ДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК МНОГОЛУЧЕВОГО КОГЕРЕНТНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
DIODE MULTI-BEAM SOURCE OF COHERENT LASER RADIATION (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к ключевым компонентам оптоэлектронной техники - компактным, высокомощным, высокоэффективным источникам лазерного когерентного излучения в широком диапазоне длин волн, а именно к диодному источнику многолучевого когерентного излучения с горизонтальным выводом излучения, и к диодному источнику многолучевого когерентного излучения с вертикальным выводом излучения, выполненным в виде двухэтапной комбинации задающего диодного лазера с диодными оптическими усилителями.
Предшествующий уровень техники
Диодные лазеры с повышенной мощностью излучения и с улучшенным качеством лазерного луча известны из следующих изобретений: [US Patent 4063189, Xerox Corp., (US), 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H], [RU Патент 2197048, Швейкин В.И., Геловани В.А., 18.02.2002, H01S 5/32].
эф
вт
эф
вт
эф
вт
вт
эф
вт
эф
вт
Наиболее близким по технической сущности и получаемому техническому результату является предложенный инжекционный (далее диодный) лазер-прототип [RU Патент 2278455, Швейкин В.И., 17.11.2004, H01S 5/32], включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, оптические грани, отражатели, омические контакты, оптический резонатор. Гетероструктура характеризуется отношением эффективного показателя преломления n гетероструктуры к показателю преломления n слоя втекания, а именно отношением n к n определено из диапазона от единицы плюс дельта до единицы минус дельта, где дельта определяется числом, много меньшим единицы. Гетероструктура содержит по крайней мере один активный слой, по крайней мере два отражающих слоя (далее ограничительные слои), по крайней мере по одному с каждой стороны активного слоя, сформированных по крайней мере из одного подслоя и имеющих показатели преломления меньшие, чем эффективный показатель преломления гетероструктуры n. Также гетероструктура содержит прозрачную для излучения область втекания излучения. Область втекания по крайней мере одна расположена между активным слоем и соответствующим отражающим слоем по крайней мере с одной стороны активного слоя. Область втекания включает слой втекания излучения, имеющий показатель преломления n и состоящий по крайней мере из одного подслоя; по крайней мере один локализующий слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя; основной настроечный слой, состоящий по крайней мере из одного подслоя, имеющий по крайней мере для одного из его подслоев показатель преломления не менее показателя преломления n слоя втекания и примыкающий одной своей поверхностью к активному слою. С противоположной стороны основного настроечного слоя к другой его поверхности примыкает локализующий слой области втекания, имеющий показатель преломления, меньший показателя преломления основного настроечного слоя. Коэффициенты отражений отражателей оптического резонатора, а также составы и толщины слоев гетероструктуры выбраны такими, при которых для работающего диодного лазера результирующее усиление излучения в активном слое достаточно для поддержания порога лазерной генерации во всем диапазоне рабочих токов. Такая конструкция диодного лазера нами названа диодным лазером на основе гетероструктуры с областью втекания, которая характеризуется определенным отношением n/n в области пороговых токов лазерной генерации. Для данной гетероструктуры отношение n/n в области пороговых токов лазерной генерации определено из интервала значений от единицы плюс гамма до единицы минус гамма, где величина гамма определяется числом, меньшим дельта.
2
Основными достоинствами диодного лазера-прототипа являются увеличение выходной мощности лазерного излучения, увеличение размера излучающей площадки в вертикальной плоскости с соответствующим уменьшением угловой расходимости излучения. В то же время диодный лазер-прототип ограничивает дальнейшее увеличение выходной мощности с одновременно высоким качеством его лазерного излучения, а именно не реализует высокомощные одночастотные диодные источники многолучевого когерентного излучения (с параметром качества М, близким к единице) в виде двухэтапных интегральных комбинаций задающего диодного лазера и диодных оптических усилителей с выводом усиленного лазерного излучения как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предложенного диодного источника многолучевого, когерентного, с горизонтальным выводом усиленного лазерного излучения в широком диапазоне длин волн является многократное увеличение (на один-три и более порядков) выходной мощности его усиленного лазерного излучения для стабильных одночастотных и одномодовых лазерных типов колебаний, улучшение эффективности, надежности, увеличение ресурса работы и скорости модуляции при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.
Техническим результатом предложенного диодного источника многолучевого когерентного с вертикальным выводом усиленного лазерного излучения в широком диапазоне длин волн является многократное увеличение (на один-три и более порядков) выходной мощности его усиленного лазерного излучения для стабильных одночастотных и одномодовых лазерных типов колебаний, улучшение эффективности, надежности, увеличение ресурса работы и скорости модуляции при существенном упрощении технологии их изготовления и снижении себестоимости.
эф
вт
эф
вт
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложенный диодный источник многолучевого когерентного лазерного излучения (далее сокращенно ДИМКЛИ), содержащий по крайней мере один, по крайней мере одномодовый, одночастотный задающий диодный лазер, далее задающий лазер, по крайней мере один диодный оптический усилитель, далее линейный усилитель, интегрально и оптически связанный с указанным задающим лазером, по крайней мере два диодных оптических усилителя, далее перпендикулярные усилители, интегрально и оптически связанные с линейным усилителем. Задающий лазер и указанные линейный усилитель и перпендикулярные усилители сформированы в единой гетероструктуре, на основе полупроводниковых соединений, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания. Причем упомянутая гетероструктура охарактеризована отношением эффективного показателя преломления n гетероструктуры к показателю преломления n слоя втекания, а именно, отношение n к n находится в диапазоне от единицы до единицы минус гамма, где гамма определяются числом, много меньшим единицы.
