[發(fā)明專利]碳基光泵浦半導(dǎo)體高能激光器及激光裝置

在審

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• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113131334A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許曉軍;王紅巖;李康;楊子寧;崔文達(dá);韓凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: H01S5/04
• 分類號: H01S5/04;H01S5/183;H01S5/024
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 趙琴娜

本發(fā)明公開了一種碳基材料輔助散熱光泵浦半導(dǎo)體高能激光器，包括：碳基材料基板，所述碳基材料基板的一面為工作面，另一面為導(dǎo)熱面；光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片，所述光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片設(shè)置在所述碳基材料基板的工作面，所述光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片上設(shè)有增益區(qū)，所述增益區(qū)提供的能量增益至少占所述光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片提供能量增益的95％；冷卻流體供給裝置，所述冷卻流體供給裝置設(shè)置在所述碳基材料基板的導(dǎo)熱面，以提供高速沖擊的冷卻流體對所述碳基材料基板進(jìn)行導(dǎo)熱降溫。通過擴(kuò)大激光器芯片的工作區(qū)域面積，提高激光器的輸出功率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳基光泵浦半導(dǎo)體高能激光器及激光裝置。

背景技術(shù)

高能激光器有著非常廣泛的用途，碳基材料具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高硬度特點(diǎn)，光泵浦半導(dǎo)體激光器(OPSL)具有高增益，高吸收，激光波長范圍廣，芯片厚度薄等特點(diǎn)。

高能激光器發(fā)展面臨的主要問題是廢熱的處理，為了更好的散熱，需要更大的散熱面積，通常將增益材料做成薄層型，高功率的板條激光器、盤片激光器是其典型的代表，但板條激光器、盤片激光器一般采用傳統(tǒng)的摻雜晶體作為增益區(qū)，其增益系數(shù)低，對泵浦光的吸收系數(shù)也低，不得不使用較厚的晶體作為增益區(qū)，同時晶體的熱導(dǎo)率通常不高，較厚的增益區(qū)意味著較高的熱阻及較低的激光發(fā)射功率。因此，傳統(tǒng)的板條激光器、盤片激光器激光發(fā)射功率受限，若要進(jìn)一步的提高激光輸出功率，需要將增益區(qū)的厚度做的更薄。

半導(dǎo)體激光器因其材料具有高增益，高吸收特性，激光器芯片厚度通常在微米量級。傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器因光束質(zhì)量不好，通常只用來做泵浦光源。面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器具有圓形光斑。同時光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器(Optically Pumped VerticalExternal-Cavity Surface Emitting Lasers,OP-VECSEL)芯片厚度只有數(shù)微米，近幾年出現(xiàn)的薄膜外腔面發(fā)射激光器(Membrane External Cavity Surface-Emitting Laser,MECSEL)因去掉了布拉格反射鏡(DBR)，芯片厚度通常不到1微米，OP-VECSEL或MECSEL也統(tǒng)稱光泵浦半導(dǎo)體激光器(OPSL)。

動輒數(shù)kW/cm²量級的閾值泵浦功率密度是OPSL通往高功率方向的瓶頸，OPSL工作時折合激光發(fā)射功率密度(激光發(fā)射功率與芯片工作區(qū)域面積的比值)達(dá)數(shù)10kW/cm²，同時也伴隨著相同量級功率密度的廢熱。廢熱會使增益區(qū)的溫度升高，半導(dǎo)體材料的特性與溫度密切相關(guān)，激光器的波長會隨溫度的上升以0.3nm/K的速度紅移。過高的溫度還會使得半導(dǎo)體材料中電子濃度增高、運(yùn)動速度變快，載流子壽命變短，激光器閾值提高，當(dāng)溫度超過600℃時，半導(dǎo)體材料容易在空氣中氧化，通常半導(dǎo)體激光器芯片工作時溫度不能超過300℃，因此在室溫下工作的激光器芯片與環(huán)境溫度的溫差不能超過300K。目前報道出的較高功率的OPSL處理這些廢熱的方式是：先用小尺寸的高熱導(dǎo)材料(金剛石、SiC、銅等)將芯片上的廢熱擴(kuò)散，再利用水冷結(jié)構(gòu)將廢熱帶走。這種先擴(kuò)散后帶走的散熱方式使得工作區(qū)域(泵浦光斑)面積越大，中心位置產(chǎn)生的廢熱越難得到擴(kuò)散，泵浦光斑中心位置溫度過高，從而限制了工作區(qū)域面積的大小，OP-VECSEL報道出的最高功率為106W，其光斑直徑只有1mm左右。

想要擴(kuò)大薄層型增益材料激光器的工作區(qū)域面積，提升激光器的輸出功率，則需要拋棄原有的先擴(kuò)散再帶走的散熱方式，理想的情況是在垂直于薄層結(jié)構(gòu)平面的方向上即可將廢熱帶走，即采用一維散熱的方式。具有一維散熱能力的散熱結(jié)構(gòu)在激光器芯片工作區(qū)域面積擴(kuò)大時不會對工作區(qū)域中心位置的溫度產(chǎn)生過多的影響(當(dāng)然，如果考慮到平行于平面方向廢熱的擴(kuò)散，散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果會更佳)。一維散熱則要求冷卻部件的負(fù)載熱流密度與激光器工作區(qū)域產(chǎn)生的廢熱密度一致。