一种基于VCSELs泵浦VECSEL增益芯片的紧凑型全半导体激光器

本发明涉及激光，具体涉及一种基于vcsels泵浦vecsel增益芯片的紧凑型全半导体激光器。

背景技术：

1、近些年来，随着应用端需求的不断拓展，对激光器的输出功率、光束质量和使用便携性的要求越来越多。

2、vcsel(垂直腔面发射激光器)具有线宽窄、温漂系数小、可二维拓展、发散角小以及出射光斑为圆光斑等特点，使得vcsel成为半导体激光器泵浦源的新选择。

3、由于激光晶体自身的热导率较差，在高功率激光泵浦和高功率连续输出时因光强和发热而引起的介电常数变化和晶格形变，会产生热透镜效应和热致双折射效应等非线性效应，限制了输出激光的功率和光束质量的提升。

4、vecsel(垂直外腔表面发射激光器)采用不同的增益材料可获得不同的波长，同时vecsel结构无掺杂，具有更弱的自由载流子吸收效应，更少的热和光损耗，器件的可靠性更强；相比激光晶体，vecsel对泵浦光的吸收更强以及对泵浦光的波长要求范围更宽广；作为半导体材料与热沉更易于焊接且散热效率更好，这些优势使得vecsel比薄片晶体更适合作为增益介质。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于vcsels泵浦vecsel增益芯片的紧凑型全半导体激光器。

2、本发明公开了一种基于vcsels泵浦vecsel增益芯片的紧凑型全半导体激光器，包括：热沉、多个vcsels光源、vecsel增益芯片、准直光学系统、非球面金属反射镜和输出镜；其中，

3、多个所述vcsels光源和vecsel增益芯片置于同一所述热沉上，多个所述vcsels光源发射的多束泵浦光经过所述准直光学系统的准直后形成多束准直光束，多束所述准直光束入射至所述非球面金属反射镜，并经所述非球面金属反射镜折返聚焦至所述vecsel增益芯片的中心，经所述vecsel增益芯片产生的激光在所述vecsel增益芯片与所述输出镜组成的谐振腔中振荡，而后从所述输出镜输出。

4、作为本发明的进一步改进，所述vcsels光源和vecsel增益芯片全部为半导体材料。

5、作为本发明的进一步改进，多个所述vcsels光源绕所述vecsel增益芯片的轴线以不同半径的圆周均布在所述vecsel增益芯片的周围，以此提高泵浦功率，且所述vcsels的波长与所述vecsel增益芯片的吸收峰相匹配，当泵浦功率密度达到vecsel增益芯片的阈值时就会产生激光。

6、作为本发明的进一步改进，所述输出镜的入光面为凹面、出光面为平面，所述输出镜的凹面镀部分反射膜，所述vecsel增益芯片与输出镜凹面镀的部分反射膜之间形成谐振腔；所述vecsel增益芯片产生的激光在所述谐振腔中振荡，最后从所述输出镜的平面输出。

7、作为本发明的进一步改进，所述非球面反射镜采用金属材质，准直后的光束经过所述非球面金属反射镜聚焦到所述vecsel增益芯片表面上，与振荡光斑的大小进行模式匹配。

8、准直后的光束经过所述非球面金属反射镜聚焦到所述vecsel增益芯片表面上的光斑大小由下式计算：

9、

10、其中，ω表示聚焦光斑直径，f表示非球面金属反射镜的焦距，r表示vcsels光源绕轴线a以圆周排列的不同圆周的半径，α表示经过准直光学系统后光束的发散角。

11、作为本发明的进一步改进，还包括：外壳；热沉、多个vcsels光源、vecsel增益芯片和准直光学系统置于所述外壳内，非球面金属反射镜置于所述外壳的端部，所述输出镜置于所述非球面金属反射镜的中心出光孔处。

