[发明专利]用于激光器应用的使用GAN衬底的光学装置结构

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年4月13日提交的美国序列号第61/168,926号(代理人案号027600-000200US)和2009年9月17日提交的美国序列号第61/243,502号(代理人案号027600-001300US)的优先权，每篇文献都是共同受让的，并结合于此以供参考。

技术领域

本发明涉及光学装置和相关方法。更具体地，本发明提供一种利用非极性含镓衬底(例如，GaN、MN、InN、InGaN、AlGaN、AlInGaN，等等)发射电磁辐射的方法和装置。仅通过实例，本发明可应用于光学装置、激光器、发光二极管、太阳能电池、光电化学分解水制氢、光检测器、集成电路、晶体管、以及其它装置。

背景技术

在19世纪末期，托马斯爱迪生发明了灯泡。传统灯泡(通常叫做“爱迪生灯泡”)已经在包括照明和显示的多种应用场合中使用了100多年。传统灯泡使用封闭在密封于底座中的玻璃灯泡中的钨丝，底座被拧入插口中。插口与AC电源或DC电源接合。一般地，可在住宅、建筑物、户外照明、以及其它需要光或显示的区域中找到传统灯泡。遗憾地，传统的爱迪生灯泡存在一些缺点：

·传统灯泡效率低。用于传统灯泡的能量中超过90％的能量作为热能而不是作为光能而消散。

·传统灯泡并不像其应该的那样可靠，经常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而出现故障。

·传统灯泡在较宽的光谱范围内发光，其中大部分光谱并不会产生明亮的照明，并且，由于人眼的光谱敏感性，并不会察觉到大部分光谱。

·传统灯泡在所有方向上发光，并且，对于需要强方向性或聚焦的应用场合(例如，投影仪、光学数据存储或专用照明)并不理想。

在1960年，Theodore H.Maiman在Malibu的Hughes(休斯)研究实验室中首先展示了激光器。此激光器利用固态闪光灯泵浦(pumped)人造红宝石晶体产生694nm的红色激光。直到1964年，William Bridges在Hughes Aircraft利用叫做氩离子激光器的气体激光器设计展示了蓝色和绿色激光输出。氩离子激光器利用惰性气体作为激活媒质，并产生包括351nm、454.6nm、457.9nm、465.8nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、501.7nm、514.5nm和528.7nm的UV、蓝色和绿色波长范围内的激光输出。氩离子激光器具有用窄光谱输出产生高度定向且聚焦的光的益处，但是，这些激光器的效率、尺寸、重量和成本并不令人满意。

随着激光技术的发展，开发出对于红色和红外波长的更有效的灯泵浦固态激光器设计，但是，这些技术对于蓝色和绿色激光器以及蓝色激光器仍存在挑战。结果，在红外区中开发出了灯泵浦固态激光器，并且，利用具有非线性光学特征的专用晶体将输出波长转换成可见光。绿色灯泵浦固态激光器具有3个阶段：对灯供电，灯激励发出1064nm激光的增益晶体，1064nm进入转换成532nm可见光的频率转换晶体。所得到的绿色和蓝色激光器叫做“具有二次谐波产生的灯泵浦固态激光器”(具有SHG的LPSS)，并且，比氩离子气体激光器更有效，但是，在专业科学和医疗应用场合之外的广泛应用中仍然效率低、巨大、昂贵、易碎。另外，在固态激光器中使用的增益晶体典型地具有能量储存特性，这使得激光器难以在高速下调制，从而限制了更广泛的应用。

为了提高这些可见光激光器的效率，利用了高功率二极管(或半导体)激光器。这些“具有SHG的二极管泵浦固态激光器”(具有SHG的DPSS)具有3个阶段：对808nm的二极管激光器供电，808nm激励发出1064nm激光的增益晶体，1064nm进入转换成532nm可见光的频率转换晶体。DPSS激光器技术延长了LPSS激光器的使用寿命并提高了其效率，并由此在更高端的专门的工业、医疗和科学应用场合中进一步商业化。然而，对二极管泵浦的改变增加了系统成本并需要精确的温度控制，使得激光器具有非常大的尺寸和功率消耗。然而，该技术并未解决能量储存特性，使得激光器难以在高速下调制。