高功率、高效率808nm半导体激光器阵列

通过设计高效率808 nm非对称宽波导外延结构,减少P型波导层和包层的自由载流子光吸收,实现腔内光吸收损耗为0.63 cm~(-1).制备的808 nm半导体激光器阵列在室温25?C下,实现驱动电流135 A,工作电压1.76 V,连续输出功率大于150 W,斜率效率高达1.25 W/A,中心波长809.3 nm,器件最高电光转换效率为65.5%,这是目前国内报道的808 nm半导体激光器阵列的最高电光转换效率,达到国际同类器件最好水平.     

半导体激光无线传能中光伏电池转换效率

为选择合适的激光参量与光伏电池参量,以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率,通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元,也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池,研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中,在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中,Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W,能量转换效率从50.9%下降至21.2%;GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W,能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加,光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和,但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降,所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。     

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/℃。     

CsB_3O_5晶体高效三倍频产生28.3W 355nm激光

利用CsB_3O_5(CBO)晶体对Nd:YAG声光调Q准连续1064 nm激光的高效三倍频效应获得高功率355 nm激光输出.1064 nm激光采用大功率脉冲式半导体激光(LD)列阵侧面抽运Nd:YAG晶体的主振荡-功率放大(MOPA)系统实现210 W的调Q准连续输出,激光以1 kHz脉冲串方试运转,每个脉冲串包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为40 ns.经I类LiB_3O_5(LBO)晶体倍频产生98 W 532 nm绿光.通过30 mm长的II类CBO晶体对1064 nm与532 nm光和频获得28.3 W的355 nm紫外光,相应的三倍频转换效率为13.5%,比相同条件下II类LBO晶体高28.6%.研究了CBO三倍频产生355 nm光的温度敏感特性,得到其温度带宽为25?C,远大于LBO晶体的4?C.实验证明,CBO晶体在三倍频产生355 nm的转换效率和温度不敏感性方面均优于LBO晶体.     

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。     

高功率半导体激光列阵芯片测试表征与仿真优化EI北大核心CSCD

针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题,首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次,为量化温度影响芯片稳定性的主要因素,自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统,研究15~60℃半导体激光列阵芯片的温度特性,分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明,当温度由15℃升高至60℃,载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%,是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化,仿真结果表明,提高波导层Al组分至20%,能有效限制载流子泄漏,平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题,可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。     

高功率半导体激光器低温特性分析

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统,实现了对高功率半导体激光器在-60℃～0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征.采用计算流体力学及数值传热学方法,模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能.模拟结果表明,压降均为0.47bar时,采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃).低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂,最大可实现0.5L/min的载冷液体流量,最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作.基于该低温测试表征系统,对微通道封装结构976nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究.测试结果表明,载冷剂温度由0℃下降到-60℃,半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W,功率提升比为18.02%;电光转换效率由60.99%提升到67.25%,效率提升幅度为6.26%;中心波长由969.68nm蓝移到954.05nm.器件开启电压增加0.04V,阈值电流降低3.93A,串联电阻增加0.18mΩ,外微分量子效率提高11.84%.分析表明,阈值电流的减小及外微分量子效率的提高,是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素.研究表明,采用液体微通道冷却的低温工作方式,是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.     

808nm大功率半导体激光迭阵偏振耦合技术

随着半导体激光器在工业、军事、核能等领域的应用越来越多,单个迭阵输出的光功率密度已经不能满足实际的需求,这就需要将多个半导体激光迭阵的光束耦合成为一个共同的光束,以提高输出功率和亮度.所以采用怎样的光束耦合技术能实现高亮度、高质量的激光输出就成了一个关键性的问题.对于该技术的研究,国内还没有实验方面的报道.主要介绍了大功率半导体激光器偏振耦合原理、实验的技术路线,以及对808nm半导体激光迭阵进行耦合实验的结果及分析.对2个bar、功率为40W/bar的808nm连续半导体激光迭阵,实现偏振耦合的总效率超过90%,聚焦得直径为3mm光斑,输出功率达到134W,总体效率超过84%.对7个bar、峰值功率100W/ba、r占空比20%的808nm准连续半导体激光迭阵进行了偏振耦合,其效率达到67%,得到4.5mm×4.5mm的光斑.     

28.2 W波长锁定878.6 nm激光二极管共振抽运双晶体1064 nm激光器

报道了一种由波长锁定878.6 nm半导体激光器共振抽运两块不同掺杂浓度Nd:YVO4晶体串接的1064nm激光器,并与使用单块的低掺杂浓度晶体和高掺杂浓度晶体情况进行比较,实验表明利用波长锁定878.6nm半导体激光器共振抽运双晶体串接的方式,有利于降低晶体的热效应,提高光光转换效率.当抽运功率为40 W时,获得了28.2 W的1064 nm激光输出,光光转换率为70.5%,斜率效率为70.6%,相对吸收光的光光转换率76%,斜率效率为76.4%,同时该激光器在10?C—40?C的温度变化范围内具有极好的温度稳定性.     

