Лазер с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, набор лазеров и способ повышения кпд лазерного устройства

 

Изобретение относится к лазерной технике. В устройстве и способе генерирования мощного лазерного излучения геометрия лазерного резонатора определяет основную пространственную или поперечную резонаторную моду. Внутри резонатора расположена усиливающая среда, и источник энергии активизирует усиливающую среду в пределах первого объема. Это вызывает спонтанное и вынужденное испускание энергии, распространяющееся в усиливающей среде в направлении, поперечном основной резонаторной моде. Это поперечное испускание энергии, в свою очередь, накачивает второй объем усиливающей среды, расположенный вокруг первого объема. Когда интенсивность испускания достаточно высока, во втором объеме создаются инверсия и усиление. За счет оптимизации геометрии резонатора таким образом, чтобы основная резонаторная мода проходила как через первый, так и через второй объемы, окружая первый накачиваемый объем, поперечно направленная энергия первого объема, которая иначе была бы потеряна, захватывается основным лучом, что повышает общий энергетический КПД лазера. Технический результат изобретения: упрощение конструкции лазера с вертикальным резонатором. 3 с. и 22 з.п.ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области полупроводниковых лазеров.

Уровень техники Данная заявка имеет притязание на приоритет, основанное на предварительной заявке на патент США 60/041185, поданной 21 марта 1997 г., содержание которой включено в данную заявку путем ссылки.

К широко используемым в настоящее время полупроводниковым лазерам относятся лазеры на диодах с торцевым излучением и лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность. В лазерах с торцевым излучением полупроводниковая усиливающая среда, например полупроводниковая структура с квантовыми ямами, выполнена на поверхности полупроводниковой подложки. Резонаторные зеркала выполнены или расположены иным образом на противоположных сторонах подложки перпендикулярно поверхностям подложки с образованием резонатора, в котором находится усиливающая среда. Электрическая или оптическая накачка усиливающей среды создает лазерный луч, распространяющийся в направлении вдоль плоскости подложки.

Лазеры с торцевым излучением находятся среди наиболее распространенных полупроводниковых лазерных устройств. Будучи серийно выпускаемыми как отдельные блоки и в составе линейных матриц стержневого типа, они используются, например, в качестве источника излучения для оптической накачки твердотельных лазеров. Адаптированные варианты лазеров с торцевым излучением, имеющие высокую мощность, как правило, свыше нескольких сотен милливатт, обычно работают в пространственных модах высшего порядка и при множественных частотах. Это не позволяет использовать их в тех случаях, где требуется высокая мощность лазерного излучения в одномодовом режиме и/или при единственной частоте. Излучатели с торцевым излучением также имеют значительную степень астигматизма и коэффициент формы пучка, который обычно является большим, затрудняя фокусирование луча в маленькую точку, что не позволяет использовать их в тех случаях, где требуется сфокусированный луч на выходе. Плохое качество луча в лазерах с торцевым излучением также затрудняет и делает неэффективным удвоение частоты лазерного излучения с помощью нелинейно-оптических материалов.

В обычных лазерах с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность резонаторные зеркала выполнены или расположены иным образом на противоположных поверхностях полупроводниковой усиливающей среды, выращенной на полупроводниковой подложке. Электрическая или оптическая накачка создает лазерный луч, испускаемый в направлении, перпендикулярном плоскости подложки.

Обычные лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность находят применение в системах оптической информации и оптической связи. Лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность характеризуются, как правило, низкими значениями мощности излучения в основной пространственной моде при ТЕМ₀₀, ограниченными примерно 8 милливатт (мВт) в непрерывном режиме, и дополнительно характеризуются малыми диаметрами луча в основной пространственной моде, порядка нескольких микрометров (мкм). Излучатели лазеров с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, имеющие большую площадь, с диаметрами луча порядка 100 мкм могут генерировать излучение мощностью несколько сотен мВт в непрерывном режиме. Однако применение лазеров с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность при высокой мощности излучения и большом диаметре пучка несет с собой проблему, состоящую в том, что выходной луч имеет пространственные моды высокого порядка и несколько частот. В конструкции лазера с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, использующей внешний резонатор, называемой в технике лазером с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность, внешний отражатель служит средством вывода выходного излучения. Лазерные устройства с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность могут обеспечивать более высокую, чем лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, мощность излучения, генерируемого в основной пространственной моде.

Предшествующие работы над полупроводниковыми лазерами с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность, как правило, приводили к получению низкой выходной мощности. Sandusky и Brueck, например, получили низкую выходную мощность и использовали оптическую накачку для возбуждения полупроводника. Смотри работу J.V. Sandusky и S.R.J. Brueck "A cw external cavity surface emitting laser" (Лазер непрерывного излучения с внешним резонатором и выводом излучения через поверхность), Photonics Technology Letters, том 8, стр. 313-315, 1996. В ходе исследования, проведенного Hadley и др., электрически возбуждаемый лазер с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, работавший во внешнем резонаторе, генерировал в основной пространственной моде излучение мощностью 2,4 мВт в непрерывном режиме и 100 мВт в импульсном режиме. В этом случае использовалась площадь излучения до 120 мкм. Смотри работу М.A. Hadley, G.С. Wilson, К.Y. Lau и J.S. Smith "High single-traverse mode output from external cavity surface emitting laser diodes" (Генерирование мощного излучения за один проход лазерными диодами с внешним резонатором и выводом излучения через поверхность), Applied Phys. Letters, том 63, стр. 1607-1609, 1993.

