[發明專利]一種增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器

在審

• 申請號: 201710610296.2
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107370020A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 方鉉;魏志鵬;唐吉龍;房丹;賈慧民;王登魁;王菲;李金華;楚學影;王曉華
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: H01S5/068
• 分類號: H01S5/068;H01S5/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及半導體激光器領域，特別涉及一種利用金屬表面等離子體共振效應應用于半導體激光器中實現增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器器件。

背景技術

半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、能夠有效的被電和光抽運，實現高的功率轉換效率等優點，半導體激光器作為重要的光電子器件之一，在激光打印、信息存儲、光傳感、光纖通信等信息領域有著非常廣泛的應用。其中，高功率單縱模半導體激光器具有窄線寬和良好的相干特性在超高精度激光雷達、衛星間通信、相干光通信、泵浦固體激光器及國防等領域有著其他激光器不可替代的優勢。但由于傳統半導體激光器的諧振腔長尺寸遠大于波長量級，無法對光模式形成有效的選頻機制，在高功率工作時其光譜會迅速展寬，且光譜隨溫度和工作電流的變化比較大，導致器件的相干性變差，限制了其在抽運固體激光器、相干光通信和高分辨光學測試系統中的應用。

針對以上問題，半導體激光器通常在諧振腔中集成頻率選擇結構或者在激光器外部與選模器件進行耦合，從而控制不同波長的增益損耗，來實現壓縮光譜線寬的目的。光柵具有選模特性，光柵結構可以使泵浦源的中心波長一致性獲得提升。采用外置光柵或者內置光柵技術實現激光二極管泵浦源波長穩定，能夠有效壓縮泵浦源光譜半寬。實現泵浦源波長穩定窄線寬輸出的有效方法之一是在半導體激光器結構內部建立一個布拉格光柵，靠光的反饋來實現波長的鎖定，并通過優化脊型波導條件來實現基橫模式輸出，提升其光束質量。通常內腔選模式的窄線寬半導體激光器采用集成布拉格光柵的方案，按照光柵分布位置的不同可分為分布布拉格反射(DBR)半導體激光器和分布反饋(DFB)半導體激光器。

采用在半導體激光器光波導引入高階布拉格光柵的方法，利用高階光柵的散射特性和反射特性進行光波模式選擇，實現半導體激光器器件高功率穩定單模工作。該方法可以有效獲得半導體激光器穩定波長輸出，但該方法中實現波長穩定輸出的光柵制備困難、工藝復雜。在制備光柵的過程中，由于外界大氣的流動而且含有不確定的雜質都對制備的純凈度有著影響，難以制備出能夠擁有良好重復性的衍射圖像。光柵制備對曝光參數以及顯影參數有苛刻要求，外界的環境會嚴重影響參數的穩定。其次，在激光器芯片制備工藝過程中還需要克服濕法腐蝕存在的瓶頸問題。這種方法在實現對激光器壓縮線寬的同時會降低器件的輸出功率，并且在激光器器件的發光效率方面沒有改善。

發明內容

本發明提出一種增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器，該激光器結構具有波長選擇作用，實現半導體激光器目標波長的輸出，可使半導體激光器穩定波長壓縮光譜線寬所需的工藝制備過程簡化，減少所需光學元件、降低成本，使半導體激光器波長穩定更容易實現，同時該方法還可以提高半導體激光器的發光效率，進而實現高效率高功率窄線寬激光輸出。

本發明提出一種增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器，該半導體激光器是在半導體激光器結構中的上波導層制備金屬納米圓盤陣列實現增強發光效率穩定輸出波長，通過改變波導層厚度、金屬納米圓盤陣列周期、金屬納米圓盤直徑、金屬納米圓盤高度這些參數以及金屬納米圓盤的材質(Au、Ag、Pt)，進而使金屬納米圓盤陣列共振頻率與激光器激射波長一致，即實現共振頻率。利用金屬表面等離子體共振效應，最終實現對半導體激光器波長穩定的目的。

本發明提出的一種增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器，這種增強發光效率穩定輸出波長的半導體激光器結構具體包括半導體激光器發光結構、半導體激光器增強發光效率穩定輸出波長結構，所述半導體激光器發光結構由目標激射波長的半導體激光器結構組成(如構成波長808nm、850nm、980nm、1060nm的半導體激光器結構)，該發光結構用于產生受激輻射的光子，所述半導體激光器增強發光效率穩定輸出波長結構由金屬納米圓盤陣列構成，該金屬納米圓盤陣列制備在發光部分半導體激光器結構的上波導層上，通過控制上波導層厚度、金屬納米圓盤陣列周期、金屬納米圓盤直徑、金屬納米圓盤高度這些參數使金屬納米圓盤陣列的共振頻率與發光部分半導體激光器輸出波長的頻率相同，利用金屬表面等離子體共振效應使金屬納米圓盤陣列表面等離子體共振頻率與半導體激光器輸出波長頻率共振，最終實現半導體激光器波長穩定，同時進一步提高半導體激光器的發光效率。