[發明專利]半導體激光列陣及其制備方法

有效

• 申請號: 202110542322.9
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113258447B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 賈鵬;梁磊;陳泳屹;秦莉;寧永強;王立軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S5/40
• 分類號: H01S5/40;H01S5/20;H01S5/22
• 代理公司: 長春中科長光知識產權代理事務所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發明提供一種半導體激光列陣及其制備方法，其中的半導體激光列陣包括外延結構，在外延結構上制備有激光器波導結構，激光器波導結構包括沿外延結構的寬度方向從激光器波導結構的反射面至出射面刻蝕而成的變周期高階光柵陣列和脊形增益波導陣列，變周期高階光柵陣列的周期由中心向兩側逐漸增大，使得半導體激光列陣的輸出激光的光譜未超出堿金屬元素的吸收光譜范圍；脊形增益波導陣列用于增益放大半導體激光列陣的輸出激光的功率。本發明提供的半導體激光列陣能夠保證輸出激光的光譜線寬小于0.5nm，未超出堿金屬元素的吸收光譜范圍，且激光光譜的中心波長與堿金屬元素的吸收光譜峰值基本重合，有效提高泵浦激光列陣與堿金屬元素的光?光耦合效率。

技術領域

本發明涉及半導體激光器技術領域，特別涉及一種半導體激光列陣及其制備方法。

背景技術

半導體激光列陣是利用半導體中的光子躍遷引起光子受激發射而產生激光的器件，具有輸出功率高、電光轉換效率高、光束質量好、激光線寬窄等優勢，在固體激光器、光纖激光器、堿金屬激光器等高功率激光器的泵浦領域具有廣泛的應用前景。其中，堿金屬蒸汽激光器是一種以堿金屬元素鉀、銣和銫的蒸汽為增益介質的光泵浦氣體激光器，而銣、銫等堿金屬原子蒸汽的吸收譜線很窄(加入2.0265×106Pa氦氣后譜寬為0.5nm)，且吸收譜峰值主要分布在760nm～894nm波段的近紅外區，為提高光～光轉換效率，就對作為泵浦源的半導體激光器的輸出功率和激光線寬提出較高的要求。

現有的半導體激光列陣主要可包括寬條形波導激光列陣、錐形波導激光列陣、單模波導列陣等高功率器件。盡管半導體激光列陣在提高輸出功率、優化光束質量方面取得了很大的進步，但是各類型的列陣器件在大電流注入(15～20倍閾值電流)情況下仍存在各種問題：

寬條形波導激光列陣通常由19個條寬為100μm～200μm的激光單元組成，各激光單元的中心間距為500μm，其在大電流注入下，由于寬條形波導對高階模式沒有限制和選擇的作用，會出現基橫模和高階橫向模式同時振蕩的情況，雖然這種情況有利于激光線陣輸出功率的提升，但是多橫模工作導致器件的光束質量變差，同時由于寬條形波導激光列陣只關注功率的提升，而不重視激光線寬的改善，通常其激光線寬為3nm～5nm。

錐形波導激光線陣的各激光單元的中心間距同樣為500μm，激光單元的脊形波導部分寬度通常為2～6μm，錐形波導的錐角通常為4°～6°，其在較低電流注入下可以保持很好的單橫模工作，但是在大電流注入情況下仍然會出現錐形區出現高階橫模，進而形成光絲，導致器件的光束質量性能降低。同時由于錐形激光列陣通常采用同一周期光柵，在大電流注入下，其激光線寬會展寬到1nm左右。

單模波導列陣的激光單元采用條寬為3μm～6μm的脊形波導結構，各激光單元的間隔通常為30μm～100μm，可以有效濾除高階橫模，在高功率輸出情況下，仍能保持單橫模工作，但是由于沒有引入縱模選擇結構，其激光線寬仍會達到2～3nm，無法滿足堿金屬激光器的泵浦需求。

綜上，常規的半導體激光列陣，一般采用增大載流子注入區在總體面積的比例，提高器件的占空比來獲得更高的輸出功率，同時采用脊形波導或者錐形波導結構來提高器件的光束質量，但是以上器件都沒有考慮到在大電流注入情況下，列陣器件各激光單元的內部溫度不同，呈現中間高兩側低的現象，通常溫差能達到10℃～20℃，進而引起激光列陣的輸出激光線寬急劇展寬至1nm～5nm，大幅超出堿金屬元素的吸收譜范圍，導致泵浦過程中光～光轉換效率下降，不適合作為高性能堿金屬激光的泵浦源。

發明內容

本發明的目的是為了克服已有技術的缺陷，提出一種半導體激光列陣及其制備方法，通過采用基于變周期的高階光柵作為列陣光波的波長選擇元件，以解決現有激光列陣在大電流注入情況下各激光單元中心波長紅移速度不同引起的激光光譜展寬問題。

為實現上述目的，本發明采用以下具體技術方案：