В различных случаях применения лазеров генерируемый лазером луч подвергается преобразованию частоты и удвоению частоты. Это осуществляется установкой на траектории лазерного луча нелинейного материала, например КТР, KTN, КNbО₃ и LiNbO₃. Такие нелинейные материалы называют "удваивающими кристаллами", материал которых имеет свойство удваивать частоту излучения при прохождении луча через кристалл. Эффективное преобразование частоты таким материалом обычно требует, чтобы падающий луч имел высокую интенсивность и одиночную моду.

Удвоение частоты излучения полупроводниковых лазеров демонстрировалось в прошлом с различной степенью успеха с использованием удваивающего кристалла, установленного вне лазерного резонатора на диоде с торцевым излучением. Лучи на выходе из лазеров на диодах с торцевым излучением обычно имеют высокую расходимость и значительные коэффициенты формы пучка, а также некоторую степень астигматизма, ухудшающую интенсивность оптического поля и фазовый фронт от него, который в идеале требуется для эффективного удвоения частоты. Были проведены эксперименты, в которых световое излучение из лазерного диода вводилось в выполненный из нелинейного материала световод для сохранения интенсивности оптического поля на некотором отрезке пути распространения излучения относительно большой длины. Этот способ обычно сложен и предусматривает использование лазерных диодов относительно низкой мощности, у которых качество генерируемого луча достаточно для введения лазерного светового излучения во внешний световод.

Для использования мощности луча с целью обеспечения возможности эффективного преобразования в прошлом были испробованы разные способы. Первый способ, разработанный Gunter, см. работу Р. Gunter и др. "Nonlinear optical crystals for optical frequency doubling with laser diodes" (Нелинейно-оптические кристаллы для оптического удвоения частоты с лазерными диодами), Proc. of SPIE, том 236, стр.8-18, 1980, показал малоэффективное удвоение частоты излучения лазерного диода при помощи ниобата калия КNbО₃ в устройстве удвоения за один проход. По другой методике Koslovsky и др., Optics Letters 12, 1014, 1987, использовали лазер на диоде с торцевым излучением с одиночной пространственной модой и КNbО₃ во внешнем кольцевом резонаторе для повышения циркулирующей мощности с целью достижения преобразования частоты. Устройство Koslovsky требовало привязки частоты одночастотного лазера к частоте резонанса Фабри-Перо в кольцевом резонаторе, а также приведения температуры нелинейного кристалла в соответствие обеим частотам. Это требовало сложного выравнивания кристалла и использования схем настройки длины волны для сохранения привязки частоты.

Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является устройство и способ генерирования лазерного излучения высокой мощности в единственной основной пространственной моде таким образом, который преодолевает вышеуказанные ограничения. При использовании внешнего резонатора лазер, предложенный в настоящем изобретении, особенно удобен для преобразования частоты выходного луча, так как он создает плотности энергии луча на приемлемой длине пути излучения для эффективного преобразования частоты.

В первом варианте выполнения настоящего изобретения предложенное устройство содержит резонатор, образованный между первым и вторым отражателями с частичным отражением. Геометрия резонатора определяет основную пространственную или поперечную резонаторную моду. В резонаторе расположена усиливающая среда, а источник энергии активизирует усиливающую среду в пределах первого объема. Это приводит к спонтанному (самопроизвольному) и вынужденному испусканию энергии, распространяющемуся в усиливающей среде в направлении, поперечном основной резонаторной моде. Это поперечное испускание, в свою очередь, оптически накачивает второй объем усиливающей среды, расположенный вокруг первого объема. Когда интенсивность спонтанного испускания достаточно высока, во втором объеме создаются инверсия и усиление. Энергия в первом и втором объемах вводится в лазерный луч в основной резонаторной моде.

Путем оптимизации геометрии резонатора таким образом, чтобы основная резонаторная мода была связана как с первым, так и со вторым объемами, энергия первого объема, поперечно направленная во второй объем, которая иначе была бы потеряна, улавливается основным лучом, что повышает общий энергетический КПД лазера. Для достижения этого резонаторные зеркала в предпочтительном варианте изобретения подобраны так, чтобы привести основную резонаторную моду в соответствие с диаметром поперечного сечения второго объема. Таким образом, лазерная энергия в основной пространственной моде эффективно извлекается как из первого, так и из второго объемов усиливающей среды. Аналогичные результаты достигаются, когда выходная энергия имеет пространственную моду высшего порядка.

В предпочтительном варианте изобретения первый объем является по существу цилиндрическим и имеет диаметр D₁ в поперечном сечении, а второй объем по существу представляет собой кольцо с внешним диаметром D₂ в поперечном сечении и внутренним диаметром D₁ в поперечном сечении, при этом первый и второй объемы в поперечном сечении по существу концентричны.

Усиливающая среда предпочтительно выполнена из полупроводникового материала в исполнении устройства с вертикальным резонатором. В альтернативном случае усиливающая среда может быть выполнена из кристаллического материала с активными ионами, которые имеют поглощение в спектральной области излучательного перехода. Примерами таких кристаллических материалов являются Еr: стекло, Yb:стекло и Yb:YAG. В случае кристаллических материалов энергия накачки предпочтительно создается оптическими средствами, например лазерным диодом.