Упомянутый задающий лазер, включающий активную полосковую область генерации с присоединенными слоями металлизации, боковую ограничительную область излучения с присоединенным изолирующим слоем, расположенную с каждой из боковых сторон активной области генерации задающего лазера, а также омические контакты, оптические грани, отражатели, оптический резонатор. Отражатели оптического резонатора, нанесенные на его торцах, имеют коэффициенты отражения, близкие к единице, и расположены в заданной окрестности от расположения активного слоя.
Каждый линейный усилитель, включающий по крайней мере активную область усиления с присоединенными слоями металлизации, расположен так, что оптическая ось распространения излучения задающего лазера совпадает с оптической осью линейного усилителя. Интегральная связь задающего лазера с линейными усилителями реализуется через указанный слой втекания. Каждый перпендикулярный усилитель, включающий по крайней мере активную область усиления с присоединенными слоями металлизации и оптическую выводную грань с оптическим антиотражающим покрытием, расположен так, что оптическая ось перпендикулярного усилителя расположена под прямым углом (по модулю) по отношению к оптической оси линейного усилителя. В окрестности пересечения оптической оси линейного усилителя с оптической осью каждого перпендикулярного усилителя имеется интегральный элемент перетекания заданной доли лазерного излучения из линейного усилителя в перпендикулярный усилитель, условно названный как поворотный элемент. Он состоит из по крайней мере одной, перпендикулярной к плоскости слоев гетероструктуры оптической отражающей плоскости, пересекающей активный слой и часть области втекания гетероструктуры в пределах толщины слоя втекания от 20% до 80%, и образующей с оптическими осями линейного усилителя и перпендикулярного усилителя углы наклона примерно 45° (по модулю).
Существенное отличие предложенного нового ДИМКЛИ, изготовленного на основе оригинальной гетероструктуры, состоит в эффективной двухэтапной интегральной комбинации задающего диодного лазера (далее «задающего лазера»), связанного с интегрально-линейным диодным оптическим усилителем (далее «линейным усилителем»), который в свою очередь соединен с интегрально-перпендикулярными диодными оптическими усилителями (далее «перпендикулярные усилители»). Новизна предложенного ДИМКЛИ состоит в том, что интегральное соединение задающего лазера с указанными выше усилителями осуществляется без фокусирующей оптики. На первом этапе реализуется интегральное соединение задающего лазера и линейного усилителя, при этом направления оптических осей распространения излучения указанных выше задающего лазера и линейного усилителя совпадают. На втором этапе интегральной связи линейного усилителя и перпендикулярного усилителя направления распространения оптических излучений указанных выше усилителей, т.е. направления их оптических осей взаимно перпендикулярны. Перетекание лазерного излучения из линейного усилителя в перпендикулярные усилители осуществляется при помощи оригинальных поворотных элементов, размещенных в местах присоединения активных областей перпендикулярных усилителей к боковым сторонам активных областей линейных усилителей.
Технический результат достигается как в асимметричной гетероструктуре, в которой толщина слоя втекания в области втекания со стороны подложки превышает толщину слоя втекания в области втекания со стороны наружного слоя гетероструктуры, так и в симметричной гетероструктуре, в которой толщина слоя втекания в области втекания со стороны подложки равна толщине слоя втекания в области втекания со стороны наружного слоя гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что отражатели оптического резонатора задающего лазера находятся на каждой оптической грани от поверхности гетероструктуры до глубины в области втекания, не достигающей ограничительного слоя со стороны подложки. При этом интегральное соединение задающего лазера (без фокусирующей оптики и практически без потерь) с каждым из двух линейных усилителей осуществляется в основном через глубокозалегающую часть слоя втекания гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора задающего лазера.
Технический результат достигается также тем, что линейный усилитель может располагаться с одной торцевой стороны оптического резонатора задающего лазера, а также с обеих его торцевых сторон может быть по одному линейному усилителю.
Технический результат достигается также тем, что задающий лазер обеспечивает генерацию лазерного излучения на одной фундаментальной моде, а в необходимом случае и одночастотный режим генерации. Для достижения стабильной одночастотной генерации (а также перестройки одночастотной лазерной частоты) указанные отражатели оптического резонатора задающего лазера выполняют в виде распределенных Брегговских отражателей.
Технический результат достигается также тем, что в боковой ограничительной области задающего лазера имеется по крайней мере одна разделительно-ограничительная подобласть и по крайней мере одна ограничительная подобласть, при этом разделительно-ограничительная подобласть заданной ширины находится с обеих боковых сторон активной области генерации задающего лазера от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, не достигая глубины расположения активного слоя, ограничительная подобласть находится с обеих боковых сторон указанной разделительно-ограничительной подобласти от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, превышающей расположение активного слоя, но не достигающей глубины расположения ограничительного слоя. Необычное залегание ограничительной подобласти (с пересечением активного слоя) обеспечивает модовую стабильность лазерного излучения при повышенных мощностях лазерного излучения.
Технический результат достигается также тем, что активная область линейного усилителя может быть выполнена полностью полосковой, или полностью расширяемой, или расширяемой с плавным переходом в полосковую часть. В последнем варианте расширяемая часть активной области линейного усилителя примыкает к задающему лазеру и плавный ее переход в полосковую активную область реализуется до ближайшего размещения поворотного элемента.
