808 nm半导体激光芯片波导优化与效率特性分析

对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化,研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块,并研究了两种器件在-10～90℃范围内的效率特性。结果显示,温度由-10℃升高到90℃,COS单管的载流子泄漏占比由1.18%增加到16.67%,光纤耦合模块的载流子泄漏占比由1.99%增加到17.73%,表明温升引起的载流子泄漏加剧是导致电光转换效率降低的主要因素。此外,还研究了高温老炼、热真空、空间辐照对光纤耦合模块电光转换效率的影响,并揭示了导致器件电光转换效率降低的内在因素。     

808 nm高占空比大功率半导体激光器阵列

 采用渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构,通过降低非辐射复合、有源层载流子泄露、散射和吸收损耗来提高出射效率和降低激光阈值电流,从而提高半导体激光器阵列的输出功率;同时使P面具有更高的粒子掺杂数密度,优化N面合金条件,降低半导体激光器的串联电阻,降低焦耳热,提高了半导体激光器阵列的转换效率。利用金属有机化学气相淀积技术生长GaInAsP/InGaP/AlGaAs渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构激光器材料,利用该材料制成半导体激光线阵列在20%高占空比的输入电流下,半导体激光器的输出峰值功率达到189.64 W(180 A),斜率效率为1.1 W/A,中心波长为805.0 nm,阈值电流为7.6 A,电光转换效率最高可达55.4%;在1%占空比的输入电流下,阵列的输出峰值功率可达324.9 W(300 A),斜率效率为1.11 W/A,阈值电流为7.8 A,电光转化效率最高达55.6%,中心波长为804.5 nm。     

12 W高功率高可靠性915 nm半导体激光器设计与制作

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件,为了最大限度地提高器件的电光转换效率,在设计上采用双非对称大光腔波导结构,同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明,在25℃环境温度下,器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长,随后制备了发光区域宽度为95μm、腔长为4.8 mm的激光芯片。测试表明,封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平,在室温下阈值电流为1 A,斜率效率为1.18 W/A,最高电光转换效率达66.5%,输出功率12 W时,电光转换效率达到64.3%,测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试,器件功率没有出现衰减,表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。     

低温808nm高效率半导体激光器

为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性,深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑,从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象,提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应的量子阱结构设计方法,包括势垒层的材料组分、厚度等重要参数的优化,极大地改善了器件在低温工作环境下的性能。采用优化后的外延结构,制备了腔长2 mm的半导体激光巴条。在工作温度-50℃、注入电流为600 A时,巴条输出功率达到799 W,电光转换效率为71%,斜率效率为1.34 W/A;注入电流为400 A时,器件达到最高电光转换效率73.5%,此时的载流子限制效率约为99%,串联电阻为0.43 mΩ;在-60～60℃温度范围内,中心波长随温度的漂移系数为0.248 nm/℃。     

808nm半导体激光芯片电光转换效率的温度特性机理研究

提高808 nm大功率半导体激光器电光转换效率具有重要的学术意义和商业价值,是实现器件小型化、轻量化、高可靠性的必要前提.本文以腔长1.5 mm的传导冷却封装808 nm半导体激光阵列为研究对象,在热沉温度-40—25?C范围内对其进行光电特性测试,对不同温度下电光转换效率的影响因子进行了实验研究和理论分析.结果表明:在-40?C环境温度下,最高电光转换效率从室温25?C时的56.7%提高至66.8%,内量子效率高达96.3%,载流子泄漏损耗的占比贡献由16.6%下降至3.1%.该研究对实现808 nm高效率半导体激光芯片的自主研发具有重要意义.     

大功率780 nm半导体激光器的设计与制备

设计并制备了一款780 nm半导体激光器,并进行了外腔反馈锁模研究。利用金属有机化学气相沉积技术制备了激光器外延层,采用GaAsP/GaInP作为量子阱/波导层有源区,限制层采用低折射率AlGaInP材料。采用超高真空解理钝化技术,在激光器腔面蒸镀无定形ZnSe钝化层。未钝化器件在输出功率2.5 W时发生腔面灾变损伤（COD）,钝化后器件未发生COD现象,电流在10 A时输出功率10.1 W,电光转换效率54%。体布拉格光栅（VBG）外腔锁定前后,器件的光谱半峰全宽分别为2.6 nm和0.06 nm,VBG变温调控波长范围约230 pm。     