Для изменения частоты выходного лазерного излучения внутрь оптического резонатора или вне лазера может быть помещен нелинейный кристалл. К материалам, подходящим для нелинейного преобразования, относятся КТР, KTN, КNbО₃ и LiNbО₃, а также периодически поляризованные материалы, такие как периодически поляризованный LiNbО₃.

Предпочтительный вариант настоящего изобретения, подробно описываемый ниже, способен генерировать внутрирезонаторные уровни циркулирующей мощности свыше 100 кВт в основной пространственной моде при диаметре луча 1 мм. Эти уровни достаточны для осуществления преобразования гармоник основного излучения в нелинейном материале. В качестве примера, удвоение частоты в полупроводниковом устройстве, где используются усиливающие среды GalnAs, обеспечивает излучение с основной длиной волны от 900 нм до 1100 нм и выходное излучение с удвоенной частотой, имеющее длины волн, соответствующие участку от голубой до зеленой области спектра.

Указанные выше и другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения наглядно представлены в более детальном описании предпочтительных вариантов изобретения, показанных на прилагаемых чертежах, где одни и те же детали показаны в разных видах под одинаковыми ссылочными обозначениями. Чертежи не обязательно соотносятся по масштабу изображений, вместо этого акцент сделан на иллюстрировании принципов изобретения.

На фиг. 1 представлен общий вид конструкции лазерного устройства с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 представлено поперечное сечение устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующее поперечное распространение спонтанного и вынужденного испускания энергии из первого накачиваемого объема во второй кольцевой объем, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 представлен общий вид конструкции лазерного устройства с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, иллюстрирующий соотношение первого накачиваемого объема и второго кольцевого объема, согласно настоящему изобретению.

На фиг.4 представлен общий вид конструкции оптического усилителя согласно настоящему изобретению.

На фиг.5 представлен вид сбоку варианта оптического соединения для ввода выходной энергии в волоконно-оптический элемент.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 представлен общий вид конструкции предпочтительного варианта исполнения настоящего изобретения с выводом излучения через поверхность с внешним вертикальным резонатором. Представленный на фиг.1 лазер содержит полупроводниковую подложку 20, на первой поверхности которой выполнена полупроводниковая зона 22 усиления (зона усиливающей среды) с квантовой ямой. Первый отражатель 26, например отражающая р-область, создающая отражение Брэгга, выполнен на зоне 22 с квантовой ямой. Второй внешний отражатель 30 расположен противоположно первому отражателю 26. Расстояние между первым и вторым отражателями 26 и 30 и кривизна каждого из них определяют основную резонаторную моду в резонаторе 60. На фиг.1 второй отражатель 30 представлен как внешнее резонаторное зеркало в соответствии с конструкцией лазера с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность, однако в альтернативном исполнении второй отражатель 30 может быть выполнен в виде слоя, непосредственно прилегающего ко второй поверхности подложки, что будет соответствовать конструкции лазера с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность. Следует отметить, что для целей настоящего изобретения термин "отражатель" в том смысле, в котором он употребляется в данной заявке, включает в себя частично и/или полностью отражающие материалы и/или поверхности. Поверхность 42 подложки 20, обращенная ко второму отражателю 30, предпочтительно обработана противоотражательным покрытием 42 с тем, чтобы любая лучевая энергия в резонаторе 60, пересекающая эту границу раздела, проходила через нее с минимальным отражением, что является желательным свойством, широко известным в технике.

Как показано на сечении, представленном на фиг.2, резонатор подвергают электрической накачке от источника энергии (не показан) через контакты передачи электрической энергии и электрической накачке, например, через кольцевой электрический контакт 28, вызывая ток 38 между кольцевым контактом 28 и круглым контактом 40 на противоположных поверхностях (краях) подложки 20. Результирующий ток 38 имеет в целом коническую форму, причем основание 39А этого конуса находится у кольцевого контакта 28, а вершина 39В конуса - около контакта 40. В зоне вершины 39В ток в поперечном сечении имеет в целом форму круга и активизирует первый, по существу цилиндрический, объем 44 зоны 22 усиления, причем этот первый объем 44 имеет в поперечном сечении диаметр D₁. В предпочтительном варианте диаметр D₁ существенно больше толщины зоны 22 усиления.

Возбуждаемая зона 22 усиления диаметром D₁ создает вынужденное и спонтанное испускание потока энергии 48, которое распространяется в направлении, поперечном распространению получаемого в резонаторе лазерного луча. В известных стандартных лазерах с выводом излучения через поверхность, имеющих собственный или внешний вертикальный резонатор, такая энергия ушла бы через боковые стороны устройства или была бы потеряна иным образом как энергия, не участвующая в создании выходного луча 32. В устройстве по настоящему изобретению эта поперечно распространяющаяся энергия 48 поглощается во втором кольцевом объеме 46, окружающем первый возбуждаемый объем. Эта поглощаемая энергия служит для накачки второго объема 46, создавая усиление, а значит, и мощность в основной моде 60 лазерного излучения.