Технический результат достигается также тем, что к каждой боковой стороне активной области линейного усилителя примыкает заданной ширины разделительно-ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, не достигая глубины расположения активного слоя. В необходимых случаях к каждой боковой стороне разделительно-ограничительной подобласти присоединена ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, превышающей расположение активного слоя и не достигающей глубины расположения ограничительного слоя.
Технический результат достигается также тем, что оптическое отражающее покрытие на свободной оптической грани линейного усилителя имеет коэффициент отражения, близкий к единице.
Технический результат достигается также тем, что активная область перпендикулярного усилителя может быть выполнена полностью полосковой, или полностью расширяемой, или расширяемой с плавным переходом в полосковую область. В последнем варианте расширяемая часть активной области перпендикулярного усилителя примыкает к линейному усилителю и плавный ее переход в полосковую активную область реализуется на заданном расстоянии от размещения поворотного элемента.
Технический результат достигается также тем, что к каждой боковой стороне активной области перпендикулярного усилителя примыкает заданной ширины разделительно-ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до глубины, не достигающей глубины расположения активного слоя. В необходимых случаях к каждой боковой стороне разделительно-ограничительной подобласти присоединена ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до глубины, превышающей расположение активного слоя, но не достигающей глубины расположения ограничительного слоя.
Технический результат достигается также тем, что оптическая отражающая плоскость поворотного элемента, максимально удаленного от отражателя оптического резонатора задающего лазера, сформирована проникающей внутрь гетероструктуры, по крайней мере вплоть до ограничительного слоя со стороны подложки.
Технический результат достигается также тем, что оптическое антиотражающее покрытие на оптических гранях вывода усиленного излучения перпендикулярного усилителя имеет коэффициент отражения, близкий к нулю.
Технический результат достигается также тем, что оптическая отражающая плоскость поворотного элемента имеет угол наклона плюс 45 град, соседняя с ней оптическая отражающая плоскость поворотного элемента имеет угол наклона минус 45 град. Это позволило реализовать вывод излучения в противоположные стороны.
Технический результат достигается также тем, что единая гетероструктура содержит по крайней мере два активных слоя, электрически соединенных между собой тонкими сильнолегированными слоями р-типа и n-типа с туннельным переходом между ними.
Технический результат достигается также тем, что задающий лазер, линейные усилители и перпендикулярные усилители имеют автономные омические контакты.
Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ДИМКЛИ состоит в предложенной единой гетероструктуре для одномодового (и одночастотного) задающего лазера, линейных и перпендикулярных усилителей с необычно большими размерами ближнего поля излучения в плоскости, перпендикулярной активному слою гетероструктуры. Сущность настоящего изобретения состоит также в оригинальном и эффективном двухэтапном процессе интегральных соединений: на первом этапе - соединение одночастотного, одномодового задающего лазера с линейным усилителем, на втором этапе - соединение линейных усилителей с перпендикулярными усилителями. При этом активные области перпендикулярных усилителей размещены под прямым углом по отношению к активным областям усиления линейных усилителей. Реализация перетекания заданной доли лазерного излучения из линейных усилителей в перпендикулярные усилители достигается введенными оригинальными поворотными элементами, размещенными в местах пересечения активных областей линейных усилителей с перпендикулярными усилителями.
Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении ДИМКЛИ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры и интегральных соединений задающего лазера с линейным усилителем и линейных усилителей с перпендикулярными усилителями.
В соответствии с изобретением технический результат достигается также тем, что предложен диодный источник многолучевого когерентного лазерного излучения с вертикальным излучением (далее сокращенно ДИМКЛИ-ВИ), содержащий по крайней мере один, по крайней мере одномодовый, одночастотный задающий диодный лазер, далее задающий лазер, по крайней мере один диодный оптический усилитель, далее линейный усилитель, интегрально и оптически связанный с указанным задающим лазером, по крайней мере два диодных оптических усилителя, далее перпендикулярные усилители, интегрально и оптически связанные с линейным усилителем.
эф
вт
эф
вт
Задающий лазер и указанные линейный усилитель и перпендикулярные усилители сформированы в единой гетероструктуре, на основе полупроводниковых соединений, содержащей по крайней мере один активный слой, по крайней мере два ограничительных слоя, и размещенную между активным слоем и соответствующим ограничительным слоем по крайней мере с одной стороны от активного слоя прозрачную для излучения область втекания излучения, содержащую по крайней мере слой втекания. Причем упомянутая гетероструктура охарактеризована отношением эффективного показателя преломления nгетероструктуры к показателю преломления n слоя втекания, а именно, отношение n к n находится в диапазоне от единицы до единицы минус гамма, где гамма определяются числом, много меньшим единицы.
Упомянутый задающий лазер, включающий активную полосковую область генерации с присоединенными слоями металлизации, боковую ограничительную область излучения с присоединенным изолирующим слоем, расположенную с каждой из боковых сторон активной области генерации задающего лазера, а также омические контакты, оптические грани, отражатели, оптический резонатор. Отражатели оптического резонатора, нанесенные на его торцах, имеют коэффициенты отражения, близкие к единице, и расположены в заданной окрестности от расположения активного слоя.
