專利名稱：反射式電子束泵浦紫外激光管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
目前，激光器主要是三類一類是以激光二極管，一類是以DPSS為基礎(chǔ)的固體激光器；另一類是以準(zhǔn)分子激光器為主的氣體激光器。
現(xiàn)有的紫外激光器主要以氣體激光器為主?，F(xiàn)有的紫外激光器都存在著效率低、 功耗大、輸出功率低等等的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種反射式電子束泵浦紫外激光管，解決以上技術(shù)問題。
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
反射式電子束泵浦紫外激光管包括一激勵源、諧振腔，諧振腔生成在一襯底上，其特征在于，所述激勵源采用一電子槍系統(tǒng)；
所述諧振腔設(shè)置在所述電子槍系統(tǒng)的靶向方向上；
所述諧振腔內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生成在所述襯底上，所述襯底上設(shè)有一層高禁帶半導(dǎo)體層，所述高禁帶半導(dǎo)體層上生長有另一層禁帶寬度不同的高禁帶半導(dǎo)體層；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一端設(shè)有高反射鏡，另一端設(shè)有一低反射鏡；所述高反射鏡外側(cè)還設(shè)有一散熱基片。
所述電子槍系統(tǒng)包括一真空腔室，自所述真空腔室一端向另一端依次排布有電子槍、電學(xué)控制機(jī)構(gòu)、電磁聚焦機(jī)構(gòu)、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)、諧振腔、激光出射口 ；
所述激光出射口位于所述真空腔室側(cè)面，所述諧振腔的所述高反射鏡的反射方向朝向所述激光出射口。
所述電子槍發(fā)出的電子束依次經(jīng)過電學(xué)控制機(jī)構(gòu)、電磁聚焦機(jī)構(gòu)、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，形成呈現(xiàn)掃描狀態(tài)的高能電子束，打入所述諧振腔，為激光發(fā)射提供能量。激光經(jīng)過所述高反射鏡反射后，通過所述激光出射口射出。
本發(fā)明選擇禁帶寬度不同的半導(dǎo)體層，從而組成新的結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)上形成勢能阱結(jié)構(gòu)。這些勢能阱結(jié)構(gòu)有利于約束半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶上的載流子于特定的能量狀態(tài)上， 從而達(dá)到提聞轉(zhuǎn)換效率的目的。
以高反射鏡、低反射鏡中的一個作為所述襯底。
所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括至少兩種不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，且包含至少三層所述高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層為不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層。
具體的可以為所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括兩種不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，且包含至少三層所述高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層為不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，即，兩種材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層交替排列構(gòu)成層疊式結(jié)構(gòu)。
每層所述高禁帶半導(dǎo)體層的厚度在I納米到50納米。
至少兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層層疊構(gòu)成所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度可以根據(jù)波段和功率的需要來具體設(shè)計。
所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中包括至少兩層III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層。具體的 III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)可以為氮化鋁、氮化鎵等氮化物系的III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)。
所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也可以是II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層。II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)可以為ZnMgSSe系或是BeZnSSe的II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)。
半導(dǎo)體材質(zhì)可以是晶格匹配的，也可以是晶格不匹配的。高禁帶半導(dǎo)體層可以是有應(yīng)變的，也可以是沒有應(yīng)變的。為了提高轉(zhuǎn)換效率和調(diào)控激光的波長。