Когда электрическая или оптическая накачка первой области D₁ создает усиление, это усиление происходит как в поперечном, так и в продольном направлениях. Поскольку поперечная длина области усиления больше, чем продольная длина области усиления, в этом направлении может иметь место более сильное вынужденное испускание. Чем больше размер D₁, тем больше суммарное усиление при вынужденном испускании в поперечном направлении. Вследствие теплового рассеяния и предела, определяемого пагубным снижением плотности мощности оптического излучения на поверхности полупроводника в продольном направлении, для получения более высокой выходной мощности требуются устройства большей площади. В таких устройствах большой площади наличие поперечного вынужденного испускания может вызвать значительные потери мощности, тем самым снижая суммарный КПД преобразования энергии. Имеет место также спонтанное испускание, но для устройств большой площади оно становится менее важным. Если примыкающая область выполнена с возможностью поглощения вынужденного испускания (а также в меньшей степени спонтанного испускания), то энергия, которая иначе была бы потеряна, может использоваться для оптической накачки второй области D₂ до такой степени, что в ней будет создаваться усиление. Энергию, введенную при такой накачке во вторую область D₂, можно извлечь в перпендикулярном направлении, регулируя внешнее зеркало 30 для создания на усиливающей среде перетяжки моды размером, равным D₂. Внешнее резонаторное зеркало 30 будет фиксировать, или "схватывать" усиление во всей области, определяемой D₁ и D₂. Существует некоторый предел величины второй области D₂, так как степень поперечной накачки уменьшается с уменьшением интенсивности по мере удаления от центра накачиваемой зоны. Этот предел связан с размером D₁ и интенсивностью накачки (электрической или оптической) в области, определяемой D₁.

При заданном диаметре D₂ перетяжки моды способ выполнения резонатора, обеспечивающий приемлемый радиус R кривизны второго отражателя 30 и приемлемую длину L резонатора, хорошо известен в технике. Смотри, например, работу Herwig, Kogelnik и Tingye Lee "Beams, Modes and Resonators" (Пучки, моды и резонаторы), CRC Handbook of Lasers, CRC Press, 1971, стр.421-441.

Второй диаметр D₂ зависит от уровня возбуждения и диаметра D₁. Конструкцию можно оптимизировать для получения максимальной выходной мощности с ограничением по плотности циркулирующей мощности, которая ограничена катастрофическим ухудшением характеристик полупроводника, и по отводу тепловой энергии из области второго диаметра D₂. Требуемый диаметр перетяжки моды в резонаторе можно обеспечить, например, регулированием длины L резонатора при фиксированном радиусе R кривизны второго отражателя 30.

На фиг.3 представлен общий вид конструкции лазера с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность согласно настоящему изобретению, иллюстрирующий соотношение первого накачиваемого объема 44 и второго выходного объема 46. Накачиваемый первый объем 44 в зоне 22 усиливающей среды имеет диаметр D₁. Поперечное распространение спонтанного и вынужденного испускания энергии, обозначенное стрелками 48, оптически накачивает или иным путем возбуждает кольцевой объем 46, характеризующий второй объем 46, который окружает первый объем 44. Кольцевой объем 46 имеет внутренний диаметр D₁ и внешний диаметр D₂ и по существу концентричен в поперечном сечении первому объему 44 при допущении нормального распределения интенсивности излучения. Основная резонаторная мода оптимизирована таким образом, чтобы ее диаметр был приблизительно равен внешнему диаметру D₂ второго объема 46, из условия улавливания энергии как в первом, так и во втором объемах и использования ее для генерирования выходного луча 32. Возбуждение первого объема 44 может осуществляться электрическими или оптическими средствами активизации (возбуждения) усиливающей среды и создания при этом в указанной усиливающей среде потока световой энергии.

Параметры лазерного резонатора предпочтительно регулируются таким образом, чтобы сделать перетяжку моды при максимальных рабочих уровнях мощности по существу равной диаметру D₂. В лазерном резонаторе, содержащем одно плоское зеркало 26 и одно вогнутое сферическое зеркало 30 с радиусом R кривизны, как показано на фиг.2, диаметр луча в резонаторной моде на лазерном кристалле (w₁) и на выходном зеркале (w₂) определяется выражениями w²₁ = 4λL/π[(R-L)/L]^1/2 (1) w²₂ = 4λL/π[L/(R-L)]^1/2 (2) где L - длина резонатора, а λ - длина волны выходного излучения 32 лазера, как описано в вышеупомянутой работе Kogelnik и др. Из этих уравнений ясно, что диаметр основной моды лазера можно сделать равным внешнему диаметру D₂ второго объема 46, например, путем регулирования длины L резонатора при заданном радиусе R кривизны. В альтернативном варианте можно выбирать радиус R кривизны для конкретного диапазона длин L резонатора. Вместо искривленных зеркал 30 можно использовать плоское средство вывода выходного луча, используемое с линзой в резонаторе, имеющее соответствующую геометрию для получения тех же результатов. С этой целью можно использовать физическую или тепловую линзу.

