[发明专利]基于变占空比高阶光栅的半导体激光列阵及其制备方法

说明书

本发明实施例提供的基于变占空比高阶光栅的波长稳定半导体激光列阵，通过采用基于变占空比高阶光栅作为列阵光波的波长选择元件，在大电流工作状态下提供中心波长与固态激光晶体的吸收光谱基本一致的反射光谱，实现具有温差的列阵单元的纵向模式选择和线宽压缩，同时利用脊形波导列阵增益放大窄线宽激光，实现高功率的窄线宽激光。实现激光列阵的输出激光光谱的整体线宽小于1nm，并且其中心波长与固态激光晶体的吸收光谱峰值基本重合的高功率、窄线宽激光，有效提高泵浦激光列阵与固态激光晶体的光‑光耦合效率。本发明实施例还提供了一种基于变占空比高阶光栅的波长稳定半导体激光列阵的制备方法。

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种基于变占空比高阶光栅的波长稳定半导体激光列阵及其制备方法。

背景技术

半导体激光列阵是利用半导体中的光子跃迁引起光子受激发射而产生激光的器件，具有输出功率高、电光转换效率高、直接电泵浦等优势，在固体激光器、光纤激光器等高功率激光器的泵浦领域具有广泛的应用前景。其中，固体激光器，是一种以固体激光材料为增益介质的光泵浦全固态激光器，如刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙、铝酸钇等晶体材料。在激光清洗、切割和焊接等领域，高重频脉冲固体激光器作为主流技术方案，已获得千瓦以上的激光功率，其所用工作物质主要是钇铝石榴石(YAG)晶体，其吸收光谱的峰值为808nm，吸收光谱宽度2nm，为提高光-光转换效率，就对作为泵浦源的半导体激光器的输出功率和激光线宽提出较高的要求。

现有的半导体激光列阵主要可包括宽条形波导激光列阵、锥形波导激光列阵、单模波导列阵等高功率器件。尽管半导体激光列阵在提高输出功率、优化光束质量方面取得了很大的进步，但是各类型的列阵器件在大电流注入(15-20倍阈值电流)情况下仍存在各种问题。一、宽条形波导激光列阵通常由19个条宽为100μm-200μm的激光单元组成，各单元的中心间距为500微米，其在大电流注入下，由于宽条形波导对高阶模式没有限制和选择的作用，会出现基横模和高阶横向模式同时振荡的情况，虽然这种情况有利于激光线阵输出功率的提升，但是多横模工作导致器件的光束质量变差，同时由于宽条形波导激光列阵只关注功率的提升，而不重视激光线宽的改善，通常其激光线宽为3nm-4nm。二、锥形波导激光线阵的各单元中心间距同样为500微米，单元的脊形波导部分宽度通常为2-6微米，锥形波导的锥角通常为4°-6°，其在较低电流注入下可以保持很好的单横模工作，但是在大电流注入情况下仍然会出现锥形区出现高阶横模，进而形成光丝，导致器件的光束质量性能降低。同时由于锥形激光列阵通常采用同一周期光栅，在大电流注入下，其激光线宽会展宽到1nm左右。三、单模波导列阵的激光单元采用条宽为3μm-6μm的脊形波导结构，各单元的间隔通常为30μm-100μm，可以有效滤除高阶横模，在高功率输出情况下，仍能保持单横模工作，但是由于没有引入纵模选择结构，其激光线宽仍会达到2-3nm，无法满足碱金属激光器的泵浦需求。

常规的半导体激光列阵，一般采用增大载流子注入区在总体面积的比例，提高器件的占空比来获得更高的输出功率，同时采用脊形波导或者锥形波导结构来提高器件的光束质量，但是以上器件都没有考虑到在大电流注入情况下，列阵器件各单元的内部温度不同，呈现中间高两侧低的现象，通常温差能达到10℃-20℃，进而引起激光列阵的输出激光线宽急剧展宽至2nm-5nm，大幅超出固态激光晶体的吸收谱范围，导致泵浦过程中光-光转换效率下降，不适合作为高性能全固态激光器的泵浦源。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种基于变占空比高阶光栅的波长稳定半导体激光列阵及其制备方法。

第一方面，本发明提供一种基于变占空比高阶光栅的波长稳定半导体激光列阵，包括外延片以及位于所述外延片P面的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向自反射面至出光面依次为多个高反射光栅、与所述高反射光栅对应设置脊形增益波导列阵，沿Y方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述高反射光栅为变占空比高阶光栅，所述高反射光栅的端面上设置高反膜，所述脊形增益波导列阵的端面设有抗反膜。