高能電子束攜帶的能量可以使它穿過作為靶的諧振腔的表面到達(dá)能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層。高能電子束會把能量傳遞給半導(dǎo)體材質(zhì)中的束縛電子，從而產(chǎn)生自由的電子一空穴對。在半導(dǎo)體材質(zhì)結(jié)構(gòu)比較完整的情況下，這樣產(chǎn)生出的自由電子一空穴對將復(fù)合而產(chǎn)生光子。在所述高反射鏡、低反射鏡構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，這些產(chǎn)生出來的光子會被篩選， 滿足特定條件的光子會被保留在諧振腔內(nèi)，不滿足條件的光子被散射出諧振腔。滿足特定條件的光子在諧振腔中反復(fù)反射，從而使更多的電子一空穴對復(fù)合而產(chǎn)生出更多的光子， 由此達(dá)成受激輻射,形成激光。
所述電子槍設(shè)有發(fā)射電子的陰極，所述陰極可以是金屬、氧化物、各種納米管等材料構(gòu)成的陰極。
電學(xué)控制機(jī)構(gòu)可以為一高壓電加速機(jī)構(gòu)，用于將電子束加速，提高能量。
所述電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)連接有用于一掃描控制系統(tǒng)，所述掃描控制系統(tǒng)控制所述電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，進(jìn)而通過所述電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)控制電子束的發(fā)射方向，進(jìn)而使電子束打在所述諧振腔的不同位置，使諧振腔中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不同位置發(fā)射激光，避免所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)因?yàn)橐粋€位置長時間發(fā)射激光而造成過熱。
諧振腔的高反射鏡、低反射鏡的鏡面可以是由多層氧化物介質(zhì)膜構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡或是高反射低吸收的金屬膜組成。
所述散熱基片下方設(shè)有一散熱底座，所述散熱底座連接一循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括散熱管、熱交換系統(tǒng)、冷卻液，所述散熱管埋設(shè)在所述散熱底座內(nèi)；所述冷卻液設(shè)置在所述散熱管內(nèi)，所述熱交換系統(tǒng)連接所述散熱管的入口和出口。冷卻液通過散熱管流經(jīng)散熱底座，散熱底座被冷卻，進(jìn)而諧振腔被冷卻，冷卻液溫度上升，升溫的冷卻液從出口離開周邊散熱管，從而進(jìn)入熱交換系統(tǒng)，進(jìn)行冷卻和冷卻液重新循環(huán)。
所述冷卻液采用絕緣、透明的冷卻液。以便循環(huán)冷卻系統(tǒng)隔離高電壓，省去了其他電隔離系統(tǒng)的設(shè)置。所述冷卻液可以采用介質(zhì)冷卻液，如3M公司制造的Fluorinert，也可以采用全氟液體或其他非導(dǎo)電流體。


圖I為本發(fā)明的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
參照圖I、圖2，反射式電子束泵浦紫外激光管包括一激勵源、諧振腔1，諧振腔I 生成在一襯底上，激勵源米用一電子槍系統(tǒng)2。諧振腔I設(shè)置在電子槍系統(tǒng)2的祀向方向上。諧振腔I內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生成在襯底上，襯底上設(shè)有一層高禁帶半導(dǎo)體層11，高禁帶半導(dǎo)體層11上生長有另一層禁帶寬度不同的高禁帶半導(dǎo)體層12。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一端設(shè)有高反射鏡14，另一端設(shè)有一低反射鏡13。電子槍系統(tǒng)2包括一真空腔室20，自真空腔室20 —端向另一端依次排布有電子槍21、電學(xué)控制機(jī)構(gòu)22、電磁聚焦機(jī)構(gòu)23、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24、諧振腔I、激光出射口 25。激光出射口 25位于真空腔室20側(cè)面，諧振腔 I的高反射鏡14的反射方向朝向激光出射口 25。
本發(fā)明選擇禁帶寬度不同的半導(dǎo)體層，從而組成新的結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)上形成勢能阱結(jié)構(gòu)。這些勢能阱結(jié)構(gòu)有利于約束半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶上的載流子于特定的能量狀態(tài)上， 從而達(dá)到提聞轉(zhuǎn)換效率的目的。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括至少兩種不同材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層11、12，且包含至少三層高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層高禁帶半導(dǎo)體層11、12為不同材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層。
