高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

 高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

AlInGaAs垂直谐振腔顶面发射半导体激光器横向温度效应的解析热模型及其表征

依据增益导波垂直谐振腔顶面发射半导体激光器热区特点与室温连续波运行条件建立了一个优化的全解析热模型，对AlInGaAs/AlGaAs垂直谐振腔激光器的横向温度效应进行了详细的解析计算分析，其完全的解析表达展示了更加清晰的横向热场物理图像，对于器件内部热场变化规律的理论预期与实验结果完全符合. 该解析模型及其结果对于研究热稳态下的垂直谐振腔激光器热动力学特性，优化器件结构和控制激光器的阈值电流与功率温度饱和效应，特别是二维面阵器件中的横向热叠加效应提供了一个有用的工具. 关键词： 半导体面发射激光器 热效应 解析计算模型.     

二极管端面抽运的固体激光放大器自身热透镜焦距测量

通过分析激光经过热透镜后光束半径的变化，提出了利用放大器测量热透镜焦距的方法.根据激光束传输与变换理论，得到了热透镜焦距的表达式，并分析了其前提条件和近似偏差.最后，基于上述理论分析，测量了激光二极管端面抽运Tm,Ho∶GdVO₄放大器的热透镜焦距. 关键词： 热透镜焦距 固体激光 激光束传输与变换     

光注入和光电反馈联合作用下垂直腔表面 发射激光器的动力学特性研究

基于自旋反转模型, 研究了垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 在光注入和光电反馈共同作用下的动力学特性. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL光注入的副VCSEL, 在同时存在光电正反馈时, 其输出的两个线偏振模式(X和Y偏振模) 可呈现周期、 倍周期、 多周期、 混沌等丰富的动力学状态, 且两偏振模动力学态的演化路径存在差异. 各动力学状态在由反馈强度f与注入强度η 所构成的参数空间的分布区域随着主、 副VCSEL 的频率失谐Δν(Δν=ν_m-ν_s, ν_m, ν_s 分别为主、 副VCSEL自由运行时的振荡频率) 的变化而发生改变. 当Δν为正失谐时, 呈现混沌的区域相比零失谐和负失谐时有明显的扩展, 即副VCSEL能在更大的参数范围内实现混沌输出. 对于特定的频率失谐, 分析了光电正反馈强度f和光注入强度η对混沌输出带宽的影响. 通过合理选择反馈强度以及注入强度, 可使副VCSEL混沌输出带宽显著增加.     

Investigation of the mode splitting induced by electro-optic birefringence in a vertical-cavity surface-emitting laser by polarized electroluminescence

The mode splitting induced by electro-optic birefringence in a P-I-N InGaAs/GaAs/A1GaAs vertical-cavity surface- emitting laser （VCSEL） has been studied by polarized electroluminescence （EL） at room temperature. The polarized EL spectra with E｜｜[110] and E ｜｜ [150] directions, are extracted for different injected currents. The mode splitting of the two orthogonal polarized modes for a VCSEL device is determined, and its value increases linearly with the increasing injected current due to electro-optic birefringence; This article demonstrates that the polarized EL is a powerful tool to study the mode splitting and polarization anisotropy of a VCSEL device.     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

Modal behavior of photonic-crystal vertical-cavity surface-emitting diode laser analyzed with Plane Wave Admittance Method

A three-dimensional, full vectorial model has been applied for investigation the modal characteristics of a phosphide photonic-crystal vertical-cavity surface-emitting diode laser. The photonic crystal has been defined as a regular, hexagonal net of holes, etched in the upper, p-type Distributed Bragg Reflector of the laser. The electromagnetic field has been confined to the active region by a single defect of the photonic crystal providing overlapping with carriers funneled by a tunnel junction. We have determined the range of design parameters, which provide single mode operation.     

固体激光器热透镜效应的调控

利用工作腔的热透镜模型, 分析了有激光发射下固体激光器的谐振腔配置对热透镜效应和稳定区的影响, 论述了通过改变谐振腔配置调控热效应的可行性.实验上, 使用一台Nd: YAG激光器对理论作了验证, 实现了对热透镜光焦度及稳定区分布的调控.     