Каждый линейный усилитель, включающий по крайней мере активную область усиления с присоединенными слоями металлизации, расположен так, что оптическая ось распространения излучения задающего лазера совпадает с оптической осью линейного усилителя. Интегральная связь задающего лазера с линейными усилителями реализуется через указанный слой втекания. Каждый перпендикулярный усилитель, включающий по крайней мере активную область усиления с присоединенными слоями металлизации и оптическую выводную грань с оптическим антиотражающим покрытием, расположен так, что оптическая ось перпендикулярного усилителя расположена под прямым углом (по модулю) по отношению к оптической оси линейного усилителя. В окрестности пересечения оптической оси линейного усилителя с оптической осью каждого перпендикулярного усилителя имеется интегральный элемент перетекания заданной доли лазерного излучения из линейного усилителя в перпендикулярный усилитель, условно названный как поворотный элемент. Он состоит из, по крайней мере одной, перпендикулярной к плоскости слоев гетероструктуры оптической отражающей плоскости, пересекающей активный слой и часть области втекания гетероструктуры в пределах толщины слоя втекания от 20% до 80% и образующей с оптическими осями линейного усилителя и перпендикулярного усилителя углы наклона примерно 45° (по модулю). Кроме того, вдоль активной области по крайней мере одного перпендикулярного усилителя в направлении оптической оси распространения дважды усиленного лазерного излучения, на определенном расстоянии от поворотного элемента, имеется дополнительно введенный, по крайней мере один выводной элемент, включающий по крайней мере одну оптическую отражающую плоскость, поперечно пересекающую под углом наклона 45 градусов (по модулю) плоскости ряда слоев гетероструктуры, в том числе активного слоя и частично слоя втекания, а именно, от 30% до 80% от его толщины.
Существенное отличие предложенного нового ДИМКЛИ-ВИ, изготовленного на основе оригинальной гетероструктуры, состоит в эффективной двухэтапной интегральной комбинации задающего диодного лазера (далее «задающего лазера»), связанного с интегрально-линейным диодным оптическим усилителем (далее «линейным усилителем»), который в свою очередь соединен с интегрально-перпендикулярными диодными оптическими усилителями (далее «перпендикулярные усилители»).
Новизна предложенного ДИМКЛИ-ВИ состоит в том, что интегральное соединение задающего лазера с указанными выше усилителями осуществляется без фокусирующей оптики. На первом этапе реализуется интегральное соединение задающего лазера и линейного усилителя, при этом направления оптических осей распространения излучения указанных выше задающего лазера и линейного усилителя совпадают. На втором этапе интегральной связи линейного усилителя и перпендикулярного усилителя направления распространения оптических осей излучения указанных выше усилителей взаимно перпендикулярны. Перетекание лазерного излучения из линейного усилителя в перпендикулярные усилители осуществляется при помощи оригинальных поворотных элементов, размещенных в местах присоединения активных областей перпендикулярных усилителей к боковым сторонам активных областей линейных усилителей. Кроме того, для реализации вывода лазерного усиленного излучения дополнительно в активные области перпендикулярных усилителей в направлении оптической оси введены оригинальные выводные элементы. Указанные элементы включают оптическую отражающую плоскость, размещенную поперек активной области перпендикулярного усилителя и проникающую от наружного слоя в слой втекания излучения под углом наклона 45° (по модулю).
Технический результат достигается как в асимметричной гетероструктуре, в которой толщина слоя втекания в области втекания со стороны подложки превышает толщину слоя втекания в области втекания со стороны наружного слоя гетероструктуры, так и в симметричной гетероструктуре, в которой толщина слоя втекания в области втекания со стороны подложки равна толщине слоя втекания в области втекания со стороны наружного слоя гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что усиленное лазерное излучение выводится в направлении наружного слоя гетероструктуры.
Технический результат достигается также тем, что усиленное лазерное излучение выводится в направлении полупроводниковой подложки.
Технический результат достигается также тем, что оптическая отражающая плоскость выводного элемента, максимально удаленного от поворотного элемента, выполнена проникающей внутрь гетероструктуры вплоть до ограничительного слоя со стороны подложки.
Технический результат достигается также тем, что отражатели оптического резонатора задающего лазера находятся на каждой оптической грани от поверхности гетероструктуры до глубины в области втекания, не достигающей ограничительного слоя со стороны подложки. При этом интегральное соединение задающего лазера (без фокусирующей оптики и практически без потерь) с каждым из двух линейных усилителей осуществляется в основном через глубокозалегающую часть слоя втекания гетероструктуры, минуя глухие отражатели оптического резонатора задающего лазера.
Технический результат достигается также тем, что линейный усилитель может располагаться с одной торцевой стороны оптического резонатора задающего лазера, а также с обеих его торцевых сторон может быть по одному линейному усилителю.
Технический результат достигается также тем, что задающий лазер обеспечивает генерацию лазерного излучения на одной фундаментальной моде, а в необходимом случае и одночастотный режим генерации. Для достижения стабильной одночастотной генерации (а также перестройки одночастотной лазерной частоты) указанные отражатели оптического резонатора задающего лазера выполняют в виде распределенных Брегговских отражателей.
Технический результат достигается также тем, что в боковой ограничительной области задающего лазера имеется по крайней мере одна разделительно-ограничительная подобласть и по крайней мере одна ограничительная подобласть, при этом разделительно-ограничительная подобласть заданной ширины находится с обеих боковых сторон активной области генерации задающего лазера от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, не достигая глубины расположения активного слоя, ограничительная подобласть находится с обеих боковых сторон указанной разделительно-ограничительной подобласти от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, превышающей расположение активного слоя, но не достигающей глубины расположения ограничительного слоя. Необычное залегание ограничительной подобласти (с пересечением активного слоя) обеспечивает модовую стабильность лазерного излучения при повышенных мощностях лазерного излучения.
Технический результат достигается также тем, что активная область линейного усилителя может быть выполнена полностью полосковой, или полностью расширяемой, или расширяемой с плавным переходом в полосковую часть. В последнем варианте расширяемая часть активной области линейного усилителя примыкает к задающему лазеру и плавный ее переход в полосковую активную область реализуется до ближайшего размещения поворотного элемента.