具體的可以為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括兩種不同材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層，且包含至少三層高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層高禁帶半導(dǎo)體層11、12為不同材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層，SP， 兩種材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層交替排列構(gòu)成層疊式結(jié)構(gòu)。每層高禁帶半導(dǎo)體層的厚度在3納米到50納米。至少兩層高禁帶半導(dǎo)體層11、12層疊構(gòu)成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度根據(jù)所需的功率和波長來具體設(shè)計。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中包括至少兩層III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層11、12。具體的III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)可以為氮化鋁、氮化鎵等氮化物系的III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也可以是至少兩層II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層11、12。II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)可以為ZnMgSSe系或是BeZnSSe的II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)。半導(dǎo)體材質(zhì)可以是晶格匹配的， 也可以是晶格不匹配的。高禁帶半導(dǎo)體層可以是有應(yīng)變的，也可以是沒有應(yīng)變的。為了提高轉(zhuǎn)換效率和調(diào)控激光的波長。
在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一端設(shè)有低反射鏡13，另一端設(shè)有一高反射鏡14，高反射鏡14外側(cè)還附有一散熱基片15。以高反射鏡14、低反射鏡13中的一個作為襯底。
參照圖2，電子槍系統(tǒng)2包括一真空腔室20，自真空腔室20 —端向另一端依次排布有電子槍21、電學(xué)控制機(jī)構(gòu)22、電磁聚焦機(jī)構(gòu)23、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24、諧振腔I。電子槍21發(fā)出的電子束依次經(jīng)過電學(xué)控制機(jī)構(gòu)22、電磁聚焦機(jī)構(gòu)23、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24,形成呈現(xiàn)掃描狀態(tài)的高能電子束，打入諧振腔1，為激光發(fā)射提供能量。
高能電子束攜帶的能量可以使它穿過作為靶的諧振腔I的表面到達(dá)能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層。高能電子束會把能量傳遞給半導(dǎo)體材質(zhì)中的束縛電子，從而產(chǎn)生自由的電子一空穴對。在半導(dǎo)體材質(zhì)結(jié)構(gòu)比較完整的情況下，這樣產(chǎn)生出的自由電子一空穴對將復(fù)合而產(chǎn)生光子。在低反射鏡13、高反射鏡14和散熱基片15構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，這些產(chǎn)生出來的光子會被篩選，滿足特定條件的光子會被保留在諧振腔I內(nèi)，不滿足條件的光子被散射出諧振腔I。滿足特定條件的光子在諧振腔I中反復(fù)反射，從而使更多的電子一空穴對復(fù)合而產(chǎn)生出更多的光子，由此達(dá)成受激輻射，形成激光。
電子槍21設(shè)有發(fā)射電子的陰極，陰極可以是金屬、氧化物、各種納米管等材料構(gòu)成的陰極。電學(xué)控制機(jī)構(gòu)22可以為一高壓電加速機(jī)構(gòu)，用于將電子束加速，提高能量。
電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24連接有用于一掃描控制系統(tǒng)，掃描控制系統(tǒng)控制電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24,進(jìn)而通過電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)24控制電子束的發(fā)射方向，進(jìn)而使電子束打在諧振腔I的不同位置，使諧振腔I中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不同位置發(fā)射激光，避免半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)因?yàn)橐粋€位置長時間發(fā)射激光而造成過熱。
諧振腔I的低反射鏡13、高反射鏡14的鏡面可以是由多層氧化物介質(zhì)膜構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡或是高反射低吸收的金屬膜組成。
散熱基片15下方設(shè)有一散熱底座3，散熱底座3連接一循環(huán)冷卻系統(tǒng)26，循環(huán)冷卻系統(tǒng)26包括散熱管、熱交換系統(tǒng)、冷卻液，散熱管埋設(shè)在散熱底座3內(nèi)。冷卻液設(shè)置在散熱管內(nèi)，熱交換系統(tǒng)連接散熱管的入口和出口。冷卻液通過散熱管流經(jīng)散熱底座3，散熱底座3被冷卻，進(jìn)而諧振腔I被冷卻，冷卻液溫度上升，升溫的冷卻液從出口離開周邊散熱管， 從而進(jìn)入熱交換系統(tǒng)，進(jìn)行冷卻和冷卻液重新循環(huán)。
冷卻液采用絕緣、透明的冷卻液。以便諧振腔I冷卻系統(tǒng)26隔離高電壓，省去了其他電隔離系統(tǒng)的設(shè)置。冷卻液可以采用介質(zhì)冷卻液，如3M公司制造的Fluorinert,也可以采用全氟液體或其他非導(dǎo)電流體。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.轉(zhuǎn)換效率高。由于本發(fā)明使用了不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，在導(dǎo)帶和價帶上都形成了勢能阱。這個勢能阱中能量狀態(tài)比較集中，掉入勢能阱中的電子和空穴收到限制， 有利于發(fā)光。
