高光束质量大功率垂直腔面发射激光器

采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布,解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流,特别是输出功率较传统结构提高了近56%,且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。     

大功率垂直腔表面发射激光器的新进展

介绍了垂直腔面发射激光器研究进展.重点介绍了激光器在效率,输出功率、光束质量、温度特性等方面的新成果.探讨了大功率垂直腔面发射激光器在工业、医疗、国防等领域的应用.     

高光束质量新型垂直腔面发射激光器阵列

报道了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列.通过调制阵列中各单元直径以及单元间距,得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布,且在工作电流0～6 A内远场发散角均小于20°.阵列山直径分别为200 μm,150 μm和100 μm成中心对称分布的5个单元组成,单元圆心间距分别为250μm和200μm.在室温连续工作条件下.阵列在注入电流4 A时达最大输出功率880 mw,斜率效率为0.3 W/A,具有0.56 A的低阈值电流,微分电阻0.09 Ω.与具有相同出光面积的4×4二维阵列相比,这种新型阵列在出光功率、阈值电流、光谱特性及远场分布等方面均具有优越性.模拟了阵列各单元叠加后的近场远场光强分布,结果表明得到的新型阵列的远场分布与实验结果吻合较好.     

高光束质量大功率垂直腔面发射激光

大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景,但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为限制其应用发展的核心问题之一。针对上述问题对激光器材料结构与器件结构进行了两方面的新结构设计和研制:(1)以实现大功率激光输出为目标,材料结构设计上对出光窗口一侧的N-DBR反射率进行了调整,以具有99.3%反射率的n-DBR替代常规结构中所采用的99.7%以上反射率。与常规材料结构相比,采用优化后的材料结构制备的直径500μm出光孔径的单管器件在注入电流110 A时激光输出功率达到102 W,而单元出光窗口直径100μm的5×5阵列在100 A电流下的激光输出功率为103 W,单元直径为140μm的8×8阵列在130 A注入电流下的激光输出功率达到115 W;(2)针对大出光窗口导致的光束质量劣化,通过湿法化学刻蚀研制了直接集成在出光窗口表面的微透镜结构,单元出光窗口直径为90μm的6×6阵列器件在4 A注入电流下的激光光束发散角压缩到6.6°,与未集成微透镜时的14.8°相比有了大幅改善。实验结果表明:降低n-DBR反射率及集成微透镜结构有效地改善提高了大功率垂直腔面发射激光的输出功率和激光光束质量。     

大功率高可靠性垂直腔面发射激光器阵列研究

针对980nm激光波长设计了InGaAs/GaAsP材料多周期增益量子阱结构。垒层采用带隙更宽的GaAsP材料代替常规GaAs,改善了效率随温度升高而降低的问题,同时又能满足长寿命激光工作的需要。周期增益量子阱结构提高了有源区的单程增益,降低了阈值,提高了输出功率。制作出新结构的集成单元数为4×4,单元直径30μm的阵列器件,工作电流为5.88A时连续激光功率达到2W;窄脉冲宽度1μs,重复频率100Hz,工作电流60A时输出功率达到30W,且均未达到饱和状态。此阵列器件在工作电流为1～4A时发散角半宽均小于16°。利用加速老化方法对阵列器件的寿命进行了测试,推算出30℃的寿命可达5280h以上,并分析了影响大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)可靠性的主要因素。     

大功率垂直腔面发射激光器技术研究

大功率垂直腔面发射激光与目前比较成熟的边发射激光相比在光束质量、二维面阵集成、高温工作等方面有很强的优势.2008年以来国内外研究进展迅速,在激光输出功率、效率、波长的多样性以及在应用探索等方面都有长足进步.从垂直腔面发射激光结构特征出发,对其优点特性、国外进展情况,在激光引信等需要窄脉冲工作场合的应用研究情况进行了介...     

980nm大功率垂直腔底发射激光器

报道980nm大功率底发射垂直腔面发射激光器的结构、研制及器件的阈值电流、输出功率和光谱特性．在室温(24℃)下，5A连续电流工作时，出光孔径400μm的器件激射波长为984．1nm，输出功率达到1．42W，是目前所能见到报道中最高的．研究了出光孔径600μm的器件在连续工作时，激射波长、光谱半高宽随注入电流的变化以及在重复频率100Hz，脉冲宽度50—1000μs条件下的输出功率、效率与注入电流的关系．     

垂直腔面发射激光器

The development and application of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are summarized in this paper. The emphasis is focused on the high power single and 2-D arrays bottom-emitting VCSELs with a wavelength of 980nm. A distinguished device performance is achieved. The maximum continuous-wave (CW) output power of large aperture single devices with active diameters up to 500μm is as high as 1.95W at room temperature, which is to our knowledge the highest value reported for a single device. Size dependence of the output power, the threshold current and the differential resistance are discussed. A 16 elements array with 200μm aperture size (250μm center spacing) of individual elements shows a CW output power of 1.32W at room temperature.     

高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器

报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算,发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后,优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布,抑制远场光斑中高阶边模的产生.将p面电极直径优化为580μm,制作的600μm的VCSEL远场发散角从30°减小到15°,优化器件的阈值电流和最高输出功率都略有增加.通过改进器件封装方式后,器件输出功率达到2.01W,激射波长为982.6nm.     

