微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵

摘要

微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵涉及半导体激光器和微透镜集成半导体激光器阵列领域，该阵列实现了高功率和低慢轴发散角自准直的高光束质量激射输出，通过集成半柱状透镜单元，大大改善了脊型半导体激光器慢轴发散角大的缺点。该激光器阵列包括：在外延片上制作出至少两个相同的、相互平行的脊型波导，和分别与一个脊型波导配对，位于脊型波导侧表面的前端透镜单元，构成至少两个慢轴自准直激光器，按照等周期排列形成列阵；脊型波导与前端透镜单元间存在距离。本发明可明显提高半导体激光器列阵器件的稳定性和复杂系统的紧凑性，同时大大降低传统光学机械系统的加工和装调成本，实现了高功率、高光束质量、单模激光输出。

权利要求

1.微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，该激光器阵列包括：在外延片上制作出至少两个相同的、相互平行的脊型波导，和分别与一个脊型波导配对，位于脊型波导侧表面的前端透镜单元，构成至少两个慢轴自准直激光器，按照等周期排列形成列阵；

脊型波导与前端透镜单元间存在距离。

2.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述前端透镜单元外侧表面上镀抗反膜。

3.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述脊型波导外侧表面镀高反膜。

4.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述每个脊型波导单元腔长L＝1000～1500μm，宽度为s＝3～6μm，每个脊形波导上镀金属电极。

5.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述脊型波导与前端透镜单元间存在距离为ds，ds＝f*(n-1)-D-f1；其中f为前端透镜单元的焦距，n为半导体材料有效折射率，D为前端透镜单元的宽度，f1为前端透镜单元焦点与靠近前端透镜单元一端的脊形波导之间的距离。

6.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述前端透镜单元为半柱状结构。

7.根据权利要求1所述的微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，其特征在于，所述外延片从下至上依次为：N型GaAs外延衬底，N型Al0.15GaAs包层，N型Al0.08GaAs光限制层，GaAs/In-GaAs多量子阱层，P型Al0.08GaAs限制层和P型Al0.2GaAs包层。

说明书

微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器和微透镜集成半导体激光器阵列领域，尤其涉及微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵。

背景技术

[0002] 半导体激光器具有小巧、高效、寿命长、易于集成等诸多优点。微透镜集成激光器列阵相对普通激光器列阵，具有更高的光束质量和更小的慢轴发散角，更适用于大规模半导体激光整形合束。在工业、军事、医疗等方面具有更加广泛的应用前景。制造出高功率、高光束质量的半导体激光器一直是人们追求的目标。

[0003] 传统的高功率宽条半导体激光器因其波导尺寸较大，无法对谐振腔内光波侧向模式形成有效的限制，高阶侧模与基侧模同时振荡，导致其光束质量退化、出光亮度降低。宽条形半导体激光器的快轴发散角全角一般为52°～70°，光场呈基模高斯分布，光束质量好，接近衍射极限。而其慢轴发散角，其全角通常为12°～20°，该方向的光场为多模厄米-高斯分布，光束质量差。脊形波导激光器虽然可以实现单侧模工作，但小输出口径又限制了其输出功率，一般在1W以下；且由于脊型波导的引入，增大了其慢轴发散角，限制了其应用。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，该阵列实现了高功率和低慢轴发散角自准直的高光束质量激射输出，通过集成半柱状透镜单元，大大改善了脊型半导体激光器慢轴发散角大的缺点。

[0005] 本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

[0006] 微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵，该激光器阵列包括：在外延片上制作出至少两个相同的、相互平行的脊型波导，和分别与一个脊型波导配对，位于脊型波导侧表面的前端透镜单元，构成至少两个慢轴自准直激光 器，按照等周期排列形成列阵；脊型波导与前端透镜单元间存在距离。

[0007] 本发明的有益效果是：慢轴准直透镜单片集成技术是将慢轴准直透镜元件与脊型波导半导体激光器集成在同一单片上，使激光器输出光束沿着特定光路传播，通过慢轴准直透镜单元压缩其慢轴发散角。该技术可明显提高半导体激光器列阵器件的稳定性和复杂系统的紧凑性，同时大大降低传统光学机械系统的加工和装调成本。此外，透镜集成高光束质量半导体激光器列阵是一种新型的高光束质量半导体激光器列阵器件，实现了高功率、高光束质量、单模激光输出。

附图说明

[0008] 图1本发明微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵立体图。

[0009] 图2本发明微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵主视图。

[0010] 图中：1、脊型波导，2、前端透镜单元，3、脊型波导上的金属电极，4、P型Al0.2GaAs包层，5、P型Al0.08GaAs限制层，6、GaAs/In-GaAs多量子阱层，7、N型Al0.08GaAs光限制层，8、N型Al0.15GaAs包层，9、N型GaAs外延衬底，10、背面电极，11、高反膜和12、抗反膜。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

[0012] 如图1所示，每个微透镜集成自准直半导体激光器阵列由6个激光器单元和6个前端透镜单元2构成。其中，每一个激光器单元为脊型波导1结构，通过脊型波导结构1获得高功率单模激光输出。每一个前端透镜单元2为半柱状结构，通过压缩平行于结平面的慢轴发散角，得到沿X方向传输的慢轴自准直激光束。每个微透镜集成自准直半导体激光器右端面距离与前端透镜单元2的距离为ds，ds＝f*(n-1)-D-f1，其中f为前端透镜单元2的焦距，n为外延片半导体材料有效折射率，D为前端透镜单元2的宽度，f1为前端透镜单元2焦点与脊型波导11右端面的距离，满足透镜焦距定理。

[0013] 微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵结构，其制作过程如下：本实施例中，材料体系为GaAs/InGaAs/AlGaAs，出光波长980nm。单片集成结构为等间距线性排列的6个脊型波导1和6个波导前端透镜单元2组成。器件 外延片是通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长在N型掺杂的GaAs衬底上，基本外延结构由下至上依次包括N型GaAs外延衬底9，N型Al0.15GaAs包层8，N型Al0.08GaAs光限制层7，GaAs/In-GaAs多量子阱层6，P型Al0.08GaAs限制层5和P型Al0.2GaAs包层4。首先，采用i-line光刻和等离子刻蚀技术制作6个脊型波导1，刻蚀到P型Al0.08GaAs限制层5。接着采用光刻和等离子刻蚀技术制作半柱状的前端透镜单元2，刻蚀到N型GaAs外延衬底9。接着制作脊形波导上的金属电极3，再经过衬底减薄，镀激光器阵列背面电极10，在微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵左侧，脊型波导1的端面镀高反膜，在微透镜集成高光束质量半导体激光器列阵右侧，前端透镜单元2的端面镀抗反膜，整个器件制作完成。其具有制作简单，结构紧凑的优点。

[0014] 其中，激光器单元腔长L＝1000μm，脊形波导1的波导宽度s＝5μm；脊型波导1与前端透镜单元2间存在距离为ds＝1μm；前端透镜单元2的曲率半径R＝128μm，前端曲面最远点到后端平面距离D＝10μm；激光器阵列条内相邻激光器单元中心距离和透镜单元中心距离为d＝100μm。