專利名稱：注入式激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子電子技術(shù)，尤其是，具有窄輻射圖形的高效，高功率，小型的半導(dǎo)體注入式輻射光源。
注入激光器(下稱激光器)是一種將電能轉(zhuǎn)換成具有窄帶寬和高方向性的輻射能的器件。
已知具有各種不同類型的激光器具有條狀主動(dòng)產(chǎn)生激光的激光器，以及具有通過(guò)光學(xué)諧振腔的腔鏡輸出光輻射的激光器(S.S.Ouet.a1.,Electronics Letters(1992),Vol.28,No.25,pp.2345-2346)，分布反饋激光器(Handbook of Semiconductor and Photonic Integrated Circuits,edited by Y.Suematsu and A.R.Adams,Chapman-Hill,London,1994,pp.44-45 and 393-417)，激光放大器，包含主振蕩功率放大器(MOPA)(IEEE j.ofQuantum Electronics(1993),Vol.29,No.6,pp.2052-2057)，以及具有曲面諧振腔和通過(guò)表面輸出輻射的激光器(Electronics Letters(1992),Vol.28,No.21,pp.3011-3012)。這些激光器進(jìn)一步擴(kuò)展的應(yīng)用受到不夠強(qiáng)的輻射功率，效率，工作壽命和可靠性的限制，還包括單模激光輸出性能的限制。
由D.R.Scifres et al.所介紹的激光器(US專利No.4,063,189,1997,H01S 3/19,331/94.5H)是最新的激光器。該激光器包含設(shè)置在兩層光學(xué)均勻的包覆層之間的GaAs工作層。工作激光器的增益區(qū)(下稱“GR”)和增益區(qū)的長(zhǎng)度LGR，實(shí)際上與工作層一致，利用歐姆接觸使不平衡的載體注入到工作層內(nèi)。所述的增益區(qū)GR是光學(xué)諧振腔的介質(zhì)。通過(guò)作為反射鏡的平坦端表面限定沿著縱向增益軸的GR長(zhǎng)度。光學(xué)諧振腔(Fabry-Perot)的長(zhǎng)度LOR與長(zhǎng)度LGR一致，所以下述比值等于1:
μ=LoR/LGR(1)將具有某一反射系數(shù)的反射涂層(下稱反射涂層)涂到光學(xué)諧振腔的反射器上。輻射入流區(qū)(下稱“RIR”)，用作為GaAs的襯底，入流區(qū)鄰接于包層的一個(gè)表面上，所述的包層與工作層有一定的距離。面積等于GR面積的RIR的內(nèi)表面位于連接于RIR的包層上。RIR的平坦光學(xué)小面是由一種光學(xué)諧振腔的反射器的平面構(gòu)成，他們垂直于GR的縱向增益軸。將反射系數(shù)接近于零的涂層(下稱“消反射涂層”)涂到一個(gè)光學(xué)小面上(下稱“小面”)，同時(shí)將反射涂層涂到另一個(gè)小面上。涂有消反射膜的小面是輸出面。所述的RIR是導(dǎo)電的，并與它的外表面成歐姆接觸，該外表面就是內(nèi)表面的相反面。從異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向制成其它的歐姆接觸。將工作層，包層和RIR的組分和厚度選擇成，使RIR的折射率nRIR超過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)和RIR7的有效折射率neff，或者(J.K.Buttler et.Al.,IEEEjouru.Of Quant.Electron.(1975),Vol.QE-11,p.402)使φ=arccos(neff/nRIR)(2)在對(duì)激光器施加直流電時(shí)，不平衡的載流子注入工作層，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)λ的輻射，并在光學(xué)諧振腔的介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)模成分。同時(shí)，在滿足上述出流條件下，由GR輻射的部分激光通過(guò)RIR存在在激光器內(nèi)。需指出，使用相同成分的工作層和RIR(均由GaAs制作的)分別限制neff/nRIR比值范圍在大約0.9986-1之間，流出角的范圍在3°-0°之間。
所述的發(fā)明人(D.R.Scifres et al.,U.S.Patent 4,063,189,1977,H0lS3、19,331、94。5H)，以及D.R.Sciffes et al.(Applied Physics Letters(1976),Vol.29,No.1,pp.23-25)，對(duì)于所加工的激光器具有下述的基本參數(shù)對(duì)于長(zhǎng)度LOR為400μm，短脈沖輸出功率3W，微分效率約為35-40％，在垂直于激光輸出的面內(nèi)發(fā)散角Θ1為2°的激光器，其閾值電流密度jthr為7.7kA/cm2，閾值電流Jthr為7.0。通過(guò)縱向增益軸的，以及垂直于工作層的平面是垂直面(下面將設(shè)及)。水平面垂直于該垂直面。
本發(fā)明的目的是制作一種低電流密度閾值，增加微分效率，降低在垂直和水平面內(nèi)輸出輻射的象散和發(fā)散角，提高激光輻射的光譜特性，擴(kuò)展激光輻射輸出的方向范圍，以及增加光學(xué)諧振腔的有效長(zhǎng)度的激光器，它的總的結(jié)果是用一種簡(jiǎn)單的技術(shù)增加激光器(包括多光束激光器)的功率，效率，工作壽命和可靠性。
按照本發(fā)明，要獲得所述的目的是基于，一種所提議的注入式激光器具有一激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含一工作層和包覆層，在層內(nèi)可以形成增益區(qū)，還包含反射器，光學(xué)諧振腔，歐姆接觸，以及在工作層的至少一側(cè)上具有輻射入流區(qū)，該區(qū)的內(nèi)表面鄰近相應(yīng)的包覆層；如果輻射入流區(qū)的折射率nRIR超過(guò)由激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)與相鄰的輻射入流區(qū)組成的有效折射率neff，尤其在arccos(nef/nRIR)大于0時(shí)，則輻射從工作層流出進(jìn)入輻射入流區(qū)的條件被滿足，同時(shí)，至少光學(xué)諧振腔的部分介質(zhì)由部分入流區(qū)和部分增益區(qū)形成，并且至少光學(xué)腔的一個(gè)反射器它的輻射系數(shù)選在大于0至小于1的范圍內(nèi)，至少一個(gè)入流區(qū)對(duì)激光輻射是透過(guò)的并至少透過(guò)一部分，至少所形成的一個(gè)增益區(qū)由從工作層的出流輻射進(jìn)入入流區(qū)的增益Goutflow(cm-1)表征，而入流區(qū)由一個(gè)引入的損耗因子αRIR-thr(cm-1)表征，選擇增益Goutflow(cm-1)大于因子αRIR-thr(cm-1)，輻射從工作層流出進(jìn)入輻射入流區(qū)的條件由下述關(guān)系式確定arccos(neff/nRIR)≤arccos(neff-min/nRIR)式中，neff-min大于nmin，而neff-min是neff的最小值，它不同于具有實(shí)際應(yīng)用值的輻射入流區(qū)的多重激光異質(zhì)結(jié)構(gòu)的所有可能的neff’而nmin是異質(zhì)結(jié)構(gòu)包覆層內(nèi)折射率的最小值。
所提出激光器的不同點(diǎn)是異常的和非顯而易見(jiàn)的選擇光學(xué)腔的介質(zhì)，它包含使至少部分RIR和至少部分GR確保具有負(fù)光學(xué)反饋，至少設(shè)置一個(gè)光學(xué)腔的反射器，例如設(shè)置在一個(gè)RIR的小面上，該反射器其反射系數(shù)為大于0和小于1。選擇層的組分，厚度和層數(shù)以及在工作的激光器中異質(zhì)結(jié)構(gòu)和RIR的子層以確保定向的自發(fā)輻射從工作層(或GR)流向其強(qiáng)度足以滿足使所提議的光學(xué)腔產(chǎn)生激光的條件。對(duì)于任何激光器和所提議的減速器，該條件是使輻射增益超過(guò)損耗。在從工作層流出輻射進(jìn)入RIR的增益Goutflow(cm-1)值超過(guò)閾值損耗因子αRIR-thr(cm-1)時(shí)，將實(shí)現(xiàn)得到激光器的產(chǎn)生激光的閾值條件，其特征是在激光閾值時(shí)所有輻射損耗在光學(xué)腔內(nèi)。產(chǎn)生激光的閾值條件為Goutflow-thr=αRIR-thr=(μ·αRIR)+αout+αdiffr(3)其中，Goufflow-thr(cm-1)是在激光閾值時(shí)的增益Goutflow值，αRIR是在RIR內(nèi)激光輻射的光學(xué)損耗因子(吸收，散射)，αout是凈損耗因子，它與光學(xué)腔的激光輻射輸出有關(guān)，其等于αout=(2LGR)-1·ln(R1·R2)-1(4)其中，αdiffr是在光學(xué)的出光處激光輻射的衍射損耗系數(shù)，它等于αdiffr=(LOR)-1·ln{1-(λ·LOR/nRIR·Srelf)}(5)其中，Srelf是光學(xué)腔的反射器的面積，LoR是光學(xué)腔的長(zhǎng)度，它等于(μ·LGR)(見(jiàn)等式(1))，而R1和R2是光學(xué)腔的反射器的反射系數(shù)。
取決于激光器的具體實(shí)施，等式(1)的比例μ可以從0.8-3.0。滿足關(guān)系式(3)的通過(guò)激光器的電流密度是閾值電流密度jthr。
在所提議的激光器中，激光作用不出現(xiàn)在作為光學(xué)腔介質(zhì)的增益區(qū)GR內(nèi)，無(wú)論是在D.F.Scifres et al.的激光器(U.S.Patent 4,063,189,1977,H01S 3/19,331/94.5H)還是其它已知的激光器內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)選擇強(qiáng)出流的模實(shí)現(xiàn)激光輸出，其中選擇Goutflow(cm-1)接近在GR內(nèi)傳播輻射的總增益GGR(cm-1)，或更確切地說(shuō)，需要滿足下述的條件增益(GGR-Goutflow)之間的差小于在GR內(nèi)傳播輻射的總損耗因子αGR-thr(cm-1)。而，對(duì)所提議的激光器最后選用強(qiáng)度出流模，因?yàn)檫@種選擇將增加效率。除了從GR選擇輻射的強(qiáng)度出流模外，所提議的激光器的其它區(qū)別是他們實(shí)現(xiàn)寬范圍出流角φ(式(2))的出流輻射模，并具有相應(yīng)的比率(neff/nRIR)。建議由下式定義式中φmax的出流角的上限arccos(neff/nRIR)≤arccos(neff-min/nRIR)=φmax(6)neff-min＞nmin(7)其中，neff-min是neff的最小值，對(duì)于建議實(shí)際入流區(qū)的多個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)不是所有可能的neff值，nmin是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的包覆層內(nèi)折射率的最小值。對(duì)于具有GaAs的RIR的并以InGaAs/GaAs/AlGaAs化合物為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)射波長(zhǎng)為0.92-1.16μm，我們發(fā)現(xiàn)最大的出流角φmax約為30°。