Предпочтительный вариант полупроводникового лазерного устройства может содержать многоэлементную структуру с квантовыми ямами или единственную зону усиления, имеющую общую усиливающую толщину, эквивалентную толщине структуры с несколькими квантовыми ямами. Для достижения достаточного усиления за один проход лазерная структура, излучающая длину волны от 900 нанометров (нм) до 1100 нм, выполненная в полупроводниковом материале, таком как GalnAs, предпочтительно имеет, по меньшей мере, пять квантовых ям или эквивалентную толщину. Для более эффективной работы используют, по меньшей мере, десять квантовых ям с тем, чтобы преодолеть оптические потери, возникающие из-за поглощения свободных носителей заряда в проводящем слое подложки 20 при длине волны излучения лазера. Характерная толщина одной квантовой ямы приблизительно равна 8 нм. Следует отметить, что оптическая ширина запрещенной зоны зависит от толщины квантовой ямы, и поэтому эквивалентной толщине единственного слоя усиливающего материала будет соответствовать длина волны излучения, несколько смещенная относительно такой же сложной структуры для материала с узкой квантовой ямой. Общую толщину или число квантовых ям можно увеличить для повышения усиления и преодоления всех внутрирезонаторных потерь для обеспечения эффективной работы. Это ограничивается только возможностями равномерного наращивания таких структур и практической пороговой плотностью потока для таких структур. Обычные лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, как правило, работают только с одной или несколькими квантовыми ямами между зеркалами с очень высокой отражательной способностью. Такие устройства показывают низкое оптическое усиление и поэтому не могут функционировать так же эффективно, как и предложенное в настоящем изобретении устройство.

Создание электрического тока или энергии оптической накачки, инжектируемой в лазерное устройство, может осуществляться любыми известными способами, например, описанными G. P. Agarwal в работе "Semiconductor Lasers" (Полупроводниковые лазеры), The American Institute of Physics Press, стр. 146-157. В предпочтительном варианте настоящего изобретения большая часть инжекционного тока 38 направлена в круглую область основной пространственной моды, диаметр которой равен или меньше диаметра D₁ и выражен в приведенных выше уравнениях (1) и (2).

Как было указано выше, ранее Gunter и Koslovsky показали малоэффективное удвоение частоты излучения лазерного диода с использованием лазеров на диодах с торцевым излучением. В отличие от тех работ, в предпочтительном варианте настоящего изобретения используется лазерная структура с выводом излучения через поверхность и с собственным или внешним вертикальным резонатором, в которой общее усиление за один проход значительно ниже, чем в лазерах с торцевым излучением. Кроме того, мощность выходного излучения предложенного устройства с вертикальным резонатором распределена по площади сечения круглого луча, гораздо большей, например - в несколько сотен раз, чем в устройствах с торцевым излучением. Достижимая плотность внутрирезонаторной циркулирующей мощности в основной пространственной моде круглого сечения может превышать несколько МВт/см², будучи ограниченной только катастрофическим разрушением материала у поверхности полупроводника. Хотя подобные плотности мощности могут быть достигнуты и в лазерах с торцевым излучением, генерируемый луч заключен в волноводе резонатора диода, что затрудняет удвоение частоты. Поскольку эффективность преобразования частоты зависит как от интенсивности оптического излучения, так и от длины области взаимодействия, удвоение частоты лазерных диодов является сложным и проводилось в волноводных структурах для сохранения интенсивности поля на достаточном расстоянии взаимодействия. В настоящем изобретении можно достичь высокой эффективности преобразования, так как можно сохранять высокие значения интенсивности оптического поля на достаточно длинном отрезке взаимодействия, потому что излучение в оптическом лазерном резонаторе является по существу не расходящимся. Луч высокого качества создает более благоприятные условия преобразования частоты для любого преобразующего устройства вне резонатора, как, например, с применением недавно исследованных нелинейных материалов с периодической поляризацией. Кроме того, настоящее изобретение может работать в импульсном устройстве, устройствах с модуляцией усиления или с синхронизацией мод для повышения мощности оптического излучения, а значит - и эффективности нелинейного преобразования. Настоящее изобретение применимо не только к преобразованию частот гармоник, но и к генерированию суммарных и разностных частот. В предпочтительном варианте изобретения нелинейный материал имеет резонаторы Фабри-Перо с тем, чтобы лазер работал на одной частоте. На фиг.2 показан пример такого устройства, которое содержит внутрирезонаторный нелинейный кристалл 58 между подложкой 20 и внешним зеркалом 30.

Эффективность каждого из известных вышеупомянутых устройств, например устройства Sandusky и др. и Hadley и др., была ограничена подгонкой геометрии резонатора к размеру только накачиваемого объема, в отличие от настоящего изобретения, в котором энергию извлекают из первого накачиваемого объема, а также второго объема, активизируемого поперечным испусканием энергии, создаваемым в первом объеме.

В настоящем изобретении выходную мощность можно усиливать увеличением диаметра объема моды, как это описано выше. Максимальные уровни выходной мощности, например свыше 10 кВт, можно генерировать с поверхности зоны усиления диаметром один миллиметр. В непрерывном режиме возможно получение с одноэлементного устройства уровней выходной мощности, превышающих 10 Вт, ограниченных только по соображениям теплового режима.

Второе гармоническое излучение, которое распространяется в обратном (противоположном основному излучению) направлении, может дополнительно поглощаться полупроводниковой лазерной структурой таким образом, чтобы создавать электроны и дырки, которые мигрируют в активную зону усиления, тем самым повышая мощность основного лазерного излучения. Это также имеет эффект повышения эффективности этого второго гармонического излучения, а также создания направленного в одну сторону выхода гармонического излучения. В альтернативном варианте изобретения можно использовать резонатор с тремя зеркалами, в котором нелинейный материал расположен в таком месте, где гармоническое излучение не отражается назад в усиливающую среду, а выходит через среднее зеркало. Также может использоваться конструкция с кольцевым резонатором.

