大功率半导体激光器发展及相关技术概述

激光被称为"最快的刀"、"最准的尺"、"最亮的光",与原子能、计算机、半导体并称为20世纪新四大发明。大功率半导体激光器在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用。如何实现大功率半导体激光光源,一直以来都是国际的研究前沿和学科热点。为此,简述了大功率半导体激光器的发展历史,综述了大功率半导体激光器的共用技术,包括大功率芯片技术和大功率合束技术,并对大功率半导体激光的发展方向进行了展望。     

基于拉曼光谱技术的光栅耦合结构半导体激光器的可靠性分析

光栅耦合结构的半导体激光器在自由空间光通信、卫星间通信、激光雷达测距、大气环境检测以及医学成像等领域有着广泛的应用前景。为了分析光栅耦合结构的半导体激光器的可靠性,本文基于拉曼光谱技术,对光栅耦合结构的半导体激光器在不同的制备阶段及其成品进行了检测。我们发现,对于未进行任何工艺加工的半导体激光器芯片,GaAs纵向(LO)光学光子模式的振动强而横向(TO)光学光子模式的振动弱;当在GaAs芯片表面生长一层SiO₂膜后,LO模式向长波数方向移动,强度没有变化。当在生长SiO₂膜的GaAs芯片上刻蚀100 μm的台面后,GaAs的LO模式的振动减弱而TO模式的振动加强,且峰出现宽化现象;在100 μm的台面上刻蚀光栅后,GaAs的LO模式的振动继续减弱而TO模式的变得更强,这说明在光栅耦合激光器的制备工艺过程中引入了缺陷。通过与无光栅的半导体激光器进行对比测试,光栅耦合结构半导体激光器无论出光面上有无缺陷,其拉曼光谱均有缺陷峰存在,进一步证明了在光栅结构的制备过程中,引入了应变或者缺陷,对其可靠性产生了影响,导致光栅耦合结构的半导体激光器可靠性降低。     

宽面积垂直腔半导体光放大器

在反射模式下,对于970 nm宽面积垂直腔半导体光放大器(VCSOA)的增益和带宽特性进行了实验研究和分析。当注入电流为57％阈值电流、信号输入功率为0.7 W,取得了24.8 dB的放大,测得的放大器的带宽为0.14 nm。实验中测量的增益值大于理论计算值,这是由于宽面积垂直腔光放大器内存在多个横向模式,每个模式都有相应的放大,所以总的增益大于理论计算的某个模式的增益。这种宽面积垂直腔光放大器不仅可以提高增益,而且还能提高信号光的饱和输入功率。对970 nm宽面积VCSOA的结构进行了优化设计,模拟结果表明,要提高半导体激光器的增益和带宽,可以通过适当降低垂直腔面发射激光器的上DBR的反射率来获得。     

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。     

基于组合赋权TOPSIS模型的物流配送中心选址研究

物流的发展离不开配送中心的建设,配送中心建设的首要问题是选址,通过分析影响物流配送中心选址的各种因素,建立了包括自然条件、经营环境、基础设施、成本因素等因素的配送中心选址指标体系.采用层次分析法(AHP)和熵值法组合确定各指标的权重,依据逼近理想解排序(TOPSIS)法的基本思路,建立物流配送中心选址模型.通过对物流配送中心进行选址的实例研究,证明方法的有效性并选出最优方案.     

布拉格反射波导激光器的光谱特性（英文）

设计并制备了基于双边非1/4波长布拉格反射波导的边发射半导体激光器,中心腔采用低折射率材料,在垂直方向利用布拉格反射进行光限制,实现了超大光斑尺寸且稳定单横模工作。10μm条宽、未镀膜的脊型激光器在准连续和连续工作方式下的总的输出功率分别超过了170 mW和80 mW,且最高功率受热扰动限制。激光器远场图案在垂直方向为双瓣状,单瓣垂直方向和水平方向发散角分别低至7.85°和6.7°。激射谱半高全宽仅为0.052 nm,光谱包络存在周期性调制现象,模式间隔约为3.3 nm。电流增加到300 mA以上时,激光器出现模式跳变。     

大功率垂直腔面发射激光器中减小p-DBR串联电阻的途径

为了使垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现大功率、高效率的激光输出,对p型分布布喇格反射镜(DBR)形成的同型异质结在界面处存在大势垒导致的高串联电阻和严重发热现象进行了研究。为降低串联电阻,实现VCSEL在室温下的大功率连续发射,分析了p型DBR异质结的势垒结构,对突变异质结的串联电阻进行了计算分析,提出降低势垒高度以及增加扩散浓度是减小串联电阻的主要途径,而漏斗状的掺杂能有效降低体电阻;通过对梯度渐变异质结的分析得出缓变结能有效降低势垒高度;而用Matlab对能带图的数值分析表明,Al_0.1Ga_0.9As/AlAs接触层中Al组分采取双曲线形式的渐变也能有效降低势垒高度,即降低串联电阻;此外,对于渐变区缓变结的比较表明,采用20~25 nm的渐变区宽度即可以得到比较低的势垒高度,同时也不会对DBR的反射率有太大的影响,是较合适的选择。     

光抽运垂直扩展腔面发射激光器腔内倍频理论研究

建立了计入光波在非线性晶体中走离和相位失配情况下的光泵面发射激光器腔内倍频的速率方程理论模型,采用循环数值逼近的方法对该速率方程进行求解.以BBO,LBO,PPLN等非线性晶体为例,研究了晶体长度以及抽运功率等因素对倍频输出功率的影响,模拟结果与实验结果符合得较好. 关键词： 光抽运 垂直扩展腔面发射激光器 腔内倍频 数值模拟     

一种基于热补偿电流的大功率VCSEL模型

基于激光速率方程并加入了热补偿电流,建立了一种用于分析大功率垂直腔面发射激光器(VCSELs)输出特性(P-I)的模型。先测得已知温度下的P-I特性,根据实验数据,利用阈值电流和温度的关系和Gao等人的方法得到a参数和其它参数。把所得参数代入模型,可以获得所需温度下的P-I特性。从模拟结果可以看出,不同温度下,模拟结果与实验结果吻合的非常好,而不考虑热补偿电流时差别很大,从而证明了该激光器模型的有效性;同时,从有源区温度和电流关系曲线可以看出,有源区随着电流增加温升很快,进一步证实了我们研究温度影响的重要性。     

面发射分布反馈半导体激光器及光栅耦合半导体激光器

阐述了以曲线光栅面发射分布反馈半导体激光器（SEDFB）为代表的SE—DFB器件的原理和结构,讨论了它们的性能和特点并与其他类型的半导体激光器进行了比较。指出依靠曲线光栅特殊的衍射特性,可实现对模式的控制和二维漏模耦合阵列化出光,得到窄线宽（典型值0．08nm）、小发散角（典型值0．5mrad）、高亮度（单管近衍射极限3W（CW））和大功率（单管最高73w,列阵为kW级）的激光。综述了SE—DFB的发展历程、现状及未来的发展趋势,强调由于曲线光栅耦合SE—DFB激光器兼具边发射和面发射器件的优势和诸多其他优秀性能,将其应用于不同材料体系,不同结构的半导体激光器及其阵列,制作不同波段的高功率、高光束质量的SEDFB器件会有很好的研究意义和应用前景。