Технический результат достигается также тем, что к каждой боковой стороне активной области линейного усилителя примыкает заданной ширины разделительно-ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, не достигая глубины расположения активного слоя. В необходимых случаях к каждой боковой стороне разделительно-ограничительной подобласти присоединена ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до заданной глубины, превышающей расположение активного слоя и не достигающей глубины расположения ограничительного слоя.
Технический результат достигается также тем, что оптическое отражающее покрытие на свободной оптической грани линейного усилителя имеет коэффициент отражения, близкий к единице.
Технический результат достигается также тем, что активная область перпендикулярного усилителя может быть выполнена полностью полосковой, или полностью расширяемой, или расширяемой с плавным переходом в полосковую область. В последнем варианте расширяемая часть активной области перпендикулярного усилителя примыкает к линейному усилителю и плавный ее переход в полосковую активную область реализуется на заданном расстоянии от размещения поворотного элемента.
Технический результат достигается также тем, что к каждой боковой стороне активной области перпендикулярного усилителя примыкает заданной ширины разделительно-ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до глубины, не достигающей глубины расположения активного слоя. В необходимых случаях к каждой боковой стороне разделительно-ограничительной подобласти присоединена ограничительная подобласть, размещенная от поверхности гетероструктуры до глубины, превышающей расположение активного слоя, но не достигающей глубины расположения ограничительного слоя.
Технический результат достигается также тем, что оптическая отражающая плоскость поворотного элемента, максимально удаленного от отражателя оптического резонатора задающего лазера, сформирована проникающей внутрь гетероструктуры, по крайней мере вплоть до ограничительного слоя со стороны подложки.
Технический результат достигается также тем, что оптическое антиотражающее покрытие на оптических гранях вывода усиленного излучения перпендикулярного усилителя, имеет коэффициент отражения, близкий к нулю.
Технический результат достигается также тем, что оптическая отражающая плоскость поворотного элемента имеет угол наклона плюс 45 град, соседняя с ней оптическая отражающая плоскость поворотного элемента имеет угол наклона минус 45 град. Это позволило реализовать вывод излучения в противоположные стороны.
Технический результат достигается также тем, что единая гетероструктура содержит по крайней мере два активных слоя, электрически соединенных между собой тонкими сильнолегированными слоями р-типа и n-типа с туннельным переходом между ними.
Технический результат достигается также тем, что задающий лазер, линейные усилители и перпендикулярные усилители имеют автономные омические контакты.
Существо предложенного в настоящем изобретении неочевидного ДИМКЛИ-ВИ состоит в предложенной единой гетероструктуре для одномодового и одночастотного задающего лазера, линейных и перпендикулярных усилителей с необычно большими размерами ближнего поля излучения в плоскости, перпендикулярной активному слою гетероструктуры, и необычно малой расходимостью выходного излучения. Сущность настоящего изобретения состоит также в оригинальном и эффективном двухэтапном процессе интегральных соединений: на первом этапе - соединение одночастотного, одномодового задающего лазера с линейным усилителем, на втором этапе - соединение линейных усилителей с перпендикулярными усилителями, при этом активные области перпендикулярных усилителей размещены под прямым углом по отношению к активным областям усиления линейных усилителей. Реализация перетекания заданной доли лазерного излучения из линейных усилителей в перпендикулярные усилители достигается введенными оригинальными поворотными элементами, размещенными в местах пересечения активных областей линейных усилителей с перпендикулярными усилителями. Кроме того, введением оригинальных интегральных выводных элементов, размещенных вдоль оптической оси перпендикулярных усилителей, реализован оригинальный и эффективный вывод многолучевого, высококачественного лазерного усиленного излучения сверхвысокой мощности, направленного в вертикальном направлении по отношению к плоскостям слоев гетроструктуры (как в сторону наружного слоя гетероструктуры, так и в сторону полупроводниковой подложки).
Технологическая реализация, предложенных в настоящем изобретении ДИМКЛИ-ВИ основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость». Основное отличие при его изготовлении состоит в особенностях гетероструктуры, интегральных соединений задающего лазера с линейным усилителем и линейных усилителей с перпендикулярными усилителями, а также интегральных выводных элементов в полупроводниковых усилителях.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-8.
На Фиг.1 схематически изображен вид сверху предложенного ДИМКЛИ с задающим лазером, двумя линейными усилителями с антиотражающими покрытиями на его наружных оптических гранях и четырьмя перпендикулярными усилителями.
На Фиг.2 схематически изображено продольное сечение предложенного ДИМКЛИ вдоль оптических осей задающего лазера и интегрально связанных с ним линейных усилителей.
На Фиг.3 схематически изображен вид сверху предложенного ДИМКЛИ, который отличается от схематически изображенного на Фиг.1 тем, что активная область усиления каждого из двух линейных усилителей состоит из расширяемой части, плавно переходящей в полосковую часть, кроме этого отсутствуют антиотражающие покрытия на наружных оптических гранях линейного усилителя.
На Фиг.4 схематически изображен вид сверху предложенного ДИМКЛИ, который отличается от схематически изображенного на Фиг.3 тем, что к активным областям усиления двух линейных усилителей через соответствующие поворотные элементы присоединены четыре перпендикулярных усилителя, усиленное лазерное излучение которых поочередно распространяется в противоположные направления.
