ПОВЕРХНОСТНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ
SURFACE-EMITTING LASER DEVICE WITH VERTICAL EXTERNAL RESONATOR WITH OPTICAL PUMPING

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к поверхностно-излучающему лазерному прибору с вертикальным внешним резонатором с оптической накачкой, содержащему по меньшей мере один поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором (vertical external-cavity surface-emitting laser, VECSEL) и несколько лазерных диодов накачки, в котором упомянутые лазерные диоды накачки расположены с возможностью оптической накачки активной области VECSEL за счет отражения излучения накачки на зеркальном элементе. Поверхностно-излучающие лазерные приборы с вертикальным внешним резонатором представляют собой один из многообещающих лазерных источников с повышенной яркостью и предлагают множество преимуществ, по сравнению с излучателями с торцевым излучением, такими как доступные компоновки двумерных матриц и формы круговых пучков.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
VECSEL обычно содержат первое концевое зеркало и активную область, сформированную в виде последовательности слоев, и второе концевое зеркало, установленное отдельно от последовательности слоев и образующее внешний резонатор лазера. В стандартных установках внешний резонатор состоит из макроскопических оптических элементов, которые являются очень громоздкими и требуют сложной настройки. Путем реализации внешних оптических компонентов из полупроводниковой пластины и связывания этой полупроводниковой пластины с нанесенной на полупроводниковую пластину последовательностью слоев, где полупроводниковая пластина обычно представляет собой полупроводниковую пластину GaAs, можно изготовить много тысяч микро-VECSEL, подключенных параллельно, и протестировать их непосредственно на полупроводниковой пластине, подобной поверхностно-излучающим лазерным диодам с вертикальным резонатором (vertical cavity surface emitting laser diodes, VCSEL).
Известные VECSEL с оптической накачкой нуждаются в раздельной установке и юстировке лазеров накачки в резонатор или полость VECSEL. Это требует продолжительного производства и громоздких модульных блоков.
В US 2010/0014547 Al раскрыт прибор для продольной накачки твердотельной лазерной активной среды. Этот прибор содержит несколько лазерных диодов накачки, которые установлены на боковых поверхностях охлаждающего устройства лазерной активной среды. Излучение накачки, испускаемое лазерными диодами, отражается несколькими параболическими зеркалами по направлению к одной из торцевых поверхностей твердотельной активной лазерной среды. В этом приборе несколько параболических зеркал приходится точно юстировать для достижения желаемого распределения интенсивности излучения накачки на входе твердотельной лазерной активной среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение поверхностно-излучающего лазерного прибора с вертикальным внешним резонатором с оптической накачкой, который допускает более легкую юстировку оптики накачки и может быть реализован в виде компактной конструкции.
Эта задача достигается с помощью поверхностно-излучающего лазерного прибора с вертикальным внешним резонатором по п. 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления прибора являются предметом изобретения согласно зависимым пунктам формулы изобретения или описаны в последующих частях описания и в предпочтительных вариантах осуществления.
Предложенный поверхностно-излучающий лазерный прибор с вертикальным внешним резонатором с оптической накачкой содержит по меньшей мере один VECSEL в виде полупроводникового дискового лазера с оптической накачкой и несколько лазерных диодов накачки, предпочтительно, поверхностно-излучающих лазерных диодов с вертикальным резонатором (VCSEL). VECSEL может быть выполнен известным образом и может содержать стопку слоев, образующих по меньшей мере первое концевое зеркало, и активную область VECSEL. Второе концевое зеркало, расположенное отдельно от стопки слоев, образует внешний резонатор лазера. В предложенной конструкции лазерного прибора лазерные диоды накачки расположены с возможностью оптической накачки активной области VECSEL за счет отражения излучения накачки на зеркальном элементе. Зеркальный элемент расположен на оптической оси VECSEL и выполнен с возможностью сосредотачивать излучение накачки в активной области и формировать вместе с этим второе концевое зеркало VECSEL. Зеркальный элемент, таким образом, объединяет две функции в одном одиночном элементе.
