Полупроводниковый лазер

 

Использование: изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком. Техническим результатом является повышение плотности мощности лазерного излучения, повышение общего КПД и увеличение ресурса работы лазера. Сущность: конструкция лазера представляет собой двумерную решетку лазерных линеек, соединенных между собой по металлизированным поверхностям подложек и эпитаксиальных слоев. Зеркала резонаторов линеек с одной из сторон решетки закреплены на теплоотводе, а внешние металлизированные поверхности подключены к источнику накачки. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к конструкции полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом и электронным пучком, и может быть использовано в качестве источника излучения высокой мощности в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров (включая лазер-драйвер термоядерной электростанции с лазерным инициированием).

Известны различные конструкции полупроводниковых лазеров в виде наборных решеток, состоящих из линеек инжекционных лазеров. Обзор этих конструкций дан в работе [1]-IEEE J. Quantum Electron. Vol. 28,4, April 1992, p. 955 - 965, авторы - J. Endris, M. Vakili и др. Общим для всех рассмотренных конструкций является наличие кристаллоносителя-теплоотвода, являющегося элементарным интегрируемым в решетке объектом. Отличительными признаками различных конструкций являются способы отведения тепла от активного кристалла. В одном варианте конструкции тепло отводится с помощью микроканальных кремниевых охладителей, вмонтированных в каждый элементарный объект стопы, непосредственно в охлаждающую жидкость, в другом варианте тепло отводится в пластину кристаллоносителя, а затем через его торцевую поверхность в общий для всех элементов теплоотвод с жидкостным охлаждением. Материалом кристаллоносителя может служить медь, окись бериллия, кремний, алмаз или специальные сплавы, обеспечивающие одновременно высокую теплопроводность и согласование коэффициентов теплового расширения материала лазерного кристалла и теплоотвода.

Прототипом заявляемого устройства является лазер, в котором применена конструкция ребристого теплоотвода для двумерной решетки лазерных диодов [2] - патент США 5099488, кл. H 01 S 3/04, выданный 24 марта 1992 г., приоритет от 27 марта 1991 г., авторы - M. Ahrabi, Los Gatos и др. В этом патенте защищена конструкция двумерной решетки лазерных диодов в виде стопы плотно прижатых друг к другу пластин, на которых припаяны линейки инжекционных лазеров. Отличительными особенностями конструкции также, как и в аналогах, являются теплоотводящие пластины кристаллоносителей, на которых смонтированы активные кристаллы, и промежуточные элементы между пластинами кристаллоносителей. Промежуточные элементы выполняют одновременно несколько функций: являются пластичным демпфером между жесткими пластинами кристаллоносителей, проводят электрический ток в последовательной схеме включения элементов стопы и имеют достаточно хорошую теплопроводность для выравнивания температурных градиентов в стопе. Покрытия из мягкого припоя нанесены на одну из базовых поверхностей кристаллоносителей для обеспечения хорошего электрического и теплового контакта элементов стопы и необходимой точности их взаимного расположения.

Рассмотренные в аналогах и в прототипе конструкции лазеров на основе решеток лазерных диодов наряду с несомненными достоинствами имеют ряд существенных недостатков. В частности, тепло от стопы лазерных кристаллов отводится в охлаждаемый жидкостью теплоотвод через торцевую поверхность кристаллоносителя, толщина которого для обеспечения максимальной плотности мощности должна быть как можно меньше. Разделительные элементы между кристаллоносителями должны обладать противоречивыми свойствами - иметь одновременно высокую теплопроводность и быть диэлектриками для электрической изоляции элементов стопы. Суммарная толщина кристаллоносителей и разделительных элементов в решетке превосходит общую толщину активных элементов, что в соответствующее число раз снижает максимальную плотность мощности решетки. Весьма сложным, дорогим и трудоемким процессом является изготовление верхнего контакта к лазерному кристаллу, поскольку при длине лазерной линейки 1 см необходимо прецизионно приварить к кристаллу и к разделительному элементу методом термокомпрессии около 100 золотых проволочек.

Дополнительными технологическими операциями при изготовлении решетки являются металлизация и пайка кристаллоносителей и разделительных элементов между собой (см. патент-прототип).

Для повышения плотности мощности излучения лазера и увеличения ресурса его работы предложена конструкция лазера, которая представляет собой двумерную решетку лазерных линеек, соединенных электрически последовательно. Лазерные линейки соединены между собой по металлизированным поверхностям подложек и эпитаксиальных слоев. Зеркала резонаторов с одной из сторон решетки закреплены на теплоотводе, а внешние металлизированные поверхности решетки подключены к источнику накачки.

На чертеже показана предлагаемая конструкция лазера: 1 - подложки гетероструктур лазерных линеек; 2 - активные области лазерных линеек; 3 - металлизированные поверхности лазерных линеек, по которым они соединены в стопе; 4 - теплоотвод; 5-5' - внешние металлизированные поверхности решетки лазерных линеек; 6 - источник тока накачки; 7 - эпитаксиальные слои лазерных линеек; 8 - зеркала резонаторов лазерных линеек; L - длина резонатора лазерной линейки.