所提議的具有上述主要功能的激光器不是顯而易見(jiàn)的。它的非顯而易見(jiàn)性是非尋常的應(yīng)用在GR內(nèi)縱向增益軸的角度方向的自發(fā)輻射，然后放大并在所提議的非標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)腔內(nèi)產(chǎn)生激光作用。在這種諧振腔內(nèi)激光的光路受到“彎曲”(“折射”)，同時(shí)放大輻射；這里，使從RIR的增益區(qū)出流輻射的角度φ等于從光學(xué)諧振腔的反射器反射并從RIR回到GR的激光(和自發(fā)的)光線的輻射人流角ξ。依據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中光線可逆的原理，利用上述光線傳播的特性對(duì)所提議的激光器進(jìn)行設(shè)計(jì)，也適用于由RIR聚集的多層激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
主要特性的集合將表述按照所提議激光器的獨(dú)特的功能和優(yōu)點(diǎn)。激光器的光學(xué)諧振腔內(nèi)激光和相應(yīng)模的產(chǎn)生過(guò)程通常是在激光光線于非均勻的和弱吸收體積內(nèi)傳播，并只有從RIR的小面反射的激光光線入射到異質(zhì)結(jié)構(gòu)(通常是不對(duì)稱的)并在得到局部放大和全內(nèi)反射之后出現(xiàn)。在已知的激光器中以基本上不同的方式形成激光輻射的相應(yīng)模在沿著GR內(nèi)的整個(gè)傳播光路出現(xiàn)放大時(shí)，模只是在由光學(xué)腔的端部反射器所限定的GR的薄層工作介電波導(dǎo)內(nèi)出現(xiàn)。基于前述，所提議的激光器可以稱為“具有諧振腔的注入式激光器(或二極管激光器)”。
前述的基本區(qū)別確定了所提議激光器的基本特點(diǎn)。其中可以降低閾值電流密度。這是由于如果存在凈損耗等于由因子αout(式4)所限定的輻射輸出，則由系數(shù)μ·αRIR(cm-1)表征的均勻RIR(可選擇它的成分不同于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層的組分)體積內(nèi)的光學(xué)損耗可小于在多層增益區(qū)(因子αGR)內(nèi)的光學(xué)損耗，并將菲涅爾(Fresnel)數(shù)N(等于λ·LOR/nRIR·Srefl)選擇大于1，已知的衍射損耗小到可以忽略不計(jì)(見(jiàn)關(guān)系式(5)，以及A.Weitland and M.Dann,Introduction to Laser Physics[inRussian],Nauka Publishers,1978,pp.102-118)。
在所提議的激光器中，存在兩種減少閾值電流密度的可能性，它是不僅與具有小出流角φ的閾值電流密度相比(D.R.Scifres etal.,U.S.4,063,189,1977,H01S 3/19,331/94.5H)，而且與具有量子尺度工作層的現(xiàn)代激光器的閾值電流密度相比，例如，在S.S.Ou et al.所述的激光器中(Electronics Letters(1992),Vol.28,No.25,pp.2345-2346)。所述的第一可能性涉及選擇較大的出流角φ(范圍為0＜φ＜φmax)，它由關(guān)系式(2)，(6)和(7)確定，并使光學(xué)輻射定位系數(shù)Γ增加，反之使閾值電流密度降低(見(jiàn)，e.g,T.M.Cock erill et al.,Appl,phys.Lett.(1991),Vol.59,pp.1694-1696)。
第二可能性涉及選擇RIR的形狀和它的側(cè)光學(xué)面或小面的斜率，相比于普通的激光器，幾乎從激發(fā)激光過(guò)程開(kāi)始全包含自發(fā)輻射。
在所提議的激光器中，也可以增加由下式得到的微分系數(shù)ηd=η1·η2(8)其中，η1是從GR進(jìn)入RIR的出射輻射的輸出系數(shù)，它等于，η1=Goutflow/(Goutflow+αGR-thr) (9)η2是激光輻射從RIR輸出的系數(shù)，它等于，η2=αout/(αout+(μ·αRIR)+αdiffr) (10)在關(guān)系式(9)中的因子αGR-thr確定在GR中的總輻射損耗，它包含在GR(因子αGR)內(nèi)的光輻射損耗和尤其是在GR(因子αface)的開(kāi)始和終止時(shí)的輻射輸出αGR-thr=αGR+αface(11)在選擇增益Goutflow明顯地大于αGR-thr時(shí)，我們將得到系數(shù)η1(見(jiàn)式(9)接近于1，由D.R.Scifres et al.(U.S.Patent 4,063,189,1977)，可以通過(guò)增加激光的閾值電流來(lái)抑制增益Goutflow的增加。對(duì)于所提議的激光器，這種抑制不存在。如果αout選擇大于((μ·αRIR)+αdiffr)，可使效率η2接近于1(見(jiàn)關(guān)系式)。我們將定義效率η為激光的總效率，而不考慮電阻的損耗，對(duì)此得到下述的關(guān)系η=ηD·ηthr′(12)這里，ηthr′=(1-JThr/JOper) (13)式中，JOper通過(guò)激光器的工作電流密度，從關(guān)系式(12)和(13)可見(jiàn)，同時(shí)增加η1和η2(式(8))和降低JThr將增加效率η。
在所提議的激光器中，激光輻射的空間和光譜特性也得到提高。這是由于光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)是基本上在均勻的RIR體積(或者部分體積中)中，其內(nèi)不存在不平衡的大量載流子的情況下產(chǎn)生激光輻射模的緣故。在一般的激光器中，注入載流子的濃度和光學(xué)增益將會(huì)影響輻射的波導(dǎo)模的折射率值，而該值將明顯的決定注入激光器的空間和光譜特性的不穩(wěn)定性(M.Osinski et al.,IEEE Journ.of Quant.Electronics,Vol.23,1987,pp.9-29)。在所提議的激光器中，上述的增益和注入過(guò)程受到分配，他們只出現(xiàn)在總光路長(zhǎng)度的一個(gè)非常小的部分上。所以，對(duì)于具有明顯比普通激光器大的帶條式注入激光器來(lái)說(shuō)，相對(duì)平行于激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的方向內(nèi)的橫向折射率可以保持空間模中的激光模。因此，輸出輻射的發(fā)散度不僅在垂直方向而且在水平方向均有明顯的降低。我們將水平面定義為垂直于垂直面并位于輸出面上的平面。在一般的情況下，我們將輸出面定義為輻射輸出的激光面。另外，可以在所提議的激光器內(nèi)得到穩(wěn)定產(chǎn)生的單頻激光輻射(在較寬的電流范圍內(nèi))，或者稱為“線性調(diào)頻壓縮效應(yīng)“chirp effect”(T.L.Koch and J.E.Bowers,ElectronicsLetters,Vol.20,1984,pp.1038-1039)，這種效應(yīng)對(duì)于許多應(yīng)用是不希望有的效應(yīng)，而隨著泵浦電流幅度的改變而產(chǎn)生的激光輻射的頻率漂移均可明顯地下降。
同樣，所提議的激光器具有明顯放大的特性。在D.R.Scifres et al.(U.S.Pateht 4,063,189,1977,H01S 3/19,331/94.5 H)中，為了消除不希望的損耗，必須使光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器具有反射涂層，并需要在RIR的擴(kuò)展部分制作RIR的光學(xué)小面，而該小面具有消反射層。由于反射器是微米量級(jí)的，所以對(duì)它的制作很困難。由于對(duì)所提議的激光器實(shí)施強(qiáng)的出流模式(Gouthlow≌GGR)，同時(shí)由于在GR內(nèi)不產(chǎn)生激光輻射，所以可使傾斜角ψ以及RIR的小面和相鄰端面的反射系數(shù)相同的方式，在對(duì)輸出特性沒(méi)有明顯影響的情況下有可能簡(jiǎn)化激光器的制作工藝。
本發(fā)明的目的也可依據(jù)至少由一個(gè)子層形成工作層，以及可將工作層實(shí)施為一個(gè)或幾個(gè)工作層子層，即，包含互相由載流子子層分隔的具有量子尺寸厚度的子層來(lái)獲得。
分別設(shè)置在工作層的第一表面和相對(duì)的第二表面上的包覆層各自由包覆子層Ⅰi和Ⅱj形成，其中，Ⅰ=1,2,…,k=1,2,…,m為整數(shù)，它表示包覆子層的序列數(shù)，從工作層數(shù)起分別為nⅠi和nⅡj，帶隙為EⅠi和EⅡj，至少在每個(gè)包覆層內(nèi)有一個(gè)包覆子層。如果工作層由子層組成，包覆層通常由位于工作層的每側(cè)上的兩個(gè)或多個(gè)子層做成。對(duì)于工作層由厚度為約50nm或以上的一個(gè)子層組成的情況下，每個(gè)包覆層可以由一個(gè)子層組成。我們認(rèn)為梯度層通常是(例如見(jiàn)[1])與由將每個(gè)梯度層層合得到的EⅠi和EⅡj相應(yīng)的包覆層的最后數(shù)目的子層。這里，通常包覆層的折射率小于工作子層的折射率。在選用上述方式的工作層和包覆層(對(duì)于特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu))時(shí)，也有可能影響效率和閾值電流密度和確保必須的neff值(2),(6)和(7)。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，使至少RIR的小面相對(duì)于垂直縱增益軸的稱作為垂直面的平面的一個(gè)傾角ψ的絕對(duì)值大于0，如果小面與對(duì)著的內(nèi)表面構(gòu)成銳角(或者與工作層對(duì)著的，由于輸出表面與工作層互相平行，所以原則上這兩種情況相同)，則所述的傾角ψ為正值，如果小面與對(duì)著的內(nèi)表面構(gòu)成鈍角，則所述的傾角ψ為負(fù)值。所引進(jìn)的具有特定傾角ψ的傾斜小面有可能只使用簡(jiǎn)單的技術(shù)方案就能獲得有效的設(shè)計(jì)，即具有負(fù)反饋的光學(xué)諧振腔，以及不同方向的激光輻射輸出。對(duì)于某些激光器的設(shè)計(jì)，可將載流子區(qū)域引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。載流子區(qū)域的引入有可能使激光器具有帶狀增益區(qū)(即，以帶狀寬度WGR的形式)，這種區(qū)域?qū)τ谡箤挼囊约岸喙馐す馄骶哂行〉淖⑷腚娏鲹p耗。