В поверхностно-излучающем лазерном приборе с вертикальным внешним резонатором согласно настоящему изобретению использован подходящим образом выполненный зеркальный элемент, который направляет свет накачки в активную область VECSEL и действует как внешнее зеркало, в то же время образующее резонатор VECSEL вместе с первым зеркалом. Таким образом, пятно накачки автоматически юстируется в соответствии с оптической модой резонатора VECSEL. При выполнении зоны оптической накачки активной области VECSEL могут быть реализованы достаточно большие (большое поперечное сечение, перпендикулярное к оптической оси) допуски на юстировку лазерных диодов вплоть до 100 мкм. Предложенная конструкция допускает расположение лазерных диодов накачки для направления излучения накачки по существу параллельно оптической оси по направлению к зеркальному элементу, что допускает очень компактную конструкцию устройства. Является предпочтительным, чтобы лазерные диоды накачки были реализованы в виде матрицы VCSEL, которые могут быть протестированы на уровне полупроводниковой пластины и могут обеспечить хорошую эффективность. В дополнение, в предпочтительном варианте осуществления изобретения лазерные диоды накачки интегрированы на одном кристалле в виде стопки слоев VECSEL. Это снижает расходы на изготовление, а также размеры лазерного прибора, при предоставлении исключительной яркости.
Интегрирование матрицы диодов VCSEL и VECSEL на одном кристалле позволяет изготавливать эти лазеры, создаваемые из одной и той же последовательности слоев на кристалле. Для этой цели применяют общую слоистую структуру, в которой последовательность слоев, образующая диоды VCSEL, отделена протравленным запирающим слоем от последовательности слоев, образующей стопку слоев VECSEL. Диоды VCSEL и VECSEL затем формируют путем надлежащего структурирования последовательности слоев посредством одного или нескольких процессов травления.
Также можно интегрировать лазерные диоды накачки и VECSEL на отдельных кристаллах, которые затем могут быть смонтированы на общем кристаллодержателе или на теплоприемнике. Такое расположение также предоставляет преимущество, состоящее в очень компактной конструкции лазерного устройства.
Зеркальный элемент, образующий внешнее зеркало VECSEL, может быть установлен на последовательности слоев VECSEL тем же образом, что уже был известен из уровня техники. Также можно формировать несколько зеркальных элементов на отдельной полупроводниковой пластине, а затем соединить эти полупроводниковые пластины с полупроводниковой пластиной, содержащей несколько стопок слоев VECSEL, наряду с матрицей VCSEL. Соединенные полупроводниковые пластины затем разделяют на одиночные кристаллы, содержащие предложенные лазерные приборы. В качестве альтернативы, две полупроводниковые пластины могут быть сначала разделены на одиночные кристаллы, и одиночные кристаллы могут быть затем скомбинированы, чтобы получить предложенный лазерный прибор. Другая возможность состоит в непосредственном интегрировании зеркального элемента на кристалле или на полупроводниковой пластине, содержащей последовательность слоев VECSEL.
Является предпочтительным, чтобы зеркальный элемент содержал центральную область, которая образует внешнее зеркало, и внешнюю область, которая выполнена с возможностью отражения излучения накачки к активной области VECSEL. Для этой цели зеркальный элемент предпочтительно изготовлен в виде оптического устройства произвольной формы, допускающего почти любую форму отражающих зеркальных поверхностей в центральной и внешней областях зеркального элемента. Внешняя область, которая предпочтительно полностью окружает центральную область, может быть выполнена с возможностью генерирования любого желаемого распределения интенсивности излучения накачки в активной области VECSEL, соответствующего форме желаемой оптической моды лазера. В зависимости от стороны испускания VECSEL тело зеркального элемента может быть образовано из подходящего материала, например из металла, стекла с покрытием или пластмассы с покрытием. В случае металлического тела отражающие поверхности зеркального элемента могут быть образованы из этого металла, например из отполированного алюминия. В случае стеклянного или пластмассового тела зеркальная поверхность образуется из подходящего металлического или диэлектрического покрытия, как известно из уровня техники.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылками на варианты осуществления, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предложенный твердотельный лазерный прибор будет далее более подробно описан посредством примеров, в сочетании с прилагаемыми чертежами. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 представляет собой первый пример предложенного лазерного прибора;
Фиг. 2 представляет собой пример последовательности слоев для изготовления предложенного лазерного прибора;
Фиг. 3 представляет собой примерную конструкцию VECSEL и диодов VCSEL предложенного лазерного прибора после структурирования последовательности слоев согласно Фиг. 2;
Фиг. 4 представляет собой второй пример предложенного лазерного прибора;
Фиг. 5 представляет собой детализацию другого варианта осуществления предложенного лазерного прибора;
Фиг. 6 представляет собой детализацию другого варианта осуществления предложенного лазерного прибора;
Фиг. 7 представляет собой третий пример части предложенного лазерного прибора;
Фиг. 8 представляет собой вид сверху примера предложенного лазерного прибора;
Фиг. 9 представляет собой вид сверху примера предложенного лазерного прибора;
Фиг. 10 представляет собой другой пример предложенного лазерного прибора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
VECSEL
VECSEL
На Фиг. 1-3 показан первый пример предложенного лазерного прибора и его изготовления. В этом примере лазерные диоды накачки представляют собой диоды VCSEL 300, которые интегрированы на одном и том же кристалле 120, что и VECSEL 200. Диоды VCSEL 300 расположены так, чтобы окружать VECSEL 200. В этом варианте осуществления все полупроводниковые лазеры представляют собой лазеры верхнего излучения, как указано на Фиг. 1. Зеркальный элемент 400 (оптическое устройство произвольной формы), содержащий по меньшей мере две радиальные зеркальные области 410, 420, устанавливают соосно перед полупроводниковым кристаллом 120. В этом варианте осуществления зеркальный элемент 400 образован из оптически прозрачного тела, состоящего из первой поверхности 401, обращенной к полупроводниковому кристаллу 120, и второй поверхности 402. На первую поверхность 401 нанесено покрытие для обеспечения достаточной отражательной способности для функционирования лазера VECSEL 200(R(λ)=80-99,5%) и как можно более высокого отражения света накачки VCSEL 300 (R(λ)>95%, предпочтительно, >99%. Поверхность 401 разделена на две области с различными формами.