Стрелками показано направление выхода излучения из кристаллов лазерных линеек.

Устройство включает в себя решетку из лазерных линеек, соединенных электрически последовательно по металлизированным поверхностям 3 подложек 1 и эпитаксиальных слоев 7. Зеркала резонаторов лазерных линеек 8 с одной из сторон решетки закреплены на теплоотводе 4. Внешние металлизированные поверхности решетки 5-5' подключены к источнику накачки 6.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что теплоотводом в двумерной решетке из лазерных линеек являются сами активные кристаллы лазерных линеек, а точнее подложки гетероструктур, на основе которых изготовлены лазерные линейки. В отличие от аналогов и прототипа в такой конструкции отвод тепла от активной области лазерной гетероструктуры, в которой происходит излучательная рекомбинация инжектированных носителей, осуществляется с двух сторон. Это дает возможность более эффективно отвести тепло от активной области и избежать несимметричного температурного профиля в работающем кристалле лазерной линейки. В заявляемом устройстве отсутствуют разнородные материалы кристаллоносителей и полупроводниковых кристаллов, что снимает проблему согласования коэффициентов теплового расширения и открывает возможность соединения лазерных линеек между собой методом пайки твердыми припоями. Близкий к симметричному профиль распределения температуры работающего лазера и отсутствие упругих напряжений, вызванных несогласованными к. т.р. лазерных кристаллов и кристаллоносителей обеспечивают условия повышения ресурса работы лазера, особенно при максимальной мощности излучения.

Указанные отличия позволяют получить следующие преимущества: повысить плотность мощности излучения решетки (в диапазоне длительностей импульсов накачки до 0,3 мс расчетное увеличение плотности мощности может составить до 5 и более раз); повысить полный КПД за счет ликвидации дополнительного падения напряжения на кристаллоносителях, разделительных элементах и металлизации (на 10 - 15% и более по сравнению с аналогами); упростить конструкцию, уменьшить стоимость, экономить материалы, что особенно актуально для массового производства и таких применений как лазер-драйвер для термоядерного реактора; решить проблему согласования к. т. р. материала активного элемента и теплоотвода, что служит основой для повышения выхода годных и ресурса работы; добиться того, что распределение температуры активной зоны становится близким к симметричному в направлении, перпендикулярном к плоскости p-n перехода, за счет двустороннего отвода тепла от активной зоны. Это положительно влияет на выходные параметры лазера и срок службы, поскольку уменьшаются упругие напряжения, вызванные температурными градиентами.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на внешние металлизированные поверхности решетки 5-5' тока накачки от источника накачки 6 ток последовательно протекает через активные области 2 лазерных линеек, вызывая излучательную рекомбинацию инжектированных носителей и генерацию лазерного излучения. Отвод тепла от активной зоны лазерных линеек осуществляется по активным кристаллам, одно из зеркал резонаторов которых закреплено на теплоотводе. Другое зеркало резонаторов лазерных линеек служит для вывода излучения из решетки (направление вывода излучения показано стрелками на чертеже).

Пример конкретного выполнения. Решетка лазерных диодов на длину волны 0,81 мкм на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs для накачки твердотельных лазеров на основе неодимового стекла или АИГ : Nd³⁺. Теплоотводом решетки может служить медь с жидкостным охлаждением при использовании мягкого припоя для монтажа монолитного лазерного блока, состоящего из линеек лазеров (например, припой на основе индия). Длина резонаторов лазерных линеек L может составлять 300 - 1000 мкм и более в зависимости от частоты следования импульсов накачки. В частности при частоте следования 10 - 20 Гц и длительности импульса накачки 0,2 - 0,3 мс благоприятный режим работы лазера (отсутствие теплового срыва генерации) может быть получен при длине резонатора L = 300 - 500 мкм. Материалом теплоотвода может служить медь или согласованный по к. т. р. сплав (медь-вольфрам или медь-молибден) равно как и алмаз при использовании твердых припоев. При указанных параметрах накачки максимальная плотность мощности лазера на основе решетки из лазерных линеек может достигать по оценкам до 10 кВт/см², что почти на порядок превосходит известные из литературы данные. При этом средняя плотность мощности, отводимой от лазера составит 30 - 50 Вт/см², что вполне приемлемо при жидкостном охлаждении теплоотвода.

Формула изобретения

Полупроводниковый лазер, включающий двумерную решетку лазерных линеек, соединенных электрически последовательно, и теплоотвод, отличающийся тем, что лазерные линейки соединены между собой по металлизированным поверхностям подложек и эпитаксиальных слоев, зеркала резонаторов лазерных линеек с одной из сторон решетки закреплены на теплоотводе, а внешние металлизированные поверхности решетки подключены к источнику тока накачки.

РИСУНКИ

Рисунок 1