大功率780 nm单管连续输出16 W和巴条连续输出180 W半导体激光器

设计并制备了780 nm大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构,分别使用GaAsP和GaInP作为量子阱和波导层,限制层是具有高带隙的AlGaInP材料。量子阱与波导层带隙0.15 eV,波导层与限制层带隙0.28 eV,抑制了载流子泄露。1.55μm厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模,同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值,利用超高真空解理和钝化技术,在腔面上沉积了非晶ZnSe钝化层。条宽150μm、腔长4 mm的单管器件,在电流为15 A时,输出连续功率16.3 W未出现COD现象,斜率效率达到1.27 W/A,电光转换效率为58%,慢轴发散角9.9°,光谱半高宽为1.81 nm。填充因子为40%的厘米巴条,在192 A下实现连续输出功率180 W,电光转换效率为50.7%,光谱宽度仅为2.2 nm。     

非对称结构大功率940nm量子阱激光器

为改善940 nm大功率InGaAs/GaAs半导体激光器输出特性,通过模拟计算了非对称波导层及限制层结构的光场分布,并参照模拟制作了非对称结构半导体激光器器件。采用低压金属有机物气相沉积(LP-MOCVD)生长技术,获得了低内吸收系数的高质量外延材料,通过实验数据计算得到激光器材料内吸收系数仅为0.44mm~(-1)。进而通过管芯工艺制作了条宽100μm、腔长2000μm的940 nm半导体激光器器件。25℃室温10 A直流连续(CW)测试镀膜后器件阈值电流251 mA,斜率效率1.22 W/A,最大输出功率达到9.6 W,最大光电转化效率超过70%。     

高性能9xx nm大功率半导体激光器（英文）

为了改善9xx nm高功率半导体激光器的性能,对n包层和p包层的掺杂分布进行了调整,以减小激光器的内部损耗。同时为了减小有源区载流子的泄漏,在有源区和波导层之间引入了高能量带隙GaAsP。设计并制作了内部损耗为1.25 cm-1的高功率激光器。器件可靠性工作的最大输出功率为26.5 W。当输出功率为10.5 W时,最大电光功率转换效率为72.4%,斜率效率为1.16 W/A。     

808 nm大功率半导体激光器阵列的优化设计

 采用激射波长为808 nm的GaAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制单量子阱结构外延片,制备了沟道深度不同的半导体激光器阵列,并对载流子分布进行理论分析和模拟。理论和实验结果表明：引入脊形台面和隔离沟道后,激光器阵列的输出功率、电光转换效率、斜率效率和光谱特性均有显著提高。随着沟道的加深,对电流侧向扩散的限制作用增强,从而提高了阵列性能。     

980nm半导体激光器n型波导结构优化

为了提高980nm半导体激光器的输出功率并获得较小的远场发散角,在非对称波导结构的基础上设计了n型波导结构,即在n型波导中引入高折射率的内波导层。采用理论计算和SimLastip软件模拟对常规非对称波导结构和内波导结构进行了研究。利用分子束外延系统生长980nm内波导结构的外延材料,并制作了激光器。对于条宽为100μm、腔长为1000μm的器件,阈值电流为97mA,斜率效率为1.01W/A;当注入电流为500mA时,远场发散角为29°(垂直向)×8°(水平向),与模拟结果相符。理论计算和实验结果表明:较之于常规非对称波导结构,内波导结构可有效降低光场限制因子,提高输出功率,减小远场发散角。     

非对称波导结构提高980nm激光二极管电光效率的机理研究

采用高电流注入条件下的载流子扩散方程和复折射率波导模型情况下的亥姆霍兹方程,对980nm高功率激光二极管外延材料的非对称和对称波导结构的光吸收损耗进行了理论计算。采用低压金属有机化学气相外延技术制备了两种波导结构的外延材料,并制作了激光器件,进行了光电特性测试和对比分析。理论计算和实验结果表明:与对称波导结构相比,非对称波导结构外延材料并未减小光吸收损耗,而是减小了串联电阻,因而降低了器件的焦耳热损耗,从而提高器件的电光效率。     