12、作为本发明的进一步改进，所述热沉、非球面反射镜和外壳为金属结构，所述非球面反射镜与输出镜采用制成一体化的方式，金属热沉、金属外壳以及金属非球面反射镜共同构成激光器的外形结构。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

14、1、本发明通过利用vcsels光源作为泵浦源，易得到更好的准直匀化光斑，简化了光学系统。

15、2、本发明通过利用半导体材料的vecsel增益芯片作为增益介质，使热损耗更小，同时采用不同的增益材料可获得更多波长选择。

16、3、本发明通过将vcsels光源绕轴线a以不同半径的圆周均匀地分布在vecsel增益芯片的周围，并同时放置于同一热沉上，使得散热结构更加紧凑。通过采用热沉对vecsel增益芯片端面泵浦背向冷却，增益芯片产生的热量只能沿着单一轴向进行散热，使得散热结构设计更加简化，提升了散热效率。

17、4、本发明通过利用非球面金属反射镜可以实现多光源同时聚焦到同一点。

18、5、本发明利用全半导体材料的vcsels光源和vecsel增益芯片，以及利用金属热沉、非球面金属镜以及金属外壳，使激光器系统具有高度可靠性。

技术特征：

1.一种基于vcsels泵浦vecsel增益芯片的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，包括：热沉、多个vcsels光源、vecsel增益芯片、准直光学系统、非球面金属反射镜和输出镜；其中，

2.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，所述vcsels光源和vecsel增益芯片全部为半导体材料。

3.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，多个所述vcsels光源绕所述vecsel增益芯片的轴线以不同半径的圆周均布在所述vecsel增益芯片的周围，以此提高泵浦功率，且所述vcsels的波长与所述vecsel增益芯片的吸收峰相匹配，当泵浦功率密度达到vecsel增益芯片的阈值时就会产生激光。

4.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，所述非球面反射镜采用金属材质，准直后的光束经过所述非球面金属反射镜聚焦到所述vecsel增益芯片表面上，与振荡光斑的大小进行模式匹配。

5.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，所述输出镜的入射面为凹面、出射面为平面，所述输出镜的凹面镀部分反射膜，所述vecsel增益芯片与输出镜凹面镀的部分反射膜之间形成谐振腔；所述vecsel增益芯片产生的激光在所述谐振腔中振荡，最后从所述输出镜的平面输出。

6.如权利要求5所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，准直后的光束经过所述非球面金属反射镜聚焦到所述vecsel增益芯片表面上的光斑大小由下式计算：

7.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，还包括：外壳；热沉、多个vcsels光源、vecsel增益芯片和准直光学系统置于所述外壳内，非球面金属反射镜置于所述外壳的端部，所述输出镜置于所述非球面金属反射镜的中心出光孔处。

8.如权利要求1所述的紧凑型全半导体激光器，其特征在于，所述热沉、非球面反射镜和外壳为金属结构，所述非球面反射镜与输出镜采用制成一体化的方式，金属热沉、金属非球面反射镜以及金属外壳共同构成激光器的外形结构。

技术总结
本发明公开了一种基于VCSELs泵浦VECSEL增益芯片的紧凑型全半导体激光器，包括：热沉、多个VCSELs光源、VECSEL增益芯片、准直光学系统、非球面金属反射镜和输出镜；多个VCSELs光源和VECSEL增益芯片置于同一热沉上，VCSELs光源发射的泵浦光经过准直后形成准直光束，准直光束入射到非球面金属反射镜后折返聚焦至VECSEL增益芯片的中心，当泵浦功率密度达到VECSEL增益芯片的阈值时就会产生激光，VECSEL增益芯片与输出镜构成谐振腔，激光在谐振腔中振荡，从输出镜输出。本发明利用非球面金属反射镜以及采用的泵浦源VCSELs和VECSEL增益芯片为半导体材料，简化了散热系统、增强了系统的可靠性、便携性、环境适应性更好、具有广泛应用前景。

技术研发人员：曹银花,刘阳,秦文斌,姜梦华,刘友强
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8