很自類，為了消除電流損耗，需使由沿著GR的縱向增益軸確定的RIR的內(nèi)表面的長(zhǎng)度LIRIR和RIR的寬度WRIR分別至少為GR的長(zhǎng)度LGR和WGR。
根據(jù)出流角ψ，長(zhǎng)度LGR和傾斜角，RIR厚度dRIR的選擇可以在2μm-(≥50,000μm)范圍內(nèi)改變。
由于實(shí)際上RIR是光學(xué)諧振腔的無(wú)源體積，所以RIR的透過(guò)率是實(shí)現(xiàn)所提議激光器功能的必須條件。為了獲得較高的激光器效率，RIR必須由光學(xué)均勻的材料制成，其內(nèi)的光輻射損耗(吸收和散射)必須小于光學(xué)諧振腔輸出的激光輻射的凈損耗，尤其是，需滿足條件αRIR＜＜αout，或者，αRIR＜＜(2μ·LGR)-1·ln(R1·R2)(14)如果RIR由半導(dǎo)體材料制成，除了要求均勻性外，還需滿足關(guān)系式(14),RIR的帶寬需ERIR大于工作層的帶寬Ea，由它確定激光輻射的波長(zhǎng)。已知吸收損耗近似地呈指數(shù)下降，它取決于ERIRR和Ea之間的差值(H.C.Huang et al.,Joum.Appl.Phys.(1990)Vol.67,No.3,pp.1497-1503)。為了降低光學(xué)損耗因子αRIR(cm-1)，并獲得(除了高的微分效率ηd和低的jthr)本發(fā)明的目的之一，即，增加輸出輻射的功率(作為光學(xué)諧振腔有效長(zhǎng)度增加的結(jié)果)，就需使ERIR超過(guò)Ea至少為0.09eV。在這種情況下，光學(xué)吸收損耗因子可以達(dá)到約為≤0.1cm-1。在通常情況下，RIR不僅可用半導(dǎo)體材料制成。重要的是材料的特性，尤其是折射率nRIR及吸收和散射的光學(xué)損耗因子αRIR，需滿足要求(2),(6),(7)和(14)。
為簡(jiǎn)化制作激光器的工藝，RIR可以具有引入的基襯，在該基襯上生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)；另外，該RIR可以制成導(dǎo)電性的，在這種情況下，在RIR的表面形成歐姆接觸。
在RIR是非導(dǎo)電性的情況下，為了獲得低值的αRIR(cm-1)和增加光學(xué)諧振腔的有效長(zhǎng)度LOR和生長(zhǎng)輻射功率P(W)，建議使接近異質(zhì)結(jié)構(gòu)的，厚度小于WGR(μm)的部分RIR的體積是導(dǎo)電性的，而其余的體積由光學(xué)損耗因子小于0.1cm-1的材料制成。
下面，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將靠近異質(zhì)結(jié)構(gòu)和具有特定厚度的部分RIR體積稱為RIR的第一層。而RIR的其余部分，即緊鄰第一，第二和以后層的稱為RIR的第二層。建議，將平行于它的內(nèi)表面的部分RIR層用具有不同折射率的材料制成。在這種情況下，當(dāng)上述的RIR各層的性能差別不僅是導(dǎo)電性方面，而且還有不同折射率時(shí)，可以控制RIR層內(nèi)的出流角φ(2)RIR的厚度，從而也控制了它的各層。不難見(jiàn)到，在具有折射率為nRIRi的第i層內(nèi)出流角φi(這里i=2,3,…,s是整數(shù))，折射率nRIRi等于arccos(neff/nRIRi)(見(jiàn)關(guān)系式(2))。所以，如果例如第一層的折射率nRIR1小于第二層的nRIR2，則第二層的厚度可小于第一層的厚度，反之亦然。降低厚度dRIR可簡(jiǎn)化工藝，并降低制作RIR的成本。在兩種情況下，使RIR的導(dǎo)電部分做成電接觸，它的所需厚度不大于GR的寬度WGR。
在RIR的光學(xué)損耗因子小于0.1cm-1的激光器中，可以取得在RIR內(nèi)具有小的輻射損耗的大體積的工作層GR(增加LGR約1cm)，從而得到大體積的輸出輻射功率。
在具有微米量級(jí)寬度WGR的激光器中，為了簡(jiǎn)化加工工藝，從RIR方向與一個(gè)導(dǎo)電包覆子層形成歐姆接觸，該子層位于工作層和RIR之間，最好與具有最小帶隙的導(dǎo)電子層接觸。
對(duì)于那些設(shè)計(jì)成具有大的LGR值的激光器，不希望具有大的厚度dRIR(μm)。建議，至少一個(gè)包覆子層制成折射率大于nRIR。這將增加neff值和dRIR值，尤其相應(yīng)地降低出流角ψ(關(guān)系式(2))。小的厚度可以節(jié)省RIR的材料。
為了簡(jiǎn)化制作激光器的工藝，建議，使GR的端表面，至少是GR一側(cè)上的端表面與RIR的相鄰光學(xué)表面具有相同的傾角ψ和相同的反射系數(shù)。如前所述，在實(shí)踐中這樣做不會(huì)降低激光器的參數(shù)。
下面說(shuō)明各種注入激光器的實(shí)施例。
提出將RIR的至少一個(gè)光學(xué)小面做成光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器，它的正傾角ψ等于出流角φ,φ=arccos(neff/nRIR)，為能夠使所提議的激光器在它的整個(gè)范圍值(2),(6)和(7)內(nèi)具有出流角φ至φmax，包含φ角值大于全內(nèi)反射σ角值，并因此降低閾值電流密度，增加效率和功率，減小垂直平面內(nèi)的發(fā)散角，并在垂直入射到光學(xué)小面上時(shí)通過(guò)RIR的光學(xué)小面有效的輸出激光輻射。
基于相同的目的，但是使激光輻射的輸出垂直于工作層的平面，至少所形成的一個(gè)光學(xué)小面具有負(fù)傾角ψ等于(π/4)-(φ/2)，并將至少部分RIR的外表面做成光學(xué)諧振腔的反射器的形式，并至少在靠近形成RIR的光學(xué)小面的表面上入射，或者至少所形成的RIR的一個(gè)光學(xué)小面具有正傾角ψ等于(π/4)+(φ/2)，并將至少部分相反于RIR的激光器的表面做成光學(xué)諧振腔的反射器的形式，并至少在靠近形成RIR的光學(xué)小面的表面上入射。在第一種情況下，在整個(gè)RIR的輸出表面上將出現(xiàn)輻射輸出，而在第二種情況下，將在徑向相反的方向上出現(xiàn)輻射輸出。
在許多其它的情況下，在所提議激光器的上述實(shí)施例中，RIR的其它光學(xué)小面具有的傾角ψ等于0。一個(gè)輻射涂層形成在RIR的上述光學(xué)小面上(在輸出面上角φ小于全內(nèi)反射角σ)。這將使一個(gè)通路上輸出激光輻射，也使垂直面內(nèi)的輸出激光輻射的長(zhǎng)度LGR和發(fā)散角Θ下降。
為了提高激光器的空間和光譜特性，最好將激光器的至少一個(gè)反射器做成外反射器的形式。
如果角φ小于角σ，使用外反射器(在RIR的外部)就可能創(chuàng)立一種所提議的激光器，其中，RIR的兩個(gè)小面所對(duì)著的傾角ψ等于0。這就簡(jiǎn)化了制作激光器的工藝，因?yàn)椴恍枰谱鰞A斜的RIR小面。在這種情況下，負(fù)反饋利用由相應(yīng)傾角的外反射器(或者反射器)產(chǎn)生。
可以制作光學(xué)腔的一個(gè)反射器，它或者位于外反射器上，或者位于RIR或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的輸出面上，以平面鏡的形式，或者以柱面鏡的形式，或者以球面鏡的形式，或者以衍射光柵的形式形成。
所提議的激光器的實(shí)施例還可能是，通過(guò)更充分地利用激光激勵(lì)過(guò)程中的自發(fā)輻射實(shí)現(xiàn)閾值電流的進(jìn)一步下降(相應(yīng)地增加效率η)。在多數(shù)情況下，這種下降是基于利用至少一個(gè)具有輻射出流區(qū)的引入的側(cè)邊光學(xué)小面相對(duì)垂直于工作層并通過(guò)縱向增益軸的垂直面構(gòu)成傾角β獲得，如果側(cè)小面與內(nèi)表面構(gòu)成銳角，則所述的傾角β是正的，如果是鈍角，則傾角β是負(fù)的。
獲得較大的效果，在至少一個(gè)RIR的側(cè)小面，并使所形成小面的正傾角β等于出流角φ，或者至少一個(gè)RIR的側(cè)小面的負(fù)傾角β等于(π/4-φ/2)，并至少在部分RIR的外表面上具有反射層，至少部分投射在由RIR的側(cè)小面所形成的面上，或者至少一個(gè)RIR的側(cè)小面的正傾角β等于(π/4+φ/2)，并至少與RIR相反的激光器的部分表面上具有反射層，至少部分投射在由RIR的側(cè)小面所形成的面上。
最大的效果在于角度閾值電流密度，近場(chǎng)輻射的異常形式，即以發(fā)光環(huán)的形式，或者部分發(fā)光環(huán)的形式，可以在所提議的激光器中獲得，其中，RIR至少形成一種截尾的直角圓錐，它的一個(gè)對(duì)比是內(nèi)表面，光學(xué)諧振腔的反射器設(shè)置在至少部分輸出表面上。此時(shí)，如果反射涂層涂在至少部分輸出面上，則可使近場(chǎng)輻射的尺寸下降。
如果圓錐側(cè)面的母線與它的內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(π/2-φ)，則輸出的激光輻射與工作層的平面成φ角傾斜。
如果圓錐側(cè)面的母線與它的內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(3 π/4-φ/2)，則輸出的激光輻射將垂直于工作層的平面通過(guò)RIR的外表面出射。
如果圓錐側(cè)面的母線與它的內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(π/4-φ/2)，則輸出的激光輻射將垂直于工作層的平面，但以相反的方向出射。