不同泵浦光下Nd:GdVO4晶体输出特性

为研究808 nm和879 nm两种泵浦光对Nd:GdVO4晶体激光输出特性的影响,并比较两种不同波长泵浦所得连续输出光的效率高低,分析了Nd:GdVO4晶体的能级结构和两种泵浦光作用下的激光输出特性,发现在879 nm也有较强的吸收峰.用808 nm和879 nm两种不同波长泵浦Nd:GdVO4晶体的过程是不同的,808 nm泵浦是一种间接方式能量转移的过程,在此过程中有明显的热负载产生.而879 nm泵浦是将粒子直接激励到激光辐射上能级,降低无辐射弛豫过程产生的热量.从理论上可知,879 nm的泵浦量子效率要高于808 nm的泵浦量子效率,对减少晶体的热产生有很强的优势.实验中采用激光二极管端面泵浦Nd:GdVO4晶体直腔方案,研究了两种不同泵浦光泵浦Nd:GdVO4晶体以获得1 063 nm的连续光,得到了两种光抽运时的斜效率,发现在同样实验条件下,879 nm泵浦的输出光斜效率在小功率泵浦时略高于808 nm|而在大功率泵浦的情况下明显高于808 nm,最高达到38%.同时,在808 nm抽运时,实验上获得了1 341 nm波长的激光,为光通讯的应用提供了一种光源.     

All-Solid-State Nd:YAG Laser Operating at 1064nm and 1319nm under 885nm Thermally Boosted Pumping

We report a high-effciency Nd：YAG laser operating at 1064 nm and 1319nm, respectively, thermally boosted pumped by an all-solid-state Q-switched Ti：sapphire laser at 885 nm. The maximum outputs of 825.4 m W and 459.4mW, at 1064nm and 1319nm respectively, are obtained in a 8-ram-thick 1.1 at.% Nd：YAG crystal with 2.1 W of incident pump power at 885nm, leading to a high slope efficiency with respect to the absorbed pump power of 68.5% and 42.0%. Comparative results obtained by the traditional pumping at 808nm are presented, showing that the slope efficiency and the threshold with respect to the absorbed pump power at 1064nm under the 885nm pumping are 12.2% higher and 7.3% lower than those of 808rim pumping. At 1319nm, the slope efficiency and the threshold with respect to the absorbed pump power under 885nm pumping are 9.9% higher and 3.5% lower than those of 808 nm pumping. The heat generation operating at 1064 nm and 1319 nm is reduced by 19.8% and 11.1%, respectively.     

MOCVD growth of A1GaInP/GaInP quantum well laser diode with asymmetric cladding structure for high power applications

In order to improve the characteristics of the general broad-waveguide 808-nm semiconductor laser diode （LD）, we design a new type quantum well LD with an asymmetric cladding structure. The structure is grown by metal organic chemical vapor deposition （MOCVD）. For the devices with 100-ttm-wide stripe and 1000-/zm-long cavity under continuous-wave （CW） operation condition, the typical threshold current is 190 mA, the slope efficiency is 1.31 W/A, the wall-plug efficiency reaches 63%, and the maximum output power reaches higher than 7 W. And the internal absorption value decreases to 1.5 cm^-1.     

2 kW半导体激光加工光源

针对激光加工在金属材料焊接、熔覆、表面硬化等工业领域的应用,考虑到半导体激光器体积和重量小、效率高、免维护、成本低以及波长较短等特点,设计了功率达2 kW的半导体激光加工光源。在大通道工业水冷条件下,采用48只出射波长分别为808,880,938,976 nm的传导冷却半导体激光阵列作为发光单元,最终研制出了2 218 W高亮度光纤耦合模块。此高亮度模块可以实现柔性加工,直接应用于金属材料焊接、熔覆、表面合金化等工业领域,对于半导体激光器在工业领域的应用具有重要意义。     

High-efficiency Nd:GdVO4 laser at 1341 nm under 880 nm diode laser pumping into the emitting level

Highly efficient 1341 nm continuous-wave laser under 880 nm diode laser pumping in Nd:GdVO₄ crystal is reported. Comparative results obtained by the traditional pumping at 808 nm were presented, showing that the slope efficiency and the threshold with respect to the absorbed pump power under 880 nm pumping was 34.9% higher and 12.6% lower than those of 808 nm pumping. A high slope efficiency of 49.1% was achieved under 880 nm pumping, with an optical-to-optical conversion efficiency of 41.7%.