多量子阱垂直腔面发射半导体激光器的速率方程分析

依据多量子阱垂直腔面发射半导体激光器（ＶＣＳＥＬＳ）的结构特点,并考虑到腔量子电动力学中自发辐射增强效应,建立了多量子阱ＶＣＳＥＬＳ的速率方程,并给出了其方程的严格解析解,在此基础之上,讨论了ＶＣＳＥＬＳ的稳态特性,并与普通开腔和三维封闭腔中的结果进行了比较,给出了Ｖ     

高功率垂直腔底发射激光器的偏振特性

在垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为显示光源的应用中,为了获得高功率的偏振激光,研究了980nm大口径底发射VCSEL的偏振特性。通过刻蚀矩形台面和矩形出光口径,制备矩形VCSEL。在连续条件下,出光口径为550μm×300μm的底发射矩形VCSEL最大输出功率为660mW,微分电阻为0.09Ω。实验中,矩形VCSEL在工作电流下,同时存在稳定的水平偏振光和竖直偏振光,并且沿着矩形长边出射的水平偏振光一直占据主导地位。而圆形VCSEL在水平和竖直方向的激射情况几乎相同。水平偏振光的激射光谱相对于竖直偏振光出现蓝移,并且用对称三层波导模型解释了蓝移现象。研究了矩形VCSEL的正交偏振比与矩形口径长宽比的关系。实验结果表明,矩形柱结构能够有效地稳定VCSEL的偏振方向,使大口径器件激射高功率的偏振激光。     

980 nm高功率VCSEL的光束质量

利用CCD成像技术,设计出一种简单的测量垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光束质量因子M2的方法。在注入电流分别为900mA,1500mA,3000mA和6000mA时,对出光孔径300μm,激射波长为980nm的垂直腔底面发射激光器的束腰等光束参数进行了测量,并应用激光光束传播的高斯方程拟合求得了M2因子的值分别为66,58,44和53。另外,当注入电流为900mA和3000mA时,对器件的远场分布进行了分析并测得了器件的远场发散角,测量值与理论计算值吻合较好。     

980 nm高功率列阵半导体激光器

分析了影响列阵半导体激光器输出功率的因素．利用分子束外延生长方法生长出ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ应变量子阱激光器材料．利用该材料制作出的应变量子阱列阵半导体激光器准连续（１００ Ｈｚ,１００ μｓ）输出功率达到 ８０Ｗ（室温）,峰值波长为 ９７８～９８１ｎｍ．     

大功率体光栅外腔半导体激光器的输出特性

宽条形大功率半导体激光器(LD)存在光谱温漂系数大、光谱宽度宽的缺点,为了改善宽条形大功率半导体激光器的光谱特性,采用一种体光栅(VBG)离轴外腔方法实现了宽条形大功率半导体激光器光谱特性的明显改善和高效率工作.宽条形半导体激光器的外腔结构主要包括激光器输出光束的快、慢轴准直光学透镜和离轴放置的体光栅.宽条形半导体激光器的激射条宽为100μm,当激光器工作电流为4.0 A时,外腔激光器的输出功率高达3.4 W,斜率效率为1.0 W/A,光谱宽度由自由出射条件下的2~3 nm减少为0.2 nm,峰值波长的温漂系数小于0.015 nm/℃.     

半导体激光器光束的准直

本文从高斯光束出发对半导体激光器的既简单又经济实用的准直法－－单透镜准直法进行了理论分析和实验。实验结果与理论计算基本相符，表明只要采用一个相对孔径Ｄ／ｆ较大的透镜，并置其对半导体激光器有合适位置，则可以得到令人满意的准直效果。     

高斜效率高功率850nm氧化限制型垂直腔面发射激光器

报道了MOCVD生长的高性能850nm氧化限制型垂直腔面发射激光器.研制出的氧化直径为9μm的激光器25℃时的斜效率和阈值电流分别为0.82mW/mA和2.59mA,激光器在23mA时输出16mW最大光功率.氧化直径为5μm的激光器25℃时的最小阈值电流为570μA,其最大饱和光功率为5.5mW.     

高斜效率高功率850nm氧化限制型垂直腔面发射激光器

报道了MOCVD生长的高性能850nm氧化限制型垂直腔面发射激光器．研制出的氧化直径为9μm的激光器25℃时的斜效率和阈值电流分别为0．82mW／mA和2．59mA，激光器在23mA时输出16mW最大光功率．氧化直径为5μm的激光器25℃时的最小阈值电流为570μA，其最大饱和光功率为5．5mW．     

大功率半导体激光光源光束整形技术研究

光束质量是半导体激光器应用的最大瓶颈,但是可以利用光束整形技术加以改善。随着半导体激光合束技术的发展,半导体激光光束质量的提高,由于其在效率方面的优势,大功率半导体激光技术得到迅速发展。采用连续输出60 W,转换效率达到57%的880 nm大功率半导体激光bar条,组成20层的半导体激光叠阵,输出功率达到1183 W,通过快慢轴准直及光束整形提高激光器的光束质量,最终实现1 kW功率输出,电-光转换效率超过45.8%,光束质量达到79.3 mm.mrad×81.2 mm.mrad。从而使半导体激光器可直接应用于熔覆、表面硬化等领域。     

高功率半导体激光器电压饱和特性与器件质量

为实现对高功率半导体激光器快速,有效、无损的质量检测和可靠性筛选,对器件进行了电导数和光导数测试及分析.结果表明高功率半导体激光器的结电压饱和特性与其质量和可靠性紧密柏关.结电压饱和特性不好的器件一般都存在某种缺陷,结电压饱和特性的差异超出一定范围的同种类器件一定是质量和可靠性差的器件.因此,阈值处电导数曲线的下沉高度h值可作为器件筛选的一个判据.用模拟测馈的方法,对阵列器件和组成它的单元器件的电压饱和特性的相关性进行了研究,阵列器件的电压饱和特性与组成它的单元器件的一致性(均匀性)紧密相关.均匀性小好的器件的电压饱和特性也不好.