注意，在實(shí)踐中(I.I.Bronshtein and K.A.Semendyayev,Handbook ofMathematics[in Russia],p.170,1953)測(cè)量?jī)蓚€(gè)半平面(小面和內(nèi)表面)之間形成的傾角ψ和β作為在兩個(gè)半平面內(nèi)從他們相交線上的一點(diǎn)所畫(huà)的兩條母線之間的角度。如果RIR是由截尾直角圓錐構(gòu)成，則測(cè)量由圓錐的母線和在內(nèi)表面上從它與母線相交點(diǎn)所畫(huà)的垂線之間的傾角γ。這里，從內(nèi)表面計(jì)算角度。測(cè)量?jī)A角ψ,β和γ的精度由發(fā)散度Δφ的色散確定(發(fā)散度的衍射角可以忽略，因?yàn)樗c角度Δφ相比非常小)，而Δφ由出流角φ作為波長(zhǎng)λ的函數(shù)展開(kāi)確定，對(duì)于自發(fā)輻射它在整個(gè)光譜波段內(nèi)改變。在Δλ范圍內(nèi)，對(duì)于已知neff和nRIR與λ關(guān)系的情況下，我們可以利用關(guān)系式(2)通過(guò)數(shù)字計(jì)算確定角度Δφ。計(jì)算表明，對(duì)于最常使用的Δλ為20-50nm的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，Δφ在0.5°-1.5°范圍內(nèi)。
所提議激光器的實(shí)施例的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)或多個(gè)增益區(qū)。
一種多光束激光器的實(shí)施例的特色是，在至少一個(gè)RIR的內(nèi)表面上形成具有相同出流角φ的至少兩個(gè)增益區(qū)。通常具有矩形形狀的增益區(qū)以規(guī)定的周期設(shè)置，所述的增益區(qū)包含在兩個(gè)相互垂直的方向上。在許多情況下，從與RIR的位置相反的方向做成與每個(gè)GR的獨(dú)立歐姆接觸。這樣一種利用RIR輸出反射器的激光器將具有多重激光束，包含在空間互相分離的激光束，并且激光器可以由操作電流獨(dú)立控制。
在多激光束的其它實(shí)施例中，多重性的激光束形成二維矩陣，其中，每個(gè)激光束由操作電流獨(dú)立控制。在激光器中，由至少二序列的GR形成增益區(qū)，每個(gè)增益區(qū)至少設(shè)置二個(gè)GR，使每個(gè)序列中的增益軸相互平行，并對(duì)于工作層與適用每個(gè)GR序列的公共RIR的小面的擴(kuò)展面的相截線成直角定位。另外，從RIR的方向，在至少部分上述的公共RIR的外表面上將他們制成帶狀的歐姆接觸和金屬化層，對(duì)每個(gè)上述序列的GR，至少有一個(gè)金屬化層。從RIR的相反的位置方向，金屬化層以帶狀形式制成獨(dú)立的歐姆接觸，帶之間是相互絕緣的，并且平行于GR的增益軸。
下一個(gè)具有幾個(gè)GR的激光器實(shí)施例的特色是，他們被依次連接成一個(gè)整體的光學(xué)諧振腔。在這種情況下，所述的GR沿著至少平行于GR的縱向增益軸的軸線上形成；GR的起端之間的間距選為2dRIR/tanφ,而外表面做成光學(xué)反射的，并至少以出流角φ投射到靠近增益區(qū)的表面上。也可以形成在相反的表面上，對(duì)于至少具有相同出流角φ的GR,RIR沿著互相平行的并沿著GR的縱向增益軸的兩條線形成；這里，在RIR的相反側(cè)上GR的起端之間的最短距離選為dRIR/sinφ。這些改變有可能在降低RIR的厚度的同時(shí)增加輸出功率，并改善去熱條件。
提議，在具有一個(gè)或者多個(gè)增益區(qū)的激光器中，使增益區(qū)或至少兩個(gè)相鄰的GR均對(duì)RIR體積的非導(dǎo)電部分形成電絕緣，利用金屬化層使上述增益區(qū)的歐姆接觸形成電連接。這就有可能增加所供電壓的值，，并使所提議的激光器對(duì)電源實(shí)現(xiàn)有效的匹配。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是光學(xué)諧振腔的原始設(shè)計(jì)，腔的介質(zhì)的體積(整體)不僅包含工作層(有源層)，還包含具有強(qiáng)輸出輻射的增益區(qū)的體積，以及輻射出流區(qū)的被動(dòng)體積，他們由構(gòu)成的組分，厚度，激光異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層數(shù)，輻射出流區(qū)和它的光學(xué)小面的結(jié)構(gòu)，歐姆接觸和金屬化層形成。所述的設(shè)計(jì)有可能對(duì)形成激光輻射模的區(qū)域，注入?yún)^(qū)域以及非平衡載流子的受激復(fù)合的區(qū)域進(jìn)行界定。
按照確定激光器主要特點(diǎn)的要求，集合所提議激光器的基本特性。他們包括降低閾值電流密度，增加效率(包含微分效率)，改善象散，對(duì)于兩個(gè)互相垂直的輸出輻射的方向產(chǎn)生，接近于衍射角的小的發(fā)散角，還包含增加單模激光的穩(wěn)定性，明顯降低產(chǎn)生激光輻射的波長(zhǎng)對(duì)泵浦電流幅度的依賴關(guān)系，以及由所提議激光器的主要表征的增加光學(xué)諧振腔的有效長(zhǎng)度和輻射輸出功率的能力--傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)在工作層之內(nèi)作為產(chǎn)生界定波導(dǎo)模式的激光介質(zhì)內(nèi)注入。所提議激光器的其它特性是能夠獲得不同方向的激光輻射，包括垂直于工作層平面的方向，以及增加使用壽命，操作的可靠性，以及高的生產(chǎn)率。具有多重增益區(qū)的所提議激光器的優(yōu)點(diǎn)，除了前面提到的以外，還有對(duì)它的整體制造工藝。
本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施是基于目前在激光器制造中已得到發(fā)展并廣泛使用的基本生產(chǎn)過(guò)程。激光器的輻射波長(zhǎng)范圍已從紅外擴(kuò)展到紫外。根據(jù)波長(zhǎng)的需要，對(duì)于不同的波段范圍使用相應(yīng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如，基于在ALGaN/GaN/GaInN系統(tǒng)以及在ZnCdSSe/GaAs系統(tǒng)內(nèi)的半導(dǎo)體化合物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于紫外，蘭和綠的輻射(0.36μm＜λ＜0.58μm)最有效；在AlGaInP/GaAs系統(tǒng)的化合物對(duì)于紅和黃的輻射(0.58μm＜λ＜0.69μm)最有效；在AlGaAs/GaAs系統(tǒng)和In GaAs/GaAs/AlGaAs系統(tǒng)的化合物對(duì)于紅外輻射(0.77μm＜λ＜1.2μm)最有效；在GaInAsP/InP系統(tǒng)的化合物對(duì)于紅外輻射(1.2μm＜λ＜2.0μm)最有效；在AlGaInSbAs/GaAs系統(tǒng)的化合物對(duì)于紅外輻射(2.0μm＜λ＜4.0μm)最有效。在上述的每個(gè)范圍內(nèi)，依據(jù)使用波長(zhǎng)λ和所選擇的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須選擇使RIR的材料滿足條件(2),(6),(7)和(14)。我們建議GaN用于AlGaN/GaN系統(tǒng)；ZnSe用于ZnCdSSe/GaAs系統(tǒng)；GaP用于AlGaInP/GaAs系統(tǒng)；GaP用于AlGaAs/GaAs系統(tǒng)；GaAs和GaP用于InGaAs/GaAs/AlGaAs系統(tǒng)；Si和GaAs用于GaInAsP/InP系統(tǒng)；Si和GaAs用于AlGaInSbAs/GaAs系統(tǒng)。這些建議可以由最新研制的“平面附著技術(shù)”得到成功的實(shí)施(例如，H.Wada et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.8,p.173(1996))。本發(fā)明提議的有效注入激光器的設(shè)計(jì)至少適用于所有的上述激光輻射的范圍和異質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
將從

圖1-26理解本發(fā)明。
圖1-7是以沿伸相應(yīng)小面的平面的形式制做的具有GR端面的所提議激光器的不同設(shè)計(jì)的縱向(沿著GR的光學(xué)增益軸方向)截面視圖，尤其是，該激光器具有單路的激光輸出，在圖1-3中，具有RIR的小而，他們用做光學(xué)諧振腔的反射器，在圖1中，具有傾斜的小面，正傾角ψ等于φ，在圖2中，具有以平面鏡形式的外反射器，對(duì)著一個(gè)傾斜的小面，在圖3中，具有一個(gè)小面，其傾斜角ψ等于0；在圖4-7中，具有RIR的部分外表面，他們作為諧振腔的反射器，在圖4中，具有兩個(gè)傾斜的RIR小面，其負(fù)傾角ψ等于(π/4-φ/2)，在圖5中，具有以衍射光柵形式的外反射器，對(duì)著一個(gè)傾斜的小面，在圖6中，具有其它的小面，其傾斜角ψ等于0；在圖7中，具有一個(gè)以正傾角傾斜的RIR小面，和以負(fù)傾角傾斜的另一小面。
圖8-9是具有用作光學(xué)諧振腔的反射器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的部分外表面的設(shè)計(jì)的縱向截面視圖，在圖8中，具有兩個(gè)傾斜的小面，其傾角ψ等于(π/4+φ/2)，在圖9中，具有一個(gè)傾斜的小面，其傾角ψ等于(π/4+φ/2)，而另一個(gè)的傾角ψ等于0。
在圖10中，表示具有傾角等于0的兩個(gè)小面，而外傾斜反射器以平面鏡的形式的所提議激光器設(shè)計(jì)的縱向截面視圖。
圖11-13是依據(jù)RIR設(shè)置方向?qū)嵤┎煌瑲W姆接觸的所提議激光器設(shè)計(jì)的橫向截面視圖在圖11中，表示在RIR的外表面上，在圖12中，表示在相鄰RIR的包覆層的導(dǎo)電子層上，在圖13中，表示在相鄰異質(zhì)結(jié)構(gòu)的RIR的部分導(dǎo)電層上。
圖14-15表示具有六個(gè)串-并電連接的GR和一個(gè)RIR的所提議激光器的縱向和橫向截面的示意圖。
圖16-18表示縱向截面(圖14)的示意圖，而圖19表示具有多個(gè)GR獨(dú)立電控的，依據(jù)具有對(duì)三個(gè)不同次序的GR分隔RIR的橫向示意圖，在圖16中表示具有正傾角的兩個(gè)傾斜的RIR小面(見(jiàn)圖19)，其激光輻射的輸出方向垂直于工作層的平面，在圖17中表示具有正傾角的一個(gè)光學(xué)諧振腔的傾斜小面，以及具有負(fù)傾角的第二傾斜小面(見(jiàn)圖8)，其激光輻射的輸出方向垂直于工作層的平面；在圖18中表示具有正傾角(見(jiàn)圖1)的二個(gè)RIR的傾斜小面，其激光輻射的輸出方向與工作層的平面形成φ角。
