垂直腔面发射半导体芯片和垂直腔面半导体相干光产生装置

本发明涉及固体激光领域。更具体地，涉及一种垂直腔面发射半导体芯片和垂直腔面半导体相干光产生装置。

背景技术：

1、半导体激光器具有体积小、波长覆盖范围广、易于集成以及成本低等优点，是现在激光技术中最热门的激光光源之一，具有广泛的应用领域。然而，广泛应用的边发射半导体激光器(edge-emitting lasers,eel)为了实现大功率输出，需要芯片上同时存在多个发光点，发光点尺寸较小，通常为50-200μm长、1-3μm宽的矩形，且具有较大的发散角，因而输出光斑为椭圆形，需要整形后才能使用。并且，eel各个发光点输出的光束之间为非相干光，光束质量较差，难以获得高亮度的输出激光。与之相比，垂直腔面发射类型的半导体激光器则可以通过外加光学谐振腔，使得大口径上的发光区域在同一个谐振腔中实现振荡，从而输出大口径、高对称性的相干光束，获得更高的光束质量。

2、但是，垂直外腔发射半导体激光器(vertical external cavity surfaceemission laser,vecsel)虽然可以输出高光束质量光斑，但受限于芯片发光区域的尺寸，难以产生高功率激光输出。为了通过vecsel获得高功率、高光束质量的激光，需要对半导体芯片的增益区域口径进行扩展，以获得较大的增益区域。vecsel芯片的增益区域，通常为多层半导体量子阱，厚度通常为数微米到数十微米，如果增大vecsel芯片的增益区域的口径达到数十毫米，将会使得增益区域的横向尺寸超过厚度尺寸几个数量级，这将会导致增益区域中的荧光在横向方向上获得较长的增益距离，引发强烈的放大自发辐射(amplifierself emission,ase)效应，从而导致vecsel的阈值升高，效率和输出功率降低。

技术实现思路

1、本发明提供一种垂直腔面发射半导体芯片和垂直腔面半导体相干光产生装置，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明第一方面提供一种垂直腔面发射半导体芯片，所述半导体芯片包括垂直腔面发射半导体增益介质层、位于所述半导体增益介质层一侧的分布式布拉格反射镜以及位于所述半导体增益介质层远离所述反射镜一侧的金刚石盖层，其中，