2
0
2
2
1
Центральная область 410 для r<Rобразует внешнее зеркало VECSEL и обычно представляет собой сферическое зеркало с радиусом кривизны, выполненным с возможностью получения размера основной моды w в активной области VECSEL 200 на расстоянии L. Внешняя область 420 для r>R выполнена с возможностью отражения излучения 310 VCSEL 300 в активную область VECSEL 200. Эта внешняя область 420 может быть образована в виде параболического зеркала с радиусом кривизны, равным 2L. R приблизительно равен радиусу R поперечного сечения VECSEL 200, перпендикулярного к оптической оси 210 VECSEL 200, и должен быть больше, чем размер моды лазерного излучения VECSEL в плоскости зеркального элемента 400, но также достаточно малым для собирания всего света VCSEL.
Как видно из Фиг. 1, излучение накачки 310, испускаемое диодами VCSEL 200, направляется внешней областью 420 зеркального элемента 400 в активную область VECSEL 200 для оптической накачки этого лазера. Благодаря такому расположению лазерных диодов накачки 300 и зеркального элемента 400 получается очень компактная конструкция лазерного прибора. Продолжительная юстировка лазеров накачки относительно VECSEL не является обязательной, поскольку излучение накачки автоматически центрируется в активной области VECSEL 200 за счет геометрической формы отражающей поверхности зеркального элемента 400.
Матрица VCSEL и VECSEL (лазеры VECSEL) также могут быть образованы на отдельных кристаллах, изготовленных из различных эпитаксиальных полупроводниковых пластин и связанных с одним и тем же кристаллодержателем или теплоприемником, а затем скомбинированы с оптическим элементом 400. Это облегчает изготовление структур полупроводниковых пластин, но повышает усилие монтажа и размер модуля.
На Фиг. 2 и 3 схематически показан способ изготовления лазерного прибора согласно Фиг. 1. Для этой цели последовательность слоев, как показано на Фиг. 2, эпитаксиально выращивают на подложке полупроводниковой пластины. В качестве примера, структура для VECSEL, излучающего с эпитаксиальной стороны, описана для n-легированных подложек. Из нее можно легко получить стопки слоев для p-легированных подложек и/или для испускания со стороны подложки. Структура согласно этому варианту осуществления содержит, начиная с подложки 500:
- запирающий протравленный слой 101 (необязательный), который можно в дальнейшем удалить с подложки 500 для лучшего теплоотвода; этот запирающий протравленный слой также может быть пропущен, если подложка 500 не удалена;
- n-легированный токораспределительный слой 102 (необязательный) с высокой концентрацией легирующей примеси;
- n-легированный РБО 103 (распределенный брэгговский отражатель), который в дальнейшем образует концевое зеркало диодов VCSEL (R≥99,9%);
- активная область 104 диодов VCSEL, как известно из уровня техники (например, 3 квантовые ямы, слои ограничения тока и оксидная апертура);
- p-легированный РБО 105, в дальнейшем образующий выходное зеркало для диодов VCSEL (R приблизительно 99%);
- верхний защитный слой 106 для достижения согласования фаз (полупроводник/воздух), как известно для диодов VCSEL с верхним излучением;
- запирающий протравленный слой 100, отделяющий пакет слоев VCSEL от последовательности слоев VECSEL;
- нелегированный РБО 107 (необязательный), в дальнейшем образующий первое концевое зеркало VECSEL;
- активная область 108 VECSEL, как известно из уровня техники (несколько квантовых ям в пучностях стоячей волны, с барьерными слоями, РПУ-структура (РПУ: резонансно-периодическое усиление), оптимизированная для накачки внутри ям или барьерной накачки, …); и
- верхний защитный слой 109, имеющий антибликовое покрытие от воздуха или эталонный слой для резонансного усиления или стабилизации длины волны.