圖20-21表示具有串聯(lián)電連接的并沿著它的自身增益軸設(shè)置的GR和間隔RIR的所提議激光器的縱向截面示意圖，在圖20中，在RIR的一個(gè)表面上設(shè)置三個(gè)GR，在圖21中，在RIR的兩個(gè)相反的表面上設(shè)置四個(gè)GR。
圖22表示用于具有正傾角β=φ的兩層RIR的，由兩個(gè)傾斜的側(cè)面光學(xué)小面構(gòu)成的具有兩層RIR的激光器(在圖1-10的縱向截面)設(shè)計(jì)的橫截面示意圖。
圖23-26表示對(duì)于激光器的RIR采用截尾直角圓錐的在對(duì)稱平面內(nèi)的截面視圖(圖23和25)以及頂視圖(圖24和26)其中圓錐側(cè)面的母線與錐底(即，內(nèi)表面)的傾角γ對(duì)于在圖23和24中為(3π/2-φ/2)，
在圖25和26中為(π/2-φ)。
下面，參見(jiàn)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。輻射體設(shè)計(jì)的引用例不是單一的，還存在其它的實(shí)施方式，他們的特性反映在權(quán)利要求的整體特征中。
所提議的激光器1(見(jiàn)圖1和11)包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)2，該結(jié)構(gòu)包含分別設(shè)置在兩個(gè)包覆層4和5之間的工作層3，具有子層Ⅰi和Ⅱj(未圖示)。工作層3由兩個(gè)工作子層和一個(gè)分隔子層的阻擋層組成(未圖示)。LGR的長(zhǎng)度為4000μm。光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度LOR為3760μm(見(jiàn)關(guān)系式(1))，比例μ(關(guān)系式(1))等于0.9397。帶狀形式(或者臺(tái)面條形)的由阻擋層6鄰接在側(cè)面上的寬度WOR是400μm。激光晶體的總寬度是1000μm。半導(dǎo)體RIR7由小面8和9連接在端面，這些小面用作光學(xué)諧振腔的反射器，半導(dǎo)體位于包覆層5的子層Ⅱm的表面上，該表面距工作層3有一距離。RIR7用作為基片10，并對(duì)基片賦予所需的形狀。RIR的兩個(gè)傾斜的小面一第一小面8和第二小面9其正傾角ψ等于出流角φ，為20°。由垂直于GR內(nèi)的縱向增益軸的平面計(jì)算該角度。如果傾角ψ是正的，小面8和9與工作層3構(gòu)成銳角。具有反射系數(shù)R1為0.999的反射層11形成在第一小面上，而反射系數(shù)為0.01的部分反射層12形成在第二小面上。確定增益區(qū)長(zhǎng)度LGR的端面13是傾斜小面8和9的相應(yīng)端面擴(kuò)展，并具有與小面8和9相同的傾斜和相同的反射系數(shù)。這就簡(jiǎn)化了加工工藝。這種簡(jiǎn)化對(duì)于激光器1的參數(shù)不具有實(shí)際的效果，因?yàn)樵谒嶙h的激光器1內(nèi)實(shí)現(xiàn)的是強(qiáng)激光輸出。實(shí)際上沒(méi)有激光輻射通過(guò)端面13。小面傾斜的精度保持在17.6°-18.4°的范圍內(nèi)。RIR7的厚度dRIR需滿足下述關(guān)系式，dRIR≥(LIRIR·tanφ/(1+tan2φ))(15)dRIR=1,286μm，在包覆層5的IK的表面設(shè)置接觸層14，并在其上形成歐姆接觸15。在RIR7的相反側(cè)上，以及在RIR7的外表面17(在這種情況下，是在基片10的表面上)上做成歐姆接觸。內(nèi)表面18接近于異質(zhì)結(jié)構(gòu)2，平行于工作層3的平面。
由多個(gè)半導(dǎo)體層和子層19-27組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)2與接觸層一起采用從導(dǎo)電砷化鎵在基片10上MOS-混合外延的方法生長(zhǎng)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)2，接觸層14和RIR7的層19-27的組分，厚度，折射率，類型，摻雜濃度和吸收系數(shù)列在表中。異質(zhì)結(jié)構(gòu)2也使用在下述的實(shí)施例中(對(duì)于各個(gè)實(shí)施例具有特定的改變)。對(duì)于該異質(zhì)結(jié)構(gòu)2的輻射波長(zhǎng)是980nm。在圖1以及相繼的圖2-10,14,16-18,20-23，和25中，用箭頭表示激光輻射在RIR7和其外輻射的方向。激光器1安裝在具有側(cè)面歐姆接觸15的導(dǎo)熱厚片上(未圖示)。將所需的功率加到歐姆接觸15和16上。
上述激光器1和隨后改進(jìn)激光器的基本參數(shù)可以依據(jù)作為矩陣方法(J.Chilwall and I.Hodkinson,Joum.Opt.Soc.Amer.,A(1984),Vol.1,No.7,pp.742-753)基礎(chǔ)的專用程序通過(guò)數(shù)字模擬得到，該方法是利用多層激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的邊界條件解Maxwell方程。計(jì)算使用下述的初始參數(shù)在工作層3內(nèi)需要獲得轉(zhuǎn)換的材料增益是200cm-1，在工作層內(nèi)增益和注入電子濃度之間的比例因子是5×10-16cm2，在工作層內(nèi)非平衡電子的壽命是1ns。
同樣計(jì)算假設(shè)在GR內(nèi)光學(xué)損耗因子αGR是3cm-1(見(jiàn)D.Z.Garbuzovet al.,IEEE Joum.Of Quant.Electr.(1997),Vol.33,No.12,pp.2266-2276)，以及例如按照H.C.Huang et al.(Lourn.Appl.Phys.(1990),Vol.67,No.3,pp.1497-1503)所述。激光輻射在RIR7內(nèi)的光學(xué)損耗因子是0.1cm-1。在計(jì)算中不考慮通過(guò)增益區(qū)的表面13的自發(fā)輻射輸出的損耗，這是因?yàn)樵撝岛苄?，所以αGR-thr(關(guān)系式(11))是3cm-1。所用參數(shù)的值適用所述典型的InGas/GaAs/AlGaAS激光器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)2。如果采用其它化合物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)2，例如GaInPAs/InP，這些參數(shù)將相應(yīng)的改變。由數(shù)字計(jì)算獲得下面的結(jié)果·閾值電流密度Jthr是89.3A/cm2(對(duì)該電流密度需滿足式(3)；·出流角φ是20°；·出流自發(fā)輻射的發(fā)散的色散角Δφ(用于計(jì)算的Δλ是30nm)是0.8°；·有效的折射率neff是3.3124；·總增益GGR和出流輻射的增益Goutflow分別是320.80cm-1和320.03cm-1；而(GGR-Goutflow)的差是0.73cm-1,小于GGR-thr(=3cm-1)(式(11))，這表明選擇了強(qiáng)出流模式，在GR內(nèi)不出現(xiàn)激光作用(見(jiàn)page 5)；·從RIR7輸出激光輻射的凈損耗αout是11.515cm-1；·定義為μ·αRIR的光學(xué)損耗因子是0.09397cm-1；·在RIR7內(nèi)，定義為和值(αout+(μ·cosφ)+αdiffr)的閾值損耗因子αGR-thr(式(3))等于11.609，而由式(5)計(jì)算的αdiffr小到可忽略不計(jì)；·增益區(qū)的面積SGR是1.6×10-2cm2；·定義為(jthr·SGR)的閾值電流Jthr是0.8A；·微分效率是ηd是10.9827(式(8))，它的分量η1(式9)和η2(式10)分別是0.9907和0.9919；·對(duì)于2,500A的joper的閾值損耗因子ηthr(式13)是0.9643，激光器1的效率(式12)是0.9476。
激光輻射輸出的功率P(W)由下式確定P=η·J·(hν)(16)式中，J是通過(guò)裝置的工作電流，等于40A,(hν)是光子能量，等于1.265V。P值是47.95W。輻射的近場(chǎng)面積(輸出孔徑)Sap，定義為(dap·WGR)，等于0.51×10-2cm2，其中，dap等于LGR·sinφ，等于1,368μm,WGR是400μm，輸出輻射的發(fā)散角Θ1和Θ2分別由λ/dap以及λ/WGR估算。在保持單模激光的電流范圍內(nèi)，在垂直平面內(nèi)，Θ1是0.72mrad，在水平平面內(nèi)，Θ2是2.45 mrad。在輸出小而9上激光輻射的輸出定義為P/Sap，是9402W/cm2。
激光器1的其它實(shí)施例與第一實(shí)施例不同之點(diǎn)是，在小面8上施加消反射膜28，而外反射器29采用大小為2,500×2,500μm2的平面反射鏡，其反射系數(shù)為0.999，平行于小面8，并相距10,000μm。寬度WGR是1,368μm，激光晶體的總寬度是3,000μm。該實(shí)施例中，激光器1的基本參數(shù)不同于第一實(shí)施例的地方是SGR,Jthr,Joper,P(式16)，以及Sap分別等于5.47×10-2cm2,1.43A,136.75 A,163.9W，和1.87×10-2cm2，而Θ1和Θ2相等，等于0.72mrad。
激光器1(見(jiàn)pages10和11)和前述的激光器之間的不同是，RIR7的小面8獲得傾角ψ為0。隨著異質(zhì)結(jié)構(gòu)2(見(jiàn)表)的層21和25的厚度的增加，出流角φ減小到12°，小于角度σ。這里，調(diào)節(jié)用于提供負(fù)反饋的相對(duì)垂直面具有傾角為42.2°的外反射器29的平面，使Δφ為1.4°。由于一個(gè)反射器具有反射層11，反射率為0.999，而另一個(gè)反射器具有涂層12，反射率為0,05，所以激光器1具有單向輻射輸出。除了具有已知的外腔激光器所固有的特點(diǎn)外(尤其，提高空間和光譜特性)，其它的特點(diǎn)是簡(jiǎn)化加工工藝。
