[发明专利]高功率光泵浦半导体盘形激光器的宽带有源反射镜架构

说明书

披露了一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)和一种形成VECSEL的方法。该VECSEL包括：热沉；散热器或散热器，该散热器形成在该热沉的顶表面上，其中该散热器包括具有第一折射率的第一材料；以及高对比度光栅，该高对比度光栅形成在该散热器或有源区的顶表面上，其中该高对比度光栅包括有源区，并且该高对比度光栅包括具有第二折射率的第二材料，该第二折射率大于该第一折射率。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月19日提交的美国临时申请62/733,466的优先权权益，该美国临时申请的全部内容特此通过援引并入本文。

政府资助

本发明是在空军科学研究所(Air Force Office of Scientific Research)提供的在政府支持下以批准号FA9550-16-1-0362做出的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本教导总体上涉及半导体激光器，更具体地涉及光泵浦半导体盘形激光器的高功率连续波(CW)和数千瓦输出功率操作。

背景技术

光泵浦半导体激光器(OPSL)(也称为垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)或半导体盘形激光器(SDL))已迅速成为用于各种应用的高功率、束品质良好的源。与其他固态盘形激光器或光纤激光器不同，半导体激光器可以被设计成在较大的波长范围内操作，这是其他技术难以实现的。然而，与光纤激光器和盘形激光器的若干kW相比，VECSEL的输出功率被限制在约100W。输出功率的一个限制因素是热管理。VECSEL有源反射镜典型地由处于外腔内的分布式布拉格反射器(DBR)顶部的半导体有源区构成(通常是量子阱(QW))。图1示出了传统高功率VECSEL 100的设置。VECSEL 100包括激光二极管102，该激光二极管产生波长为例如810nm并且功率为例如70W的激光束。透镜104引导激光束以泵浦位于DBR 106顶部的有源/增益区。VECSEL 100的激光腔由距DBR 106的顶表面和外反射镜108的距离限定。来自有源区的热量通过DBR 106传导出去而到典型地由金刚石构成的散热器(heat spreader)，并且到由耦合层112耦合的热沉110(heat sink)。DBR 106由交替的高折射率半导体层和低折射率半导体层形成(通常，超过20对并且总厚度超过5微米)，以达到所需的反射率值。这种厚度和大量的材料界面导致DBR 106中的热阻高，从而导致有源区过热，最终限制输出功率。通过吸收在有源区中未被吸收的泵浦功率，还可能在DBR 106中产生附加热量。

图2示出了常规无DBR SDL 200的设置。无DBR SDL 200包括由反射镜202和反射镜204限定的激光腔。泵浦激光206提供在有源区207中被吸收的光能，并且热沉208将热量从无DBR SDL 200传导出去。无DBR SDL消除了对DBR的需要和热限制。但是由于其传输几何形状，它们必须依赖于散热器210中的侧向热传送，从而限制了它们的功率可扩展性。而且，因为散热器210是激光腔的一部分，所以该散热器必须具有极高的纯度，以避免过多的光学损失。

已经提出高对比度光栅(HCG)充当仅使用相对薄的高折射率材料层的高反射镜，该高折射率材料层被横向图案化(典型地，成条纹图案)。通过控制光栅和基底材料(折射率、厚度)、光栅设计(蚀刻深度、周期性、占空比)，可以定制HCG的反射率，以执行各种任务(包含用作激光反射镜)。针对垂直腔表面发射激光器以及VECSEL已经提出和/或证明了这样的结构，其中硅光栅被沉积在金刚石散热器顶部。图3示出了使用HCG的三个激光器。然而，应注意，在所有情况下，散热器都位于激光腔内，从而导致与上文关于无DBR SDL所述类似的顾虑。在这种激光器装置中使用的HCG是具有极窄带宽的所谓的导模谐振(GMR)类型。

需要一种解决上述问题的改进的激光器设计。

发明内容