На Фиг.5 схематически изображен вид сверху предложенного ДИМКЛИ, который отличается от схематически изображенного на Фиг.3 тем, что один линейный усилитель интегрально присоединен к задающему диодному лазеру с одной стороны от глухого отражателя оптического резонатора.
На Фиг.6 схематически изображен вид сверху предложенного ДИМКЛИ-ВИ, который отличается от ДИМКЛИ, схематически изображенного на Фиг.3 тем, что в каждом из четырех перпендикулярных усилителей вдоль продольной оптической оси сформированы по три выводных элемента усиленного лазерного излучения.
На Фиг.7 схематически изображено продольное сечение одного из четырех перпендикулярных усилителей предложенного ДИМКЛИ-ВИ, в котором выводные элементы реализуют вывод лучей усиленного лазерного излучения через подложку.
На Фиг.8 схематически изображено продольное сечение перпендикулярного усилителя, схематически изображенного на Фиг.7, которое отличается тем, что выводные элементы реализуют вывод лучей усиленного лазерного излучения в направлении наружной поверхности гетероструктуры.
Осуществление изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций многолучевого диодного источника лазерного когерентного излучения (ДИМКЛИ) и многолучевого диодного источника лазерного когерентного излучения с вертикальным выводом излучения (ДИМКЛИ-ВИ) не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
В предложенных для рассмотрения конструкциях ДИМКЛИ, изображенных на фигурах 1-8, приведены следующие обозначения:
10 - Предложенный ДИМКЛИ.
20 - Задающий диодный лазер. Его компоненты:
21 - Глухой отражатель оптического резонатора, далее называемый Глухой оптический отражатель,
22 - Оптическая грань оптического резонатора,
23 - Полосковая активная область генерации.
30 - Линейный усилитель. Его компоненты:
31 - Полосковая активная область усиления,
32 - Наружная оптическая грань,
33 - Антиотражающее покрытие,
34 - Расширяемая активная область усиления с плавным переходом в полосковую.
40 - Перпендикулярный усилитель. Его компоненты:
41 - Расширяемая активная область усиления,
42 - Выводная оптическая грань,
43 - Антиотражающее покрытие,
44 - Полосковая активная область усиления.
50 - Гетероструктура. Ее компоненты:
51 - Активный слой,
52 - Ограничительный слой со стороны подложки,
53 - Настроечный слой со стороны подложки,
54 - Слой втекания со стороны подложки,
55 - Ограничительный слой со стороны наружного слоя,
56 - Область втекания со стороны наружного слоя
57 - Наружный контактный слой р-типа,
60 - Подложка для гетероструктуры,
61 - Наружная поверхность подложки.
70 - Поворотный элемент. Его компоненты:
71 - Оптическая отражающая плоскость,
72 - Оптическая отражающая плоскость, проникающая до ограничительного слоя 52.
80 - Боковые ограничительные области для задающего лазера, линейного и перпендикулярного усилителей.
100 - Предложенный ДИМКЛИ-ВИ
110 - Выводной элемент,
111 - Оптическая отражающая плоскость,
112 - Оптическая отражающая плоскость, проникающая до ограничительного слоя 52,
113 - Антиотражающее покрытие для выходного излучения.
Предложенный ДИМКЛИ 10 (см. Фиг.1-2) содержит одномодовый задающий лазер 20, генерирующий на фундаментальной моде и интегрально связанный с двумя линейными усилителями 30, присоединенными к задающему лазеру 20 с обеих торцевых сторон. На торцах лазерного оптического резонатора помещены глухие оптические отражатели 21 (см. далее на с.17 снизу три последние строки и на с.18 первая строка). Линейные усилители 30, имеющие на наружной оптической грани 32 антиотражающее покрытие 33, в свою очередь интегрально связаны через поворотные элементы 70 с перпендикулярными усилителями 40 с расширяемыми активными областями усиления 41. Вывод усиленного лазерного излучения осуществляется через просветленные оптические грани 42 каждого из четырех перпендикулярных усилителей 40.
ДИМКЛИ 10 изготовлен на основе единой лазерной гетероструктуры 50, как для задающего лазера 20, так и для упомянутых выше диодных усилителей 30 и 40. Гетероструктура 50 выращена на подложке 60 из n-типа GaAs. Интегральная связь линейных усилителей 30 с перпендикулярными усилителями 40 реализована с использованием поворотных элементов 70. Гетероструктура 50 выращена на основе полупроводниковых соединений AlGaAs с одним активным слоем 51 из InAlGaAs. Длина волны лазерного излучения, определяемая составом и толщиной активного слоя 51, выбрана равной 0,976 мкм.
эф
вт
эф
вт
2
2
Между активным слоем 51 и ограничительным слоем 52, со стороны подложки 60, расположена первая область втекания, включающая настроечный слой 53 и слой втекания 54. С противоположной стороны между активным слоем 51 и ограничительным слоем 55 расположена вторая область втекания 56 (включающая настроечный слой и слой втекания), к которой примыкает полупроводниковый контактный слой 57 р-типа. Слои металлизации и соответствующие изолирующие диэлектрические слои на чертежах не показаны. Фактически совокупность всех слоев гетероструктуры 50, расположенных между ограничительными слоями 52 и 55, образует расширенную волноводную область. Слои втекания изготовлены из AlGaAs. Толщина слоя втекания 54 со стороны подложки 60 выбрана равной 6 мкм, что на порядок величины больше толщины слоя втекания с противоположной стороны. Величины расчетных отношений эффективного показателя преломления n гетероструктуры 50 к показателю преломления n слоя втекания 54 при плотностях тока 0,3 кА/см и 5,0 кА/смбыли, соответственно, равны n/n=0,999868 и 0,999772.