基于外光注入互耦合垂直腔面发射激光器的混沌随机特性研究

通过在互耦合垂直腔面发射激光器(VCSELs)系统中增加外光注入, 建立了一种基于偏振可调光反馈VCSEL驱动互耦合VCSELs混沌系统模型, 分析了增加外光驱动对互耦合激光器随机特性的影响. 以不可预测度作为随机特性的评价指标, 采用信息论中的排列熵作为相应量化工具, 对系统输出混沌信号的不可预测性进行定量分析.数值研究了光强度、时延、偏振旋转角度以及驱动激光器与耦合激光器间的频率失谐对输出信号随机特性的影响.结果表明: 外光注入能够增大互耦合VCSELs输出混沌信号的排列熵, 即外光注入能够有效提高耦合系统的随机特性; 驱动激光器可调偏振片偏转角度调节到45° 附近, 注入强度适中, 满足耦合强度大于驱动激光器自反馈强度条件, 系统输出信号的排列熵较大; 在耦合时延与驱动激光器反馈时延不相等的同时, 增加驱动激光器与耦合激光器频率失谐, 外光注入互耦合VCSELs的随机特性能够得到进一步提高.     

各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器的矢量偏振模转换机理

数值研究了各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器(VCSEL)的矢量偏振模转换机理,研究结果表明,首先,当注入电流接近阈值电流时,由VCSEL的外部参数和偏振器控制的光反馈注入量中各偏振模的能量决定VCSEL 输出的偏振态.其次,由偏振器控制的各向异性光反馈注入引起的VCSEL输出偏振态呈周期性变化.另外,当由偏振器控制的反馈注入量中的x^偏振和y^偏振模能量相当时, x^偏振模和y^偏振模之间竞争激烈,而激光器外部微小的扰动都会打破这两种偏振模竞争 关键词： 各向异性光反馈 垂直表面发射激光器 矢量偏振模     

基于双光注入锁定1550 nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波

基于自旋反转模型, 对双光注入下1550 nm 垂直腔表面发射半导体激光器(1550 nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究. 结果表明: 当一个中心波长位于1550 nm 的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs (M-VCSELs)的光注入时, 在适当的注入条件下, S-VCSEL可处于双光注入锁定态. 此时, S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡, 输出的光谱仅包含两个主频率部分, 即光谱具有单边带特征. 因此, 基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波. 通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调, 通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 双光注入 毫米波 调制深度     

光电负反馈下垂直腔表面发射激光器偏振开关特性研究

基于扩展的自旋反转模型, 对光电负反馈下垂直腔表面发射激光器的偏振开关特性进行了数值仿真和理论分析. 研究结果表明: 对于不同的自旋反转率, 反馈强度和延迟时间对激光器偏振开关特性产生较大影响.在慢自旋反转率下运行时, 随着反馈强度的增加, 开关点电流呈线性增加, 导致X偏振模被压缩, 这与报道的基于各向同性光反馈的情景相反, 产生这一现象的原因是由于光电负反馈提高了X偏振模的阈值; 延迟时间对开关点电流的影响随反馈强度的变化而不同.在快自旋反转率下运行时, 反馈强度对开关点电流的影响与慢自旋反转率时的情形不同, 开关点电流经历先增加后减小的过程, 开关点电流受反馈强度的影响更加敏感; 而延迟时间的影响规律和慢自旋反转率时相似. 此外, 还发现自发辐射噪声对激光器偏振开关特性有较大影响. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 偏振开关 光电负反馈 自发辐射噪声     

混沌光注入垂直腔面发射激光器混沌输出的时延和带宽特性

提出并仿真论证了利用一个双光反馈垂直腔面发射激光器(定义为主VCSEL,M-VCSEL)产生的混沌光平行单向注入到另一个VCSEL(定义为副VCSEL,S-VCSEL)使所产生的混沌信号的延时特征(TDS)和带宽特性得以优化的技术方案.首先,基于VCSELs自旋反转模型,结合自相关分析方法,通过对系统参量进行优化,可使双光反馈M-VCSEL的X偏振分量(X-PC)和Y偏振分量(Y-PC)均输出混沌信号,且两路混沌信号的平均强度相当、TDS均较弱;在此基础上,将双光反馈M-VCSEL在优化条件下得到的混沌信号平行单向注入到S-VCSEL中,以获得两路TDS得到抑制、带宽更宽的混沌信号.通过考察两个偏振分量输出混沌信号的TDS以及混沌带宽在注入强度和频率失谐构成的参数空间的演化规律,确定了系统获取两路TDS被抑制、宽带宽的混沌信号所需的注入参数范围.     