К характерным частотно-удваивающим материалам, подходящим для преобразования волн инфракрасного диапазона в видимый свет, относятся периодически поляризованный LiNbО₃, KTP и KNbО₃. Например, КТР может использоваться с фазовым согласованием для преобразования излучения с длиной волны 1 мкм в зеленый свет, а KNbO₃ может преобразовывать инфракрасное излучение в голубой свет при использовании лазерного диода GalnAs, излучающего в диапазоне длин волн около 900 нм.

В настоящем изобретении можно использовать многие широко известные схемы внутрирезонаторного удвоения частоты. Например, для повышения плотности мощности можно установить фокусирующую линзу внутри лазерного резонатора, образованного зеркалами 26 и 30. Современная технология позволяет использовать нелинейные материалы очень малой длины или нелинейные материалы с меньшей нелинейной добротностью.

Для удваивающих материалов, таких как КТР и КNbО₃, длина активных кристаллов может быть значительно меньше 1 см при уровнях циркулирующей мощности, существующих в рассматриваемых типах устройств. Меньшие длины нелинейных материалов обеспечивают более широкие условия фазового согласования по температуре и длине волны. Например, для KNbO₃ длина кристалла в 1 мм или меньше обеспечивает ширину полосы фазового согласования по температуре более нескольких градусов Цельсия и ширину полосы согласования по длине волны несколько нанометров. Такие широкие диапазоны допустимых значений делают производство и эксплуатацию таких устройств значительно более удобными. Длину волны можно контролировать подбором компонентов сплава материала усиливающей среды, а точная настройка длины волны достижима с применением внутрирезонаторных эталонов или других известных в технике способов управления длиной волны. Аналогичные результаты могут быть получены для других нелинейных материалов, включая КТР.

Полупроводниковая зона 22 усиления предпочтительно представляет собой многоэлементную структуру с квантовыми ямами. В альтернативном варианте может использоваться единственная зона усиления, общая усиливающая толщина которой равна толщине структуры с несколькими квантовыми ямами. Для достижения достаточного усиления за один проход число квантовых ям, обычное для выполненной из GalnAs лазерной структуры с излучаемой длиной волны от 900 нм до 1100 нм, должно быть более 5 при характерном количестве от 10 до 25 ям. Для устройства с высокой максимальной мощностью, работающего в импульсном режиме с использованием оптического или электрического возбуждения, число ям может быть более 50. Предел этого параметра определяется возможностью выращивать на практике больше слоев с квантовыми ямами без деформаций. В таком случае более действенным выбором может быть гетероструктура. Устройства с высокой максимальной мощностью могут быть выполнены, например, с использованием мощных твердотельных лазеров с модуляцией добротности в качестве источников энергии накачки.

Обычные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором, как правило, работают только с одной или несколькими квантовыми ямами и резонаторными зеркалами очень высокой отражательной способности. Такие устройства не могут функционировать так же эффективно, как и предложенное в настоящем изобретении устройство, из-за свойственного им низкого оптического усиления. Суммарное усиление должно быть достаточным для преодоления потерь во внешнем резонаторе, в том числе потерь свободных носителей заряда в материале подложки зоны 22 и оптических потерь в нелинейном материале и используемым вместе с ним противоотражательном покрытии на внутрирезонаторных оптических элементах.

На фиг. 2 представлено характерное устройство с зоной 22 с квантовыми ямами, выполненной на полупроводниковой подложке 20. Зеркало 26 с высокой отражательной способностью наращено на тыльной поверхности устройства для выполнения функции одного из резонаторных зеркал. Верхний наружный слой служит в качестве проводящего контакта, который может нести на себе противоотражательное покрытие 42 и который имеет низкое оптическое поглощение на длине волны излучения лазера. В альтернативном варианте слой электропроводного материала с оптической шириной запрещенной зоны, большей энергии излучения второй гармоники, служит проводящим слоем со вторым слоем толщиной, меньшей длины диффузии носителей заряда, прозрачным для основного излучения лазера и поглощающим излучение второй гармоники, наращенным между активным материалом и толстым материалом с широкой запрещенной зоной, что позволяет оптически возбужденным носителям заряда диффундировать в зону усиления. Толстый проводящий материал может содержать, например, осажденный оксид олова.

Работа на одной частоте может быть достигнута, например, введением в резонатор эталона. В альтернативном случае нелинейный кристалл 58 может также служить частотно-избирательным элементом.

Способность генерировать излучение видимого диапазона с высокой выходной мощностью делает настоящее изобретение привлекательным в ряде случаев применения, включая средства проекционного отображения, средства чтения и записи информации на оптические диски, голографические запоминающие средства и биофлюоресцентные чувствительные элементы. В случае проекционного отображения могут генерироваться три основных цвета. Например, излучение голубого и зеленого участков видимого спектра можно получить удвоением частоты выходного излучения полупроводниковых GalnAs лазеров, которые могут избирательно излучать в диапазоне длин волн от 900 нм до более чем 1100 нм. Подходящие для удвоения частоты материалы включают в себя КТР для получения длины волны зеленого света и КNbО₃ для получения длины волны голубого света. Мощность можно наращивать, применяя матрицы таких устройств. Можно создавать выходную мощность на уровне нескольких десятков ватт. Поскольку в выходном излучении подобной матрицы отсутствует некогерентность между элементами матрицы, эффект пятнистости будет значительно ослаблен, тем самым не ухудшая качество проецируемого изображения в отображающей системе. В случае матричного устройства средства передачи выходного излучения могут содержать матрицу бинарных оптических зеркал или микрозеркал, точно выровненных по центру излучающих поверхностей лазерных диодов.