На основе описанной выше гетероструктуры 50 сформированы интегрально связанные один задающий лазер 20, два линейных усилителя 30 и четыре перпендикулярных усилителя 40. С обеих сторон на оптических гранях 22 оптического резонатора диодного лазера 20 сформированы (нанесением покрытий) отражатели 21 с коэффициентами отражения, близкими к единице (глухие оптические отражатели 21). Интегральная связь задающего лазера 20 с линейными усилителями 30 реализуется в основном через глубокозалегающий слой втекания 54, минуя глухой оптический отражатель 21, который, другими словами, не достигает ограничительного слоя 52 со стороны подложки 60. Активная область генерации 23 задающего лазера 20 выполнена полосковой с шириной полоска 9 мкм, длина оптического резонатора выбрана равной 1000 мкм. Ширина и длина полосковой активной области усиления 31 в каждом из двух линейных усилителей 30, соответственно, равны 12 мкм и 2000 мкм. На наружной оптической грани 32 каждого линейного усилителя 30 нанесено антиотражающее покрытие 33 с коэффициентом отражения, близким к нулю (менее 0,0001).
Интегральная оптическая связь между каждым линейным усилителем 30 и двумя перпендикулярными усилителями 40 реализуется размещением в полосковой активной области усиления 31 двух поворотных элементов 70. Каждый поворотный элемент 70, выполненный травлением, включает расположенную под прямым углом относительно плоскости слоев гетероструктуры 50 оптическую отражающую плоскость 71, проникающую вертикально внутрь от контактного слоя 57 в слой втекания 54 на 60% от его толщины. При этом указанная отражающая плоскость 71 поворотного элемента 70 развернута под углом 45° (по модулю) по отношению к оптическим осям распространения усиленного излучения как в линейном усилителе 30, так и в двух перпендикулярных усилителях 40. Активная область усиления 41 каждого перпендикулярного усилителя 40 выполнена расширяемой с углом расширения 6°. При длине перпендикулярного усилителя, равной 5000 мкм, ширина оптической грани 42, выводящей усиленное излучение, равна 250 мкм. На выводную оптическую грань 42 каждого линейного усилителя 40 нанесено антиотражающее покрытие 43 с коэффициентом отражения, близким к нулю (менее 0,0001).
Боковые ограничительные области 80 с одинаковыми основными характеристиками сформированы прилегающими с обеих боковых сторон к полосковой активной области генерации 23 задающего лазера 20, а также к каждой полосковой активной области 31 двух линейных усилителей 30 и к каждой расширяемой активной области 41 четырех перпендикулярных усилителей 40. Указанные области 80 содержат две подобласти (чертежах не обозначены). Первая полосковая разделительно-ограничительная подобласть, граничащая с указанными выше 23, 31 и 41 областями, сформирована травлением в виде канавки шириной 2,0 мкм на глубину 0,7 мкм, не достигающей глубины залегания активного слоя 51 гетероструктуры 50. Вторая ограничительная подобласть, граничащая с упомянутой выше первой подобластью, сформирована травлением в виде углубленной канавки, пересекающей плоскость залегания активного слоя 51 и проникающей в слой втекания 54 на 60% от его толщины. Обе канавки заполнены диэлектриком.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (на чертежах не показана) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.1-2 тем, что глухие отражатели 21 оптического резонатора сформированы в виде распределенных Брэгговских отражателей, обеспечивающих стабильный одночастотный режим генерации задающего лазера.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (на чертежах не показана) отличалась от модификации изображенной на Фиг.1-2, тем, что единая гетероструктура 50 содержит по крайней мере два активных слоя 51, электрически соединенных между собой тонкими сильнолегированными слоями р- и n-типа с туннельным переходом между ними.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (на чертежах не показана) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.1-2 тем, что содержит пятьдесят перпендикулярных усилителей 40 и пятьдесят поворотных элементов 70 при длине каждого линейного усилителя 30, равной 20000 мкм.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (см. Фиг.3) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.1-2, тем, что каждая (из двух), ближайшая к задающему лазеру, активная область усиления 34 выполнена в начальной ее части расширяемой с плавным переходом в полосковую часть 31 с шириной полоска 50 мкм. Каждая активная область усиления 44 перпендикулярных усилителей 40 выполнена полосковой активной областью усиления 44. Кроме того, в каждом наиболее удаленном поворотном элементе 70 от оптической грани 22 задающего лазера 20, оптическая отражающая плоскость 72 проникает в слой втекания 54 на 100% от его толщины. При этом отпадает необходимость в изготовлении антиотражающих покрытий 33 для линейных усилителей 30. Отметим, что на Фиг.3 и Фиг.4-6 боковые ограничительные области не показаны.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (на чертежах не показана) отличалась от предыдущей тем, что боковые ограничительные области 80, примыкающие к расширяемым активным областям усиления с плавным переходом в полосковые 34 и к полосковым активным областям усиления 31 линейного усилителя 30, состоят только из разделительно-ограничительной подобласти.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (на чертежах не показана) отличалась от предыдущей тем, что боковые ограничительные области 80, примыкающие к полосковым активным областям усиления 44 перпендикулярного усилителя 40, состоят только из разделительно-ограничительной подобласти.