VECSEL
VECSEL
VECSEL
VECSEL
Резонансная длина волны λ диодов VCSEL, образованная РБО 103 и 105, выбрана таким образом, чтобы быть немного короче, чем длина волны излучения λ для активной области 108 VECSEL. В случае барьерной накачки λ должна быть на несколько десятков нанометров короче, чем λ.
Запирающий протравленный слой 101 и токораспределительный слой 102 необходимы, только если подложка 500 будет по меньшей мере частично удалена. Нелегированный РБО 107 не является необходимым, если длина волны VECSEL находится внутри запрещенной зоны p-РБО 105, но не точно равна резонансной длине волны резонатора VCSEL между 103 и 105. В этом случае p-РБО 105 образует первое концевое зеркало VECSEL. Однако дополнительный нелегированный РБО 107 может снизить оптические потери в VECSEL, но в то же время тепловое сопротивление VECSEL в этом дополнительном слое повышается.
1
После выращивания такой слоистой структуры контактные столбики стравливаются до запирающего протравленного слоя 100, образуя область VECSEL 200 с диаметром 2*R. Затем запирающий протравленный слой 100 удаляется, обнажая верхний защитный слой 106. На следующем этапе один или несколько VCSEL 300 обрабатывают вслед за областью VECSEL путем вытравливания мезаструктур, окисления, осаждения p-кольцевых контактов и т.п. Также могут быть реализованы p-контакты в виде дорожек через подложку для монтажа методом перевернутого кристалла.
Результат этих этапов обработки отображен на Фиг. 3. Металлический контакт (n-контакт) 330 осажден на n-стороне подложки 500.
В качестве альтернативы, подложка 500 может быть удалена путем ее стравливания до запирающего протравленного слоя 101 со стороны подложки. Затем металлический контакт 330 осаждают на n-слой 102.
После этой обработки полупроводниковую пластину разделяют на одиночные кристаллы 120 и припаивают n-сторону к теплоприемнику.
Зеркальный элемент 400 предложенного лазерного прибора может быть выполнен любым подходящим способом для выполнения желаемых функций. Центральная область 410 также может быть образована в виде зеркала произвольной формы для формирования моды или селекции моды VECSEL 200. Внешняя область 420 также может быть реализована, например, в виде зеркала произвольной формы 421, действующего как матрица из меньших зеркал, коллимирующих или фокусирующих пучки излучения 310 отдельных VCSEL, как схематически показано на Фиг. 4. В другом варианте осуществления зеркало произвольной формы 421 может приводить к получению различных диаметров пятен накачки от отдельных VCSEL 300 для придания формы результирующему общему профилю накачки с получением любого желаемого профиля, например гауссова профиля.
Вторая поверхность 402 зеркального элемента 400 может иметь антибликовое покрытие для длины волны VECSEL и может быть плоской, сферической, чтобы коллимировать или фокусировать лазерный пучок VECSEL, или даже представлять собой вторую поверхность произвольной формы, для добавочного формирования лазерного пучка VECSEL.
Первая поверхность 401 может представлять собой плоскость и иметь антибликовое покрытие для длины волны излучения накачки и длины волны лазерного излучение VECSEL, а вторая поверхность 402 может содержать две области 410 и 420 с нанесенным отражающим покрытием. Затем зеркальный элемент 400 также может быть интегрирован с полупроводниковым кристаллом на уровне полупроводниковой пластины.
Две области 410 и 420 также могут быть реализованы на двух противоположных сторонах оптического элемента 400 с различными покрытиями на обеих сторонах.
Как показано на Фиг. 6, микролинзы 430 могут быть образованы наверху VCSEL 300 для коллимирования пучков излучения накачки VCSEL или фокусирования их на активной области VECSEL 200. На Фиг. 6 показана только детализация узла микролинз наверху VCSEL 300 для предложенного прибора.
На Фиг. 5 показан вариант осуществления, который реализован после удаления подложки согласно Фиг. 3. После удаления подложки слои 101-106 также могут быть удалены ниже области VECSEL 200 и заполнены высокотеплопроводным материалом 502, например Cu, Au или Ag, для лучшего теплоотвода.