2.發(fā)光波長可調(diào)。勢能阱中的能量狀態(tài)與勢能阱的具體形狀有緊密的聯(lián)系。通過調(diào)整勢能阱的寬度和高度，可以調(diào)節(jié)勢能阱中能級的高低。而發(fā)光的波長與勢能阱中的能級有直接的聯(lián)系。所以通過調(diào)節(jié)勢能阱的形狀就可以調(diào)節(jié)發(fā)光的波長。通過選擇不同的材料和結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)光波長可以涵蓋遠(yuǎn)紅外到深紫外。
3.不需要摻雜。寬禁帶半導(dǎo)體摻雜非常困難，這也是紫外激光難以用傳統(tǒng)的激光二極管方式實(shí)現(xiàn)的主要原因。本發(fā)明從根本上避開了摻雜問題，從而使制作高效率、大功率的紫外激光器成為可能。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.反射式電子束泵浦紫外激光管包括一激勵源、諧振腔，諧振腔生成在一襯底上，其特征在于，所述激勵源采用一電子槍系統(tǒng)； 所述諧振腔設(shè)置在所述電子槍系統(tǒng)的靶向方向上； 所述諧振腔內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生成在所述襯底上，所述襯底上設(shè)有一層高禁帶半導(dǎo)體層，所述高禁帶半導(dǎo)體層上生長有另一層禁帶寬度不同的高禁帶半導(dǎo)體層；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一端設(shè)有高反射鏡，另一端設(shè)有一低反射鏡； 所述電子槍系統(tǒng)包括一真空腔室，自所述真空腔室一端向另一端依次排布有電子槍、電學(xué)控制機(jī)構(gòu)、電磁聚焦機(jī)構(gòu)、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)、諧振腔、激光出射口 ； 所述激光出射口位于所述真空腔室側(cè)面，所述諧振腔的所述高反射鏡的反射方向朝向所述激光出射口； 所述電子槍發(fā)出的電子束依次經(jīng)過電學(xué)控制機(jī)構(gòu)、電磁聚焦機(jī)構(gòu)、電磁偏轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，形成呈現(xiàn)掃描狀態(tài)的高能電子束，打入所述諧振腔，為激光發(fā)射提供能量；激光經(jīng)過所述高反射鏡反射后，通過所述激光出射口射出； 所述高反射鏡外側(cè)還設(shè)有一散熱基片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的反射式電子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括至少兩種不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，且包含至少三層所述高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層為不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射式電子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括兩種不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，且包含至少兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層，相鄰的兩層所述高禁帶半導(dǎo)體層為不同材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層，即，兩種材質(zhì)的所述高禁帶半導(dǎo)體層交替排列構(gòu)成層疊式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式電子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中包括一層III-V族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式電子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中包括一層II-VI族半導(dǎo)體材質(zhì)的高禁帶半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的反射式電子束泵浦紫外激光管，其特征在于所述散熱基片下方設(shè)有一散熱底座，所述散熱底座連接一循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括散熱管、熱交換系統(tǒng)、冷卻液，所述散熱管埋設(shè)在所述散熱底座內(nèi)；所述冷卻液設(shè)置在所述散熱管內(nèi)，所述熱交換系統(tǒng)連接所述散熱管的入口和出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體激光器。反射式電子束泵浦紫外激光管包括一激勵源、諧振腔，諧振腔生成在一襯底上，激勵源采用一電子槍系統(tǒng)；諧振腔設(shè)置在電子槍系統(tǒng)的靶向方向上；諧振腔內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生成在襯底上，襯底上設(shè)有一層高禁帶半導(dǎo)體層，高禁帶半導(dǎo)體層上生長有另一層禁帶寬度不同的高禁帶半導(dǎo)體層；半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一端設(shè)有高反射鏡，另一端設(shè)有一低反射鏡；電子槍系統(tǒng)包括一真空腔室，激光出射口位于真空腔室側(cè)面，諧振腔的高反射鏡的反射方向朝向激光出射口。激光經(jīng)過高反射鏡反射后，通過激光出射口射出。
文檔編號H01S5/34GK102983494SQ20121042812
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者張學(xué)淵, 鐘偉杰, 趙健, 夏忠平 申請人:上海顯恒光電科技股份有限公司