Система проекционного отображения, использующая настоящее изобретение, может работать с помощью различных оптических модуляторов, таких как пространственный световой модулятор на жидких кристаллах, микрозеркала, например, продаваемые фирмой "Тексас Инструменте", и оптические модуляторы на решеточных дефлекторах, например, разработанные фирмой "Силикон Лайт Машинз", Саннивейл, Калифорния. Для матрицы лазерных источников все элементы оптического модулятора можно освещать каждым лазерным источником, давая возможность отдельным лазерным лучам расширяться так, чтобы они перекрывали друг друга в удаленном поле. В таком исполнении выход из строя одного элемента существенно не ухудшит работу системы. Бинарные оптические линзы могут использоваться для фокусирования лазерного света с цилиндрическим распределением на каждый элемент изображения оптического модулятора для эффективного использования всего располагаемого лазерного излучения.

Хотя данное изобретение подробно представлено и описано на примере его предпочтительных вариантов, специалисту должно быть понятно, что в него можно внести различные изменения в отношении формы и деталей осуществления, без отхода от изобретательского замысла и объема существенных признаков изобретения, определенного в его прилагаемой формуле.

Как пример альтернативного варианта исполнения оптического устройства согласно изобретению, на фиг.4 представлен общий вид оптического элемента, например оптического усилителя 70. Как и в случае лазера, устройство оптического усилителя 70 содержит полупроводниковую подложку 20, полупроводниковую усиливающую среду 22 и первый отражатель 26. Следует отметить, что второй отражатель не требуется, так как оптический усилитель 70 не имеет резонатора. Первый объем 44 усиливающей среды 22 накачивается электрической или световой энергией 56 от источника энергии (не показан). Первый объем 44 имеет в целом круглое сечение диаметром D₁. Как описано выше, это вызывает вынужденное и спонтанное поперечное распространение энергии 48 во второй объем 46, расположенный вокруг первого объема 44. В предпочтительном варианте изобретения второй объем 46 является по существу круглым в сечении с диаметром D₂. Падающий луч 50, имеющий диаметр D₂ и первую амплитуду, направлен на область 46 накачки, перекрывающую как первый объем 44, так и второй объем 46 и активизируемую ими. Падающий луч 50 отражается на зеркале 26 и выходит в виде выходного луча 52 такого же диаметра D₂. Выходной луч 52 усиливается активизируемой зоной 46 усиления и поэтому имеет более высокую интенсивность, чем падающий луч 50. Для повышения общего усиления системы можно использовать несколько таких усиливающих элементов.

Второй альтернативный вариант показан на фиг.5, представляющей вид сбоку оптического соединения. Одиночный оптический (зеркальный/линзовый) элемент 70 имеет первую отражающую вогнутую поверхность 72, которая действует как резонаторное зеркало для лазера 78 с вертикальным внешним резонатором и выводом излучения через поверхность, и вторую пропускающую выпуклую поверхность 74, которая действует как элемент фокусирования энергии на выходе из указанного элемента для направления лазерного излучения 32 в волоконно-оптический элемент 76. Волоконно-оптический элемент 76 может содержать одномодовое или многомодовое волокно и расположен в фокусе лазерного излучения 32 так, чтобы лазерная энергия направлялась по существу в пределах числовой апертуры волокна. Первая поверхность 72 имеет оптимизированную отражательную способность с тем, чтобы обеспечить максимальную мощность на выходе лазерного устройства 78, тогда как вторая поверхность 74 и входная поверхность 75 волоконно-оптического элемента 76 для минимизации отражательной способности имеют покрытие, препятствующее отражению на длине волны лазерного излучения.

При сборке зеркальный/линзовый элемент 70 выравнивают и располагают так, чтобы обеспечить максимальный вывод мощности из лазера, и фиксируют известными способами, включая пайку, склеивание эпоксидными смолами и/или лазерную сварку. Затем волокно располагают так, чтобы оно принимало сфокусированное излучение 32, и соответствующим образом фиксируют любым из вышеуказанных способов. Этот вариант дает преимущество, связанное с уменьшением числа оптических элементов, необходимых для фокусирования энергии в волокно, за счет соединения функций резонаторного зеркала и выходной линзы в одном элементе.

Формула изобретения

1. Лазер с вертикальным резонатором и выводом излучения через поверхность, отличающийся тем, что он содержит первый и второй отражатели (26), (30), образующие резонатор (60), усиливающую среду (22), расположенную внутри указанного резонатора (60), и источник энергии, являющийся средством активизации усиливающей среды (22) в пределах ее первого объема (44), при этом указанный резонатор (60) определяет основную резонаторную моду генерируемого лазерного луча (32), а источник энергии является средством создания потока световой энергии (48) в указанной усиливающей среде (22) в направлении, по существу поперечном указанной основной резонаторной моде, при этом второй объем (46) указанной усиливающей среды (22) является оптически накачиваемым вокруг указанного первого объема (44) посредством указанного поперечного потока энергии (48), причем поток энергии в пределах указанных первого и второго объемов (44), (46) излучается в указанную основную резонаторную моду.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что указанный первый объем (44) образуется по существу цилиндрическим и имеет диаметр поперечного сечения D₁, а указанный второй объем (46) образуется по существу кольцевым, с внешним диаметром поперечного сечения D₂ и внутренним диаметром поперечного сечения D₁, причем первый и второй объемы (44), (46) в основном концентричны в поперечном сечении.