808nm大功率分布反馈激光器列阵研制

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率,必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数.采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵.激光器列阵的腔长为1 mm,25℃时中心波长为808 nm,通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图,表明当脉冲工作电流为148 A时,激光...     

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。     

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。     

Diode-pumped Nd:LGS/LBO laser at 452 nm

We report a blue laser at 452 nm generation by intracavity frequency doubling of a continuous wave (cw) laser operation of a 904 nm Nd:LGS laser under 808 nm diode pumping. A LiB₃O₅ (LBO) crystal, cut for critical type I phase matching at room temperature is used for second harmonic generation (SHG) of the laser. At an incident pump power of 17.8 W, as high as 1.14 W of cw output power at 452 nm is achieved. The optical-to-optical conversion efficiency is up to 6.4%, and the fluctuation of the blue output power was better than 4.1% in the given 30 min.     

Low-threshold mid-IR MgO:PPLN optical parametric generation with high reflectivity mirror for signal wavelength

A low-threshold middle-infrared(mid-IR) MgO:PPLN optical parametric generation(OPG)pumped by a laser diode(LDl end-pumped Z-type Nd:YLF laser at 1047 nm is realized with high reflectivity(HR) mirror for signal.At repetition rate of 10 kHz,the OPG threshold of 50μJ has been achieved with HR mirror for signal.Compared with the threshold without mirror,the threshold decreases by 17%.Using HR mirror for pump at output side of crystal,the threshold of 40μJ is achieved.The 2.7-4.1μm continuous tunable output is produced with seven grating periods from 28.5 to 31.5μm and temperatures from 30 to 200℃.When the incident average pump power is 3 W.the OPG idler output power is 0.46 W at 3.26 μm,which corresponds to optical-to-optical conversion efficiency up to 15.3%.     

激光二极管抽运Nd∶YVO4晶体1342nm和671nm激光器研究

报道了激光二极管抽运的Nd∶YVO₄晶体1342和671nm激光特性.1342nm激光最大输出功率为1.75W，光-光转换效率为32.1%，斜效率为43%.利用Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体腔内倍频，当输入抽运功率为6W时，获得功率为502mW的671nm激光输出，光-光转换效率超过8.3%；当671nm激光输出功率为400mW时，短期的不稳定度小于2%. 关键词：     

Efficient continuous-wave eye-safe region signal output from intra-cavity singly resonant optical parametric oscillator

We report an efficient continuous-wave (CW) tunable intra-cavity singly resonant optical parametric oscillator based on the multi-period periodically poled lithium niobate and using a laser diode (LD) end-pumped CW 1064 nm Nd:YVO₄ laser as the pump source. A highly efficiency CW operation is realized through a careful cavity design for mode matching and thermal stability. The signal tuning range is 1401-1500 nm obtained by varying the domain period. The maximum output power of 2.2 W at 1500 nm is obtained with a 17.1 W 808 nm LD power and the corresponding conversion efficiency is 12.9%.     

Efficient Nd:YVO_4 laser in-band pumped by wavelength-locked 913.9-nm laser diode and Q-switch operation

An efficient 1064-nm Nd:YVO_4laser in-band pumped by a wavelength-locked laser diode(LD) at 913.9 nm was demonstrated. The maximum continuous wave(CW) output power of 23.4 W at 1064 nm was realized with the incident pump power of 40 W, corresponding to a total optical-to-optical efficiency of 58.5%. This is to the best of our knowledge the highest total optical-to-optical efficiency and output power of Nd:YVO_4laser in-band pumped by a 913.9-nm laser diode.The Q-switched operation of this laser was also investigated. Through a contrast experiment of pumping at 808 nm, the experimental results showed that an Nd:YVO_4laser in-band pumped by a wavelength-locked LD at 913.9 nm had excellent pulse stability and beam quality for high repetition rate Q-switching operation.     

555 nm laser sources based on intracavity frequency doubling of Nd:YGG laser

We report for the first time a yellow-green laser at 555 nm generation by intracavity frequency doubling of a continuous wave (CW) laser operation of a 1110 nm Nd-doped yttrium gallium garnet (Nd:YGG) laser under in-band diode pumping at 808 nm. An LBO crystal, cut for critical type I phase matching is used for second harmonic generation of the laser. At an incident pump power of 18.5 W, as high as 2.31 W of CW output power at 555 nm is achieved. The optical-to-optical conversion efficiency is up to 12.4%, and the fluctuation of the yellow-green output power was better than 2.8% in the given 4 h.     

1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性

研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器厘米bar模块的温度特性,测试分析了该模块的输出光功率、阈值电流、转换效率和光谱随注入电流及管芯温度变化的特性。结果表明,器件在15~55 ℃范围内所测的输出光功率由40.7 W降低到29.4 W,阈值电流由9.29 A升高到17.24 A,转换效率由54.22%降低到37.55%,光谱漂移为0.37 nm/℃,特征温度为68.6 K。实验结果表明,为保持器件性能的稳定,在实际应用过程中应该使器件的温度控制在15~25 ℃范围内。