4、所述半导体增益介质层包括用于阻断激光横向增益的间隙和由所述间隙分隔的多个增益区域。

5、优选地，所述间隙通过刻蚀工艺刻蚀贯穿所述半导体增益介质层形成。

6、优选地，所述间隙填充有填充物，所述填充物的材料选自金属、金属氧化物或有机物。

7、优选地，所述金刚石盖层的两侧表面均镀有增透膜。

8、优选地，所述金刚石盖层通过键合设置在所述半导体增益介质层上。

9、本发明的第二方面提供一种垂直腔面发射激光增益模块，所述增益模块包括如上所述的垂直腔面发射半导体芯片，和用于冷却所述半导体芯片的冷却热沉。

10、本发明的第三方面提供一种垂直腔面半导体相干光产生装置，所述装置包括如上所述的垂直腔面发射半导体芯片和耦合输出腔镜，其中，

11、所述耦合输出腔镜与所述分布式布拉格反射镜构成光学谐振腔，用于对激光进行反射和放大，

12、所述耦合输出腔镜透射输出相干光。

13、优选地，所述装置还包括关于所述垂直腔面发射半导体芯片与所述耦合输出腔镜同侧设置的反射腔镜，

14、所述反射腔镜、分布式布拉格反射镜和耦合输出腔镜构成v型谐振腔；或者

15、所述耦合输出腔镜是耦合输出平面镜，所述装置还包括关于所述垂直腔面发射半导体芯片与所述耦合输出平面镜同侧设置的反射平面镜，

16、所述反射平面镜、分布式布拉格反射镜和耦合输出平面镜构成环形光学谐振腔。

17、优选地，所述装置通过电极进行电泵浦或通过光源进行光泵浦的方式激励垂直腔面发射半导体增益介质产生激光。

18、本发明的第四方面提供一种垂直腔面发射半导体芯片的制备方法，所述方法包括

19、提供基底；

20、在所述基底上形成半导体增益介质层；

21、对形成的半导体增益介质层进行刻蚀，形成用于阻断激光横向增益的间隙和由所述间隙分隔的多个增益区域；

22、在经刻蚀的半导体增益介质层上形成分布式布拉格反射镜；

23、去除所述基底；以及

24、在半导体增益介质层去除基底侧通过键合设置金刚石盖层。

25、本发明的有益效果如下：

26、本发明的垂直腔面发射半导体芯片中的垂直腔面发射半导体增益介质包括多个被间隙间隔开的多个小型垂直腔面发射半导体增益介质区域，也即本发明的垂直腔面发射半导体增益介质可被看作由多个小型垂直腔面发射半导体增益介质拼接而成，在小型垂直腔面发射半导体增益介质之间存在间隙，用以阻断在拼接垂直腔面发射半导体增益介质内的横向增益，减小由放大的自发辐射造成的能量损失。本发明通过刻蚀形成的间隙实现多个垂直腔面发射半导体增益介质区域的拼接，扩展了垂直外腔发射半导体激光器增益介质的增益区域的面积，增加了垂直腔面发射半导体芯片输出激光的功率，解决了现有技术下垂直外腔发射半导体激光器增益区域小，输出相干光束的功率低的难题。对于增加增益区域总面积的半导体增益介质层，通过刻蚀形成的多个多边形增益区域之间的间隙阻断了垂直腔面半导体增益区域的横向增益，使在得到的每个小型垂直腔面发射半导体增益介质内，增益区域的横向尺寸较小且横向增益较弱，解决了大口径下垂直外腔发射半导体增益介质内横向增益过大引起自发辐射效应严重，输出阈值升高，输出功率低和提取效率低的难题。本发明通过将耦合输出腔镜与分布式布拉格反射镜构成光学谐振腔，保证了大口径下各个垂直腔面发射半导体增益介质产生输出光束的空间相干性，实现输出高功率、高光束质量的相干光。

技术特征：

1.一种垂直腔面发射半导体芯片，其特征在于，所述半导体芯片包括垂直腔面发射半导体增益介质层、位于所述半导体增益介质层一侧的分布式布拉格反射镜以及位于所述半导体增益介质层远离所述反射镜一侧的金刚石盖层，其中，

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片，其特征在于，所述间隙通过刻蚀工艺刻蚀贯穿所述半导体增益介质层形成。

3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片，其特征在于，所述间隙填充有填充物，所述填充物的材料选自金属、金属氧化物或有机物。

4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片，所述金刚石盖层的两侧表面均镀有增透膜。

5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片，其特征在于，所述金刚石盖层通过键合设置在所述半导体增益介质层上。

6.一种垂直腔面发射激光增益模块，其特征在于，所述增益模块包括如权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片，和用于冷却所述半导体芯片的冷却热沉。

7.一种垂直腔面半导体相干光产生装置，其特征在于，所述装置包括如权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片和耦合输出腔镜，其中，

8.根据权利要求7所述的相干光产生装置，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的相干光产生装置，其特征在于，所述装置通过电极进行电泵浦或通过光源进行光泵浦的方式激励垂直腔面发射半导体增益介质产生激光。

10.一种根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括

技术总结本发明公开一种垂直腔面发射半导体芯片和垂直腔面半导体相干光产生装置。所述半导体芯片包括垂直腔面发射半导体增益介质层、位于所述半导体增益介质层一侧的分布式布拉格反射镜以及位于所述半导体增益介质层远离所述反射镜一侧的金刚石盖层，其中，所述半导体增益介质层包括用于阻断激光横向增益的间隙和由所述间隙分隔的多个增益区域。本发明通过刻蚀形成的间隙实现多个垂直腔面发射半导体增益介质区域的拼接，扩展了垂直外腔发射半导体激光器增益介质的增益区域的面积，增加了垂直腔面发射半导体芯片输出激光的功率，保证了大口径下各个垂直腔面发射半导体增益介质产生输出光束的空间相干性，实现输出高功率、高光束质量的相干光。技术研发人员：薄勇,宋艳洁,朱铎,胡雨菡受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/9