中的上波导层制备金属纳米圆盘阵列实现增强发光效率稳定输出波长，通过改变波导层厚度、金属纳米圆盘阵列周期、金属纳米圆盘直径、金属纳米圆盘高度这些参数以及金属纳米圆盘的材质(Au、Ag、Pt)，进而使金属纳米圆盘阵列共振频率与激光器激射波长一致，即实现共振频率。利用金属表面等离子体共振效应，最终实现对半导体激光器波长稳定的目的。

本发明提出的一种增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器，这种增强发光效率稳定输出波长的半导体激光器结构具体包括半导体激光器发光结构、半导体激光器增强发光效率稳定输出波长结构，所述半导体激光器发光结构由目标激射波长的半导体激光器结构组成(如构成波长808nm、850nm、980nm、1060nm的半导体激光器结构)，该发光结构用于产生受激辐射的光子，所述半导体激光器增强发光效率稳定输出波长结构由金属纳米圆盘阵列构成，该金属纳米圆盘阵列制备在发光部分半导体激光器结构的上波导层上，通过控制上波导层厚度、金属纳米圆盘阵列周期、金属纳米圆盘直径、金属纳米圆盘高度这些参数使金属纳米圆盘阵列的共振频率与发光部分半导体激光器输出波长的频率相同，利用金属表面等离子体共振效应使金属纳米圆盘阵列表面等离子体共振频率与半导体激光器输出波长频率共振，最终实现半导体激光器波长稳定，同时进一步提高半导体激光器的发光效率。