下一個(gè)激光器的實(shí)施例(見(jiàn)圖4和11)不同于第一實(shí)施例的之處是，RIR7的小面8和9其負(fù)傾角ψ等于(π/4-φ/2)，最好等于35°。長(zhǎng)度LRIR是1,000μm，寬度WGR選為340μm。RIR7的厚度dRIR為500μm，它的長(zhǎng)度LoRIR為1,700μm。在靠近小面8的投射外表面上形成的反射層11的反射系數(shù)R1為0.999，而在靠近小面9形成的部分反射層12的反射系數(shù)R2為0.02。光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度LoR定義為μ·LGR(式1)，為1,940μm，比例μ=1.94。從激光器1的實(shí)施例獲得下面的參數(shù)·閾值電流密度Jthr為42A/cm2；·損耗因子αout和μ·αRIR分別為3.913cm-1和0.194cm-1；·從式(5)計(jì)算的αout小到可以忽略，而αRIR-thr(式3)是4.107cm-1；·效率η1,η2,ηd,ηthr和η分別是0.9907,0.958,0.9439,0.9832，和0.9280；·對(duì)于SGR為0.34×10-2cm2，閾值電流Jthr是0.143A；·光子電流Jorer是8.5A，在單模條件下，激光器1的輸出功率P是9.98W，而發(fā)散角Θ1和Θ2相等，等于2.8mrad(毫弧度)。
圖5和11所示激光器1與先前所述激光器的不同點(diǎn)是，光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器是外反射器29，并作為一個(gè)反射的衍射光柵使用。這就可能取得一個(gè)單頻的激光操作。
在圖8和11所示激光器1的實(shí)施例其不同點(diǎn)在于，兩個(gè)小面8和9的傾角ψ等于(π/4+φ/2)，尤其為55°，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)方向內(nèi)，輸出輻射垂直入射到工作層的平面上。寬度為15.3μm，長(zhǎng)度為45μm的GR設(shè)置在內(nèi)表面18的中間，它的寬度為WIRIR為25μm，長(zhǎng)度LIRIR為135μm。反射系數(shù)分別為0.999和0.90的涂層11和12涂到接近投射小面8和9的內(nèi)表面上。在內(nèi)表面18的區(qū)域區(qū)域上形成阻檔區(qū)6，該區(qū)沒(méi)有異質(zhì)結(jié)構(gòu)2和涂層11和12。RIR的弧度是23μm，外表面17的長(zhǎng)度是73,8μm，光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度LOR長(zhǎng)度是129μm。上述的設(shè)計(jì)改變決定下述的參數(shù)jthr是125A/cm2,αout,αdiffr,μ，和(μ·αRIR)分別是11.7cm-1,4.22cm-1,2.86cm-1,0.286 cm-1，因此αGR-thr是16.2 cm-1，閾值電流J是0.861mA，工作電流Joper選為13.8mA，激光輻射的輸出功率P(式16)是11.66mW，而ηd(式8)是0.7139,η(式12)是0.6693。激光器1以單縱模產(chǎn)生，它的波長(zhǎng)實(shí)際上在很寬的范圍內(nèi)不受泵浦電流的影響，發(fā)散角Θ1和Θ2相同并等于6.4mrad(0.37°)。該實(shí)施例可以與現(xiàn)今廣泛研究的具有垂直諧振腔的激光器(B.Weigl et al.,Electronics Letters,Vol.32,No.19,pp.1784-1786,1966)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，除了(圖4和圖6-9)所示的之外。
在圖7和圖11所示激光器1的實(shí)施例不同于上述的三種，它的小面8標(biāo)號(hào)不同，但是傾角ψ的絕對(duì)值相同，是30°。這就有可能獲得垂直入射到工作層3的面上的輸出輻射，但是比例值μ(式1)小于先前實(shí)施例的。
在圖3，圖6，和圖9中激光器1的實(shí)施例的共同點(diǎn)是，RIR7的小面8其傾角ψ為0。按照?qǐng)D1，圖4和圖8中激光器1的實(shí)施例(長(zhǎng)度保持相同)他們將使輻射輸出孔徑的線性尺寸加倍，因此相應(yīng)的在垂直面內(nèi)降低發(fā)散角Θ1。
在圖1-10的激光器實(shí)施例中，確定GR尺寸的臺(tái)面型帶條30可以利用阻檔區(qū)6(見(jiàn)圖11-13)做成一定的寬度。對(duì)于激光器1其臺(tái)面型帶條30的寬度為微米大小，因此例如可以做成與包覆層5的子層形成歐姆接觸，如圖12所示。在這種情況下，RIR7可以成為一個(gè)絕緣區(qū)，它有助于使RIR7具有小的系數(shù)αRIR。如果存在一個(gè)由第一導(dǎo)電層31和第二絕緣層32組成的兩層的RIR7，則與第一層31形成歐姆接觸(圖13)。在這種情況下，如果對(duì)RIR7層選擇合適的折射率，則RIR7的第二層32不僅可以是絕緣層，而且可以是一層組分不同于第一層31的層，并有助于對(duì)層32的選擇小的αRIR2值和相應(yīng)的厚度dRIR2。
在上述(圖1-10)所考慮的激光器實(shí)施例中，如果RIR7的側(cè)小面33做成傾斜，并其上涂有反射層，則可以進(jìn)一步降低閾值電流jthr。圖22表示具有最需傾角β的激光器1的橫截面，該傾角是正的，并等于φ。jthr的降低是基于，在輻射直接射到傾斜的小面33上后，窄向自發(fā)輸出輻射中的主要部分將從側(cè)小面反射，在回到GR(幾乎全部，除了小部分在RIR內(nèi)吸收外)后，將增加以出流角φ射到光學(xué)小面8和9(間圖10)的受激輻射。為產(chǎn)生最大的效果，應(yīng)將傾角β設(shè)定在(β-Δφ/2)到(β+Δφ/2)范圍內(nèi)。這些實(shí)施例(圖22，圖1-10，和13)的其它特點(diǎn)是兩層由GaAs構(gòu)成的RIR7，它由導(dǎo)電的第一層31和第二層32組成。與第一層31形成歐姆接觸。利用稍有摻雜的GaAs制成的較高透明度的層32來(lái)降低激光輻射在RIR7內(nèi)的損耗。
圖23-26表示激光器1的實(shí)施例，其中，與前面所述的激光器相反，RIR7為一個(gè)截尾直角圓錐。在這些實(shí)施例中，通過(guò)RIR7的對(duì)稱軸的在任何垂直面內(nèi)的自發(fā)窄向輻射，以φ角從GR出射，并以直角入射到輸出面上，幾乎產(chǎn)生受激輻射的最大的可能效率。一旦超過(guò)激光閾值，輻射的空間模(或者多個(gè)空間模)的空間和光譜特性得到提高。這些激光器1的實(shí)施例的最大的能量特性(低的ithr，高的效率η和輻射功率P)(式16)是由于電流轉(zhuǎn)換成自發(fā)的窄向輻射的高效率，以及激光輻射與自發(fā)輻射的空間模最大一致的結(jié)果。對(duì)于圖23,24中的激光器1的實(shí)施例，RIR7是一個(gè)單層區(qū)，側(cè)面的母線與錐形的RIR7的內(nèi)表面18形成的傾角γ等于(3π/4-φ/2)，尤其是125°,sinceφ等于20°。注意，在錐形RIR7的情況下，從內(nèi)表面18的方向計(jì)算角度γ，；所以角度γ總是相同的符號(hào)，即，投射正的。因?yàn)榘矊?的厚度小，所以GR的圓直徑(或者工作層的)實(shí)際上等于內(nèi)表面18的直徑-圓錐的底部的直徑。在光學(xué)諧振腔內(nèi)提高負(fù)反饋的部分反射涂層12沿著它的圓周涂在外表面17上。具有衍射發(fā)散度的高度方向性的激光輻射在垂直于工作層3的方向通過(guò)RIR7的外表面出射。
圖25和圖26所示激光器1的實(shí)施例之間的區(qū)別是，圓錐的側(cè)表面34是光學(xué)諧振腔的反射器，而RIR7是兩層表面。第一層31是由導(dǎo)電的GaAs制成，第二層是由微量摻雜的P-型GaP制成，第一層具有歐姆接觸。具有反射系數(shù)為0.32的側(cè)表面34沒(méi)有涂層12。阻擋區(qū)6引入到由GR的形狀確定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，該形狀是圓形的并與RIR7的第二層的基面共軸。使GR的直徑小于鄰近GR的RIR7的第二層32的基面的直徑，這將可能消除由于RIR7的有限厚度層31所引起GR內(nèi)不希望的載流子損耗。改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)2的包覆層和子層的組分使激光器1的有效折射率成為3.1475。改變第一層31的角度φ(式2)成為26.75°，而第二層32的角度φ2成為5°。在RIR7的第二層32內(nèi)圓錐的側(cè)表面34的母線的傾角γ2等于(π/2-φ)，尤其為85°。在圖25和26所示激光器的實(shí)施例中，由于GaP等于波長(zhǎng)λ=0.98μm(帶隙ERIR超過(guò)Ea約1.0eV)的高透過(guò)率，而使RIR7內(nèi)的激光輻射的光學(xué)損耗降低，從而在RIR7內(nèi)的激光輻射的光學(xué)損耗降低，另外，由于層32內(nèi)的角度φ2的降低，可使RIR7的厚度下降，而由于層31內(nèi)的摻雜增加，將使激光器1的電阻下降。對(duì)于激光器1的該實(shí)施例，通過(guò)圓錐的側(cè)表面34在與工作層3的平面成5°的方向出射高指向的激光輻射。注意，也可以在(圖1-10)所示的激光器1的其它實(shí)施例中采用類似的雙層RIRs7。
激光器1(見(jiàn)圖14-21)的實(shí)施例不同于前述實(shí)施例之處在于，他們的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)或者多個(gè)增益區(qū)。多光束激光器1(圖14和15)的特征是將由工作電流依次平行耦合的32×30GRs設(shè)置在RIR7的內(nèi)表面18上。每個(gè)GR的長(zhǎng)度和寬度分別是290和85μm。他們以矩形光柵的形式設(shè)置，光柵沿著和跨越RIR7的長(zhǎng)度LIRIR的空間分別是300和100μm。RIR7的內(nèi)表面18的長(zhǎng)度LIRIR和寬度WIRIR分別是9,000和3,000μm,RIR7的厚度是3,214μm，光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度LOR是10,216μm，在小面8和9上涂層11和12的反射系數(shù)分別是0.999和0.32。對(duì)于每個(gè)GR激光束的基本參數(shù)是jthr,αout,μ，和(μ·αRIR)，他們分別是，182A/cm2,19.95cm-1,35.2和3.52cm-1，而αRIR-thr是23.47 cm-1；閾值電流Jthr是43.7mA，工作電流Joper選為600 mA，結(jié)果單模輻射的輸出功率P(式(16)是592.6mW；ηd(式8)是0.8421，和η(式12)是0.7808，發(fā)散角Θ1和Θ2分別是9.0和8.28mrad。