3. Лазер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит полупроводниковую подложку (20), и указанная усиливающая среда (22) сформирована на данной подложке, причем и подложка (20) и указанная усиливающая среда (22) расположены внутри указанного резонатора.

4. Лазер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что указанная усиливающая среда включает полупроводниковый материал.

5. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что указанная усиливающая среда (22) включает структуру полупроводникового материала с по крайней мере одной квантовой ямой.

6. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что указанный второй отражатель (30) непосредственно примыкает к указанной полупроводниковой подложке (20).

7. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что указанный второй отражатель (30) находится за пределами указанной полупроводниковой подложки (20).

8. Лазер по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что конфигурация первого и второго отражателей (26, 30) выполнена в соответствии с основной резонаторной модой.

9. Лазер по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что источником энергии является средство электрического возбуждения усиливающей среды (22) в пределах ее первого объема (44) с созданием инверсии населенности и вынужденного оптического испускания, причем поперечный размер указанного первого объема (44) в основном превышает толщину указанной усиливающей среды (22).

10. Лазер по п. 9, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый контакт (40), непосредственно примыкающий к первому отражателю (26), полупроводниковую подложку (20), непосредственно примыкающую к указанной усиливающей среде (22) по первому краю, и второй контакт (28), расположенный на указанной полупроводниковой подложке (20) по второму краю, напротив первого края, причем первый и второй контакты (40), (28) являются контактами передачи электрической энергии для электрической накачки первого объема (44) указанной усиливающей зоны (22), причем указанные первый и второй контакты (40), (28) определяют путь электрической энергии через указанную полупроводниковую подложку (20), указанную усиливающую зону (22) и указанный первый отражатель (26).

11. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что указанный первый контакт (40) имеет в основном цилиндрическую форму, а указанный второй контакт (28) имеет в основном форму кольца.

12. Лазер по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что источник энергии выполнен с возможностью оптического возбуждения усиливающей среды (22).

13. Лазер по п. 12, отличающийся тем, что усиливающая среда (22) образована из материала в твердом состоянии.

14. Лазер по п. 13, отличающийся тем, что указанные твердые материалы выбраны из группы материалов, включающей Еr: стекло, Yb: стекло или Yb: YAG.

15. Лазер по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нелинейный материал, расположенный на пути лазерного луча (32) с возможностью настройки частоты луча (32).

16. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что нелинейный материал расположен внутри лазерного резонатора (60).

17. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что нелинейный материал выбран из группы, состоящей из КТР, LiNbO₃, периодически поляризованного LiNbO₃, KTN и KNbO₃.

18. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что нелинейный материал содержит элементы в виде резонатора Фабри-Перо, при этом лазер имеет одну рабочую частоту.

19. Лазер по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что он дополнительно содержит внутрирезонаторный настраивающий элемент, выбранный из группы, состоящей из эталона, двулучепреломляющего элемента, призмы и решетки.

20. Лазер по любому из пп. 1-19, отличающийся тем, что в основном вся энергия возбуждения из указанного первого объема (44), поглощенная в указанном втором объеме (46), излучается в основную резонаторную моду в форме вынужденного излучения.

21. Лазер по любому из пп. 1-20, отличающийся тем, что вынужденное оптическое излучение имеет направление распространения из указанного первого объема (44), по существу поперечное основной моде излучения, при этом усиливающая среда (22) в кольцевом втором объеме (46), расположенном вокруг указанного оптически накаченного первого объема (44), является оптически накаченной посредством упомянутого вынужденного оптического излучения с созданием инверсии населенности в усиливающей среде (22) в пределах упомянутого второго объема (46).

22. Набор лазеров, состоящий из лазеров по любому из пп. 1-21, в котором указанные лазеры совмещены в виде матрицы адресуемых элементов.

23. Способ повышения КПД лазерного устройства, отличающийся тем, что сначала устанавливают первый и второй отражатели с заданием основной моды излучения лазерного устройства, затем устанавливают первый контакт на первом отражателе с заданием первого объема в активной зоне лазерного устройства, затем подают электрическую энергию на первый контакт и при этом генерируют испускание световой энергии в первом объеме, распространяют световую энергию вдоль активной зоны из первого объема во второй объем, непосредственно примыкающий к первому объему, с оптическим возбуждением указанного второго объема, и затем согласовывают первый и второй отражатели и вводят тем самым испускание световой энергии в первом и втором объемах в основную моду излучения.

24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают слой полупроводникового материала непосредственно примыкающим к активной зоне со стороны, удаленной от первого отражателя, и устанавливают второй контакт на слое полупроводникового материала с заданием пути электрической энергии через слой полупроводникового материала между первым контактом и вторым контактом внутри лазерного устройства.

25. Способ по пп. 23 и 24, отличающийся тем, что дополнительно преобразовывают частоту основной моды излучения посредством установки нелинейного материала между первым и вторым отражателями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5