Кристалл с VECSEL и диоды VCSEL накачки также может быть реализован в другом порядке при наличии диодов VCSEL с нижним излучением. Пример показан на Фиг. 7. Ссылочные обозначения означают те же слои, что и на Фиг. 2. Опять же, для лучшего теплоотвода от этой области к области VECSEL 200, заполненной высокотеплопроводным материалом 502, может быть подведена тепловая дорожка, например, металлическая. Завершенный кристалл 120 в этом примере припаивают (припой 503) к общему кристаллодержателю или к теплоприемнику 501.
На Фиг. 8 показан вид сверху примера предложенного лазерного устройства согласно Фиг. 1. На этом виде сверху можно распознать матрицу лазера накачки с другими VCSEL 300, которые окружают VECSEL 200. Контактная площадка 340 для установления электрического контакта расположена на боковой поверхности кристалла.
Несколько VECSEL 200 также могут быть реализованы на одиночном кристалле с VCSEL 300 накачки в соответствии с каждым из VECSEL 200. Это схематически показано на виде сверху согласно Фиг. 9. Каждый из VECSEL 200 с его соответствующей накачкой VCSEL 300 и соединительными проводами 350 содержит зеркальный элемент, направляющий излучение от каждой матрицы накачки к соответствующему VECSEL 200. Зеркальные элементы 400 схематически обозначены пунктирной линией на Фиг. 9. Накачка области может быть индивидуально адресуема для достижения адресуемой оптической накачки матрицы VECSEL, которая может быть использована для печатания, маркировки или подобных применений.
VECSEL
VECSEL
На Фиг. 10 показан другой вариант осуществления предложенного лазерного прибора. В этом варианте осуществления последовательность слоев (слои 103-106) VCSEL 300 образована на верхней поверхности последовательности слоев (слои 107-109) VECSEL, будучи отделенной запирающим протравленным слоем 100 и n-легированным токораспределительным слоем 102. На верхней поверхности VCSEL 300 реализованы p-контакты 320 в виде кольцевых контактов. Дополнительная контактная площадка 340 для n-контакта образована на токораспределительном слое 102. Последовательность слоев VECSEL расположена на оптически прозрачном теплоотводящем слое 504, который может быть изготовлен, например, из алмаза, сапфира или SiC. Этот слой устанавливают на теплоприемник 501, который содержит сквозное отверстие 505, допускающее лазерное излучение 220 VECSEL через сквозное отверстие 505 теплоприемника 501. При такой конструкции зеркальный элемент 400 может быть образован из оптически непрозрачного материала, например из металла. Центральная область 410, образующая внешнее зеркало VECSEL, имеет покрытие с высокой отражательной способностью для λ, а внешняя область 420 имеет покрытие с высокой отражательной способностью для λ.
Тогда как изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Например, зеркальный элемент может иметь любую форму для реализации желаемой функции и не ограничен сферической или параболической формой. Кроме того, слоистые структуры VECSEL и диоды VECSEL не ограничены раскрытой последовательностью. Лазеры накачки и VECSEL также могут быть изготовлены на различных полупроводниковых пластинах или на подложках, которые затем комбинируют с предложенным устройством. В дополнение к элементам и слоям, показанным в примерах, частью предложенного лазерного прибора могут быть и другие элементы или слои. Например, возможно интегрирование функциональных элементов VECSEL между слоем 100 и слоем 109 или на верхней поверхности слоя 109, например, эталонов для выбора продольной моды, поляризации слоев для поляризации и стабилизации, перфорации для выбора поперечной моды, насыщаемых поглотителей для синхронизации мод, и т.д. Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при применении заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественности. Сам факт, что некоторые меры перечислены в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть успешно использовано. В частности, все пункты формулы изобретения устройства могут быть легко скомбинированы. Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
100 запирающий протравленный слой
101 запирающий протравленный слой
102 токораспределительный слой
103 n-легированный РБО
104 активная область VCSEL
105 p-легированный РБО
106 верхний защитный слой
107 нелегированный РБО
108 активная область VECSEL
109 верхний защитный слой
120 полупроводниковый кристалл
200 VECSEL
210 оптическая ось
220 лазерное излучение VECSEL
300 VCSEL
310 излучение накачки
320 p-контакт
330 n-контакт
340 контактная площадка
350 соединительные провода
400 зеркальный элемент (оптический элемент произвольной формы)
401 первая поверхность зеркального элемента
402 вторая поверхность зеркального элемента
410 центральная область
420 внешняя область
421 внешняя область специальной формы
430 микролинзы
500 подложка
501 кристаллодержатель/теплоприемник
502 металл
503 припой
504 оптически прозрачный теплоприемник
505 сквозное отверстие.