將30個(gè)GR位于光柵的32行的每行內(nèi)，將光柵跨越RIR的長(zhǎng)度設(shè)置，使GR互相電串聯(lián)，而各行自身平行連接。上述GR的電串聯(lián)耦合是通過(guò)引入導(dǎo)電的RIR7的第一層31(載流子濃度為1018cm-1)，寬度為15μm的絕緣區(qū)35，用于歐姆接觸15的金屬層36，連接兩個(gè)這種相鄰的其間具有絕緣區(qū)35的GR的歐姆接觸15實(shí)現(xiàn)的(見(jiàn)圖15和16)，該絕緣區(qū)鄰接(不同于阻檔區(qū)6)在RIR7的層32的絕緣區(qū)上(見(jiàn)圖15)。上述的金屬層36，其對(duì)于上述的32行GR提供平行的電流連接，所述的金屬層為16行，寬180μm，長(zhǎng)9,600μm。在工作器件中，對(duì)于每個(gè)GR對(duì)應(yīng)一個(gè)近場(chǎng)輻射，并在具有部分輻射模12的反射器上輸出激光束。如果光學(xué)諧振腔以及GR的尺寸和長(zhǎng)度選擇合適，則他們不會(huì)重疊(見(jiàn)圖14)。提供激光器1的總的工作電流是3.2A，工作電壓為48V(對(duì)每個(gè)GR為1.6V)，所以激光束的輸出功率是568.9V。
激光器1的實(shí)施例(見(jiàn)圖16-19)的特征在于，對(duì)于線性序列(直線)的GR形成具有公共小面8和9的單個(gè)RIR7。工作層的平面與小面8和9的擴(kuò)展面的交線與上述線內(nèi)的增益區(qū)的增益軸成直角。該器件可包含大量的這種線，他們通過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)2與對(duì)于所有的線公共的阻檔區(qū)6整體地連接。對(duì)應(yīng)于每個(gè)所述GR線內(nèi)的每個(gè)GR具有分離的激光束。從這種多束激光器1(具有單個(gè)分離的GR)輸出輻射的方向或者是垂直于工作層3的平面(見(jiàn)圖16和17)，或者成φ角(見(jiàn)圖18)。對(duì)照激光器1(見(jiàn)圖14和15)，激光器1內(nèi)(圖16-19)RIR7的厚度跨越明顯的降低，而每平方厘米激光束的密度跨越明顯的增加。
在圖16和19,32所示的激光器1的實(shí)施例中，直線的排列GR(多條線)，其每一個(gè)包含30個(gè)GR，他們具有如同圖8和圖11所示激光器1實(shí)施例中的相同的尺寸和參數(shù)。這些GR位于32個(gè)RIR7的內(nèi)表面18上。除了它的寬度為750μm外，RIR7具有相同于圖8和圖11所示激光器的實(shí)施例中的尺寸和參數(shù)。在四個(gè)側(cè)面的每側(cè)上，由阻檔區(qū)6將GR進(jìn)行電流分隔，并利用已知的方法與接觸層14形成獨(dú)立的歐姆接觸。行內(nèi)GR的間隔是25μm，行與行之間的間隔是135μm。為對(duì)每個(gè)GR獨(dú)立的施加工作電流，對(duì)于歐姆接觸15設(shè)置30個(gè)縱向金屬條層36，和32個(gè)橫向金屬條層37，后者是橫過(guò)GR的光學(xué)增益軸，這些金屬條層與32個(gè)RIR的每個(gè)形成歐姆接觸16。在將電信號(hào)加到一個(gè)任意的由兩個(gè)互相垂直金屬條36和37的結(jié)合上時(shí)，由包含設(shè)置在所選擇的金屬條的相交的帶條之間的GR出射激光束。每個(gè)激光束(全部是960個(gè))具有與圖9和11所示的激光器1的實(shí)施例相同的參數(shù)。
激光器1(見(jiàn)圖20和21)的實(shí)施例包含多個(gè)在公共的光學(xué)諧振腔內(nèi)依次串聯(lián)連接的GR。它是基于從RIR7的外光學(xué)面17的反射(圖20)，以及從設(shè)置在RIR7的兩個(gè)面上的增益區(qū)(圖21)的具有激光輻射中相應(yīng)增益的反射實(shí)現(xiàn)的。這些實(shí)施例提供增加的光學(xué)諧振腔的有效長(zhǎng)度，以適用于較小的RIR7的厚度和大的出流角φ。另外，還由于熱源在增益區(qū)自然分布的結(jié)果可以提供導(dǎo)熱的條件。
還需指出，對(duì)于激光器1(圖14-21)所考慮到的實(shí)施例，可以使用縱向和橫向條狀金屬層36和37的電連接獲得在激光器1(圖14-21)的實(shí)施例中增益區(qū)的串聯(lián)，并聯(lián)，或者串-并電耦合。這就有可能使高功率多光束激光器與電源進(jìn)行更有效的匹配。
因此，在所提議的激光器中，激光輻射的輸出功率成倍的增加，閾值電流密度明顯地下降，在兩個(gè)互相垂直的方向上的發(fā)散角降低，光學(xué)諧振腔的有效長(zhǎng)度增加，并可獲得近似于最大值的效率，激光輻射的波長(zhǎng)對(duì)泵浦電流幅度的依賴明顯地降低。本發(fā)明還提議具有激光輸出的，包括垂直于工作層的方向內(nèi)輸出的高效率激光器，以及包含獨(dú)立工作的多光束激光器。
注入式激光器用于光纖通訊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，和超高速度光學(xué)計(jì)算機(jī)和開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，以及醫(yī)療設(shè)備、激光加工設(shè)備和倍頻激光器中，還可用于泵浦固體和纖維激光器中。
權(quán)利要求
1．一種注入式激光器，包含一激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含一工作層和包覆層，在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)可以形成增益區(qū)，以及反射器，光學(xué)諧振腔，歐姆接觸，至少在工作層的一側(cè)面上，一內(nèi)表面接近相應(yīng)的包覆層的輻射入流區(qū)；如果輻射入流區(qū)的折射率nRIR超過(guò)由激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)和相鄰的輻射入流區(qū)組成整體的有效的折射率neff，則輻射出流從工作層進(jìn)入輻射入流區(qū)的條件滿足arccos(nef/nRIR)大于0，所述注入式激光器的特征在于至少部分光學(xué)諧振腔的介質(zhì)由至少部分入流區(qū)和至少部分增益區(qū)構(gòu)成，而至少部分光學(xué)諧振腔的一反射器的反射系數(shù)選自大于0和小于1范圍內(nèi)的，至少使一個(gè)入流區(qū)透過(guò)激光輻射，而至少?gòu)囊徊考纬傻脑鲆鎱^(qū)由從工作層出射的并進(jìn)入入流區(qū)的輻射的增益Goutflow(cm-1)表征，入流區(qū)由閾值損耗因子αRIR-thr(cm-1)表征，選擇增益值Goutflow(cm-1)大于因子αRIR-thr(cm-1)，從工作層輻射流出進(jìn)入輻射入流區(qū)的條件由下述關(guān)系式確定arccos(neff/nRIR)≤arccos(neff-min/nRIR)式中，neff-min大于nmin,neff-min是neff的最小值，該neff取自由實(shí)際感興趣的具有輻射入流區(qū)的多個(gè)激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)的所有可能的neff，而nmin是在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的包覆層內(nèi)最小的折射率。
2．如權(quán)利要求1的注入式激光器，其特征是形成至少一子層的工作層。
3．如上述權(quán)利要求1,2的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是分別設(shè)置在工作層的第一和相反的第二表面上的包覆層分別形成包覆子層Ⅰi和Ⅱj，其中，I=1,2,…,k，而j=1,2,…,m，他們分別為整數(shù)，表示從工作層起數(shù)的包覆層的次序數(shù)，他們的折射率分別是nⅠi和nⅡj，帶隙為EⅠi和EⅡj，在每個(gè)包覆層內(nèi)至少有一個(gè)包覆子層。
4．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)的光學(xué)小面相對(duì)垂直于縱向增益軸的平面，又稱為垂直面的傾角為ψ，它的絕對(duì)值大于0；如果光學(xué)小面與內(nèi)表面形成銳角，則傾角ψ為正值，如果形成鈍角，則傾角ψ為負(fù)值。
5．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是阻擋區(qū)引入激光器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
6．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是選擇增益區(qū)為帶狀的增益區(qū)。
7．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是由沿著增益區(qū)的縱向增益軸確定的輻射入流區(qū)的內(nèi)表面長(zhǎng)度LIRIR，以及輻射入流區(qū)的寬度WRIR分別不小于增益區(qū)的長(zhǎng)度LGR和WGR。
8．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)的厚度在2μm-50,000μm范圍內(nèi)選擇。
9．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射出流區(qū)由光學(xué)均勻的材料制成。
10．如權(quán)利要求9的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)由半導(dǎo)體制成，半導(dǎo)體的帶隙ERIR(ev)超過(guò)工作層的帶隙Ea(ev)為0.09ev。
11．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)由引入的基片制成。
12．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)由導(dǎo)電材料制成。
13．如權(quán)利要求12的注入式激光器，其特征是與輻射入流區(qū)的表面形成歐姆接觸。
14．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是鄰近激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)的，厚度不大于WGR(μm)的輻射入流區(qū)的部分體積做成導(dǎo)電的，而其余部分由光學(xué)損耗因子αRIR不大于0.1cm-1的材料做成。