Research of the use of silver nanowires as a current spreading layer on vertical-cavity surface-emitting lasers

Silver nanowire(AgNW) film was proposed to apply on the surface of the vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) with large aperture in order to obtain a uniform current distribution in the active region and a better optical beam quality.Optimization of the AgNW film was carried out with the sheet resistance of 28.4 Ω/sq and the optical transmission of 94.8% at 850 nm.The performance of VCSELs with and without AgNW film was studied.When the AgNW film was applied to the surface of VCSELs,due to its better current spreading effect,the maximum output optical power increased from 23.4 mW to 24.4 mW,the lasing wavelength redshift decreased from 0.085 nm/mA to 0.077 nm/mA,the differential resistance decreased from 23.95 Ω to 21.13 Ω,and the far field pattern at 50 mA decreased from 21.6° to 19.2°.At the same time,the near field test results showed that the light in the aperture was more uniform,and the far field exhibited a better single peak characteristic.Various results showed that VCSELs with AgNW on the surface showed better beam quality.     

增益导波垂直腔激光器注入电流空间分布及其对激光近场模式影响的理论分析和表征

依据导电介质的稳态电场理论建立了一种对增益导波型垂直腔半导体激光器注入电流矢量分析的三维解析模型. 计算研究了电流密度空间分布及其与顶面电注入环参量之间的相互关联性. 结果显示在两极之间存在一个载流子径向分布中心极大的区域. 由于激光功率与注入电流之间存在线性关系,因此,要使器件能够获得基模或中心均匀的光强输出以及尽可能低的阈值,应使激光有源层与载流子均匀分布的临界层重合. 计算结果对顶发射与底发射结构以及不同环参数下的载流子分布情况及对近场模式形成的影响进行了分析和讨论. 关键词： 垂直谐振腔激光器 注入电流 激光模式     

电流孔的尺寸对双氧化限制垂直腔面发射激光器阈值的影响

通过双氧化限制垂直腔面发射激光器中电场、载流子密度、光场和热场空间耦合方程自洽数值求解,研究了垂直腔面发射激光器中阈值特性.得到了氧化层及有源区附近的电势,模拟电流孔的边缘效应,给出了不同双氧化限制电流孔半径下阈值电流密度、载流子密度、基模光场和热场的空间分布.发现了实现最小阈值电流的最佳限制电流孔半径,进而设计了双氧化限制垂直腔面发射激光器的结构. 关键词： 双氧化限制垂直腔面发射激光器 自洽 阈值     

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.     

Modeling of resistance characteristics of a continuously-graded distributed Bragg reflector in a 980-nm vertical-cavity surface-emitting laser

The resistance characteristics of a continuously-graded distributed Bragg reflector(DBR) in a 980-nm verticalcavity surface-emitting laser(VCSEL) are modeled in detail.The junction resistances between the layers of both the p-and n-DBR mirrors are analysed by combining the thermionic emission model and the finite difference method.In the meantime,the intrinsic resistance of the DBR material system is calculated to make a comparison with the junction resistance.The minimal values of series resistances of the graded p-and n-type DBR mirrors and the lateral temperature-dependent resistance variation are calculated and discussed.The result indicates the potential to optimize the design of the DBR reflectors of the 980-nm VCSELs.     

The improved output performance of a broad-area vertical-cavity surface-emitting laser with an optimized electrode diameter

The output performance of a 980-nm broad-area vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) is improved by optimizing the p-electrode diameter in this study.Based on a three-dimensional finite-element method,the current density distribution within the active region of the VCSEL is optimized through the appropriate adjustment of the p-electrode diameter,and uniform current-density distribution is achieved.Then,the effects of this optimization are studied experimentally.The L-I-V characteristics under different temperatures of the VCSELs with different p-electrode diameters are investigated,and better temperature stability is demonstrated in the VCSEL with an optimized p-electrode diameter.The far-field measurements show that with an injected current of 2 A,the far-field divergence angle of the VCSEL with an optimized p-electrode diameter is 9°,which is much lower than the far-field angle of the VCSEL without this optimization.Also the VCSEL with an optimized p-electrode diameter shows a better near-field distribution.