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (см. Фиг.4) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.3, тем, что в активной области усиления 31 каждого линейного усилителя 30 оптическая отражающая плоскость 72 развернута по отношению к оптической отражающей плоскости 71 поворотного элемента 70 под прямым углом (на 90°). При этом в перпендикулярных усилителях 40, присоединенных к линейным усилителям 30 с указанными выше оптическими отражающими плоскостями 71 и 72 поворотных элементов 70, выходное усиленное лазерное излучение распространяется в противоположных направлениях.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 (см. Фиг.5) отличалась от модификации, изображенной на Фиг.3, тем, что интегральное соединение линейного усилителя 30 с задающим лазером 20 осуществляется только с одной стороны задающего лазера 20. Лазерное излучение распространяется под глухим оптическим отражателем 21 через часть слоя втекания 54 в расширяемую активную область усиления с плавным переходом в полосковую область 34 линейного усилителя 30. С противоположной стороны оптического резонатора глухой оптический отражатель 21 сформирован на сколотой оптической грани 22. Остальная часть линейного усилителя 30 имеет три полосковые активные области усиления 31 (такие как на Фиг.3). Интегральное присоединение линейного усилителя к четырем перпендикулярным усилителям 40 реализуется через поворотный элемент 70 (выполненный травлением) с соответствующими оптическими отражающими плоскостями 71 и 72. Каждый перпендикулярный усилитель 40 имеет расширяемую активную область усиления 41, причем ближайшая из них к задающему лазеру присоединена к полосковой части активной области усиления 34, остальные - к трем полосковым активным областям усиления 31. Три отражающие плоскости 71, расположенные под прямым углом относительно плоскости слоев гетероструктуры 50, проникают вертикально внутрь от контактного слоя 57 в слой втекания 54 на 50% от его толщины и связывают одну активную область усиления 34 и последующие две активные области усиления 31 с соответствующими расширяемыми активными областями усиления 41. Оптическая отражательная плоскость 72 (в отличие от плоскости 71) проникает вертикально внутрь вплоть до ограничительного слоя 52, что обеспечивает 100% отражение усиленного луча и связывает активную область усиления 31 с наиболее удаленной расширяемой активной областью усиления 41. При этом отпадает необходимость изготовления антиотражающего покрытия 33 на наружной торцевой грани линейного усилителя 30.
Следующая модификация ДИМКЛИ 10 отличалась от предыдущей тем, что к задающему лазеру 20, к линейным усилителям 30 и к перпендикулярным усилителям 40 сформированы автономные (раздельные) омические контакты, реализованные введением тонких разделительных полос между омическими слоями металлизации (на чертежах не приведены).
Предложенный ДИМКЛИ-ВИ 100, изображенный на последующих чертежах, отличается от рассмотренных выше модификаций ДИМКЛИ тем, что в перпендикулярных усилителях 40, вдоль активных областей усиления дополнительно сформированы два и более, формируемых травлением, интегральных выводных элемента 110. Указанные элементы 110 сформированы на определенных расстояниях от поворотного элемента 70 и между собой и предназначены для вывода усиленного лазерного излучения в вертикальном направлении по отношению к плоскости слоев гетероструктуры 50.
Следующая модификация ДИМКЛИ-ВИ 100 (см. Фиг.6 и Фиг.7) отличается от предыдущих тем, что каждый интегральный выводной элемент 110, формируемый травлением, включает оптическую отражающую плоскость 111 усиленного лазерного излучения, размещенную поперек полосковой активной области усиления 44. Указанная плоскость 111 проникает с пересечением плоскостей слоев гетероструктуры 50 (в том числе активный слой 51) под углом наклона минус 45 градусов в слой втекания 54 на 65% от его толщины. Для выводного элемента 110, наиболее удаленного от поворотного элемента 70, оптическая отражающая плоскость 112 проникает в слой втекания 54 на 100% его толщины. В местах выхода усиленного лазерного излучения на наружной стороне 61 подложки 60 формируют антиотражающее покрытие 113 с коэффициентом отражения менее 0,0001. Слои металлизации и антиотражающее покрытие 113 на оставшейся свободной поверхности подложки 60 на Фиг.7 не показаны.
Следующая модификация ДИМКЛИ-ВИ 100 (см. Фиг.6 и Фиг.8) отличается от предыдущей тем, что угол наклона оптических отражающих плоскостей 111 интегральных выводных элементов 110 равен плюс 45 градусов. В этой модификации вывод усиленного лазерного излучения реализуется под прямым углом по отношению к плоскостям слоев гетероструктуры 50 в сторону, противоположную к расположению подложки 60. При этом в местах вывода усиленного лазерного излучения после удаления сильнолегированных контактного слоя 57 и ограничительного слоя 55 наносят антиотражающее покрытие 113 с коэффициентом отражения менее 0,0001. Слои металлизации на оставшейся свободной поверхности контактного слоя 57 на Фиг.8 не показаны.
Предложенные диодные многолучевые источники лазерного когерентного излучения, а именно ДИМКЛИ и ДИМКЛИ-ВИ, позволяют получить необычно большие мощности когерентного лазерного излучения как в горизонтальной плоскости распространения излучения в приборе, так и в плоскости, перпендикулярной активному слою гетероструктуры, с необычно малой расходимостью выходного излучения.
Промышленная применимость
Диодные многолучевые источники лазерного когерентного излучения применяются в прецизионной лазерной обработке материалов (лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное оплавление, размерная обработка различных деталей, лазерная маркировка и гравировка), в лазерных аппаратах для хирургии и силовой терапии, в лазерных дальномерах, лазерных целеуказателях, для реализации лазеров с удвоенной частотой генерируемого излучения, а также для накачки волоконных и твердотельных лазеров и оптических усилителей.