15．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是部分平行于輻射入流區(qū)的內(nèi)表面層的輻射入流區(qū)由具有不同折射率的材料制成。
16．如權(quán)利要求14或15的注入式激光器，其特征是與輻射入流區(qū)的導(dǎo)電部件形成歐姆接觸。
17．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是所形成的輻射入流區(qū)的光學(xué)損耗因子αRIR-不大于0.1cm-1。
18．如權(quán)利要求1-11,15和17的注入式激光器，其特征是使從輻射入流區(qū)方向的歐姆接觸與設(shè)置在工作層和輻射入流區(qū)之間的導(dǎo)電包覆子層的一層接觸。
19．如權(quán)利要求18的注入式激光器，其特征是使與具有最小帶隙值的導(dǎo)電子層進(jìn)行歐姆接觸。
20．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少形成一層具有折射率至少為nRIR的包覆子層。
21．如上述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是在至少增益區(qū)的一個(gè)側(cè)面，它的端表面如同輻射入流區(qū)的相鄰的小面一樣做成具有相同的傾角和相同的反射系數(shù)。
22．如上述權(quán)利要求1-21的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少所形成的作為光學(xué)諧振腔的反射器的一個(gè)小面的正傾角ψ，它等于出流角φ，并等于arccos(ηeff/nRIR)。
23．如上述權(quán)利要求1-22的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少一個(gè)小面具有負(fù)傾角ψ，它等于(π/4)-(φ/2)，至少輻射入流區(qū)的部分外表面，至少其上投射反射的光學(xué)小面用作為光學(xué)諧振腔的反射器。
24．如上述權(quán)利要求1-23的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少一個(gè)光學(xué)小面具有正傾角ψ，它等于(π/4)-(φ/2)，至少使用相反于入流區(qū)的注入激光器的部分表面，至少其上投射反射的光學(xué)小面用作為光學(xué)諧振腔的反射器。
25．如上述權(quán)利要22-24的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是其它的光學(xué)小面的傾角ψ為0。
26．如上述權(quán)利要25的注入式激光器，其特征是一個(gè)引入的反射層形成在上述的光學(xué)小面上。
27．如上述權(quán)利要22-26的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少光學(xué)諧振腔一個(gè)反射器用作為外反射器。
28．如上述權(quán)利要27的注入式激光器，其特征是所形成的輻射入流區(qū)的兩個(gè)光學(xué)小面的傾角ψ為0。
29．如上述權(quán)利要27或28的注入式激光器，其特征是至少光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器為一個(gè)平面鏡。
30．如上述權(quán)利要22-28的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器為一個(gè)柱面鏡。
31．如上述權(quán)利要22-28的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器為一個(gè)球面鏡。
32．如上述權(quán)利要22-28的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射器為一個(gè)衍射光柵。
33．如上述權(quán)利要22-32的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少一個(gè)輻射入流區(qū)的引入側(cè)的光學(xué)小面與垂直于工作層并與一個(gè)縱向增益軸的垂直面形成傾角為β的傾斜；如果側(cè)光學(xué)小面與內(nèi)表面構(gòu)成銳角，則傾角β為正值，如果側(cè)光學(xué)小面與內(nèi)表面構(gòu)成鈍角，則傾角β為負(fù)值。
34．如上述權(quán)利要23的注入式激光器，其特征是至少一個(gè)具有反射層的光學(xué)小面，其上所形成的正傾角β等于出流角φ。
35．如上述權(quán)利要33或34的注入式激光器，其特征是所形成的光學(xué)小面的負(fù)傾角等于(π/4-φ/2)，在至少輻射入流區(qū)的部分外表面上一反射層形成在至少部分輻射投射的側(cè)光學(xué)小面上。
36．如上述權(quán)利要33-35的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少一個(gè)側(cè)光學(xué)小面所形成的傾角β等于(π/4+φ/2)，一個(gè)反射層至少形成在相反于輻射入流區(qū)的注入式激光器的部分表面上，并至少部分投射在側(cè)光學(xué)小面上。
37．如上述權(quán)利要1-21的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是輻射入流區(qū)形成為一截尾直角圓錐，它的一個(gè)底是內(nèi)表面，光學(xué)諧振腔的反射器設(shè)置在至少部分的輸出面上。
38．如上述權(quán)利要37的注入式激光器，其特征是反射層形成在至少部分外表面上。
39．如上述權(quán)利要37或38的注入式激光器，其特征是所述圓錐側(cè)面的母線與內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(π/2-φ)。
40．如上述權(quán)利要37或38的注入式激光器，其特征是所述圓錐側(cè)面的母線與內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(3π/4-φ/2)。
41．如上述權(quán)利要37或38的注入式激光器，其特征是所述圓錐側(cè)面的母線與內(nèi)表面構(gòu)成的傾角γ選為(π/4-φ/2)。
42．如上述權(quán)利要1-41的任何一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少在一輻射入流區(qū)的內(nèi)表面上形成具有相同出流角φ的二個(gè)增益區(qū)。
43．如上述權(quán)利要42的注入式激光器，其特征是從與輻射入流區(qū)的部位相反的方向形成與每個(gè)增益區(qū)獨(dú)立的歐姆接觸。
44．如上述權(quán)利要21，或42，或43的注入式激光器，其特征是形成至少具有兩個(gè)序列增益區(qū)的增益區(qū)，其中設(shè)置至少兩個(gè)增益區(qū)；在每個(gè)序列中每個(gè)增益區(qū)的縱向增益軸互相平行，并使工作層與每個(gè)序列增益區(qū)的公共輻射入流區(qū)的光學(xué)小而的平面的擴(kuò)展面相交的交線產(chǎn)直角。
45．如上述權(quán)利要44的注入式激光器，其特征是使歐姆接觸和與其接觸的引入的金屬層，至少?gòu)妮椛淙肓鲄^(qū)方向的每個(gè)上述序列的增益區(qū)的金屬層做成條狀的形式形成在至少是部分前述的公共入流區(qū)的外表面上。
46．如上述權(quán)利要44的注入式激光器，其特征是在金屬層的表面上使獨(dú)立的歐姆接觸形成在與設(shè)置輻射入流區(qū)相反的一側(cè)上，它是以互相絕緣的條狀形式并平行于增益區(qū)的增益軸設(shè)置。
47．如上述權(quán)利要42或43的注入式激光器，其特征是在至少平行于增益區(qū)的縱向增益軸的行的方向上形成增益區(qū)。
48．如上述權(quán)利要47的注入式激光器，其特征是所形成的增益區(qū)在增益區(qū)的起始端之間具有一間隔，它等于2dRIR/tanφ；外表面是光學(xué)反射的，至少以出流角φ投射到面上的各增益區(qū)。
49．如上述權(quán)利要1-43或47的注入式激光器，其特征是至少具有相同出流角φ的一增益區(qū)沿著二個(gè)互相平行的行并沿著增益區(qū)的縱向增益軸形成在輻射入流區(qū)的相反的表面上，在輻射入流區(qū)的相反側(cè)上的增益區(qū)的起始端之間的最短的間隔是dRIR/sinφ。
50．如上述權(quán)利要14-19，或42-44，或47-49的任一項(xiàng)的注入式激光器，其特征是至少兩個(gè)相鄰的增益區(qū)均電絕緣于入流區(qū)的非導(dǎo)電的體積，上述增益區(qū)的歐姆接觸由金屬層形成電耦合。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有特殊結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的注入式激光器，整個(gè)諧振腔包含用于強(qiáng)出射放大的放大區(qū)有源體積以及輻射進(jìn)入?yún)^(qū)(7)的無(wú)源體積，該體積包含多個(gè)激光異質(zhì)結(jié)構(gòu)(2)層和相應(yīng)的組分和厚度，輻射進(jìn)入?yún)^(qū)(7)的光學(xué)小面(8,9)有不同的結(jié)構(gòu)，還包含歐姆接觸(15,16)，因此能確定激光輻射模式的形成區(qū)域以及他們的受激復(fù)合和非平衡載流子的注入?yún)^(qū)，還可增加激光輻射的功率，減小電流閾值密度，增加激光效率，對(duì)于互相垂直的輻射出流方向降低發(fā)散角到衍射角，還可增加產(chǎn)生單模過(guò)程的規(guī)律性，改善空間光學(xué)特性，降低激光輻射的波長(zhǎng)對(duì)泵浦電流的依賴性，增加使用壽命和可靠性，還涉及具有提高垂直工作層面輸出激光輻射的高效激光器，以及利用自激活的具有高功率激光束的激光器。
文檔編號(hào)H01S5/22GK1317165SQ99810575
公開(kāi)日2001年10月10日 申請(qǐng)日期1999年8月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月10日
發(fā)明者瓦西里·依凡諾維奇·施維京 申請(qǐng)人:瓦西里·依凡諾維奇·施維京