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。     

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。     

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。     

大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。     

基于亚波长金属光栅的980 nm 高功率垂直腔面发射激光器偏振控制

利用制作在P-DBRs表面的亚波长金属光栅, 在980 nm高功率底发射垂直腔面发射激光器有源区引入各向异性增益,达到了偏振控制的目的。本光栅基于等效介质理论和抗反射理论设计而成,光栅周期为186 nm,占空比为0.5。通过多物理场有限元分析软件对所设计的光栅进行了模拟分析,结果基本上符合设计要求。通过优化工艺步骤得到了较好的实验结果,550 μm孔径的VCSEL在正交方向上的偏振比为3,输出功率达到870 mW。     

矩形结构垂直腔顶发射激光器的偏振特性

为了获得高功率的偏振激光,对矩形结构的980 nm大口径顶发射垂直腔面发射激光器(VCSEL)进行了研究.实验结果显示,对于400 μm×80μm出光口径的矩形VCSEL器件,在工作电流内,水平偏振光和竖直偏振光共同存在,并且水平偏振光一直占据主导地位;而且水平偏振光的光谱相对于竖直偏振光有蓝移.这些现象和理论模型的分...     

基于GaAs-AlGaAs非对称耦合量子阱材料的半导体弱光开关

提出了一种基于在GaAs-AlGaAs非对称耦合量子阱材料子带跃迁的量子干涉的半导体弱光开关，分析了驰豫速率γ21对光开关的影响，这种半导体弱光开关是半导体超晶格材料共振隧穿作用导致的子带跃迁的Fano干涉的结果，由于半导体结构与材料可以人为地选择，相干强度可以控制和改变，这种半导体弱光开关比采用原子系统更实用，这也是一种在半导体材料中实现一束光控制另一束光的方法。     

单片双波长输出垂直外腔面发射激光器EI北大核心CSCD

报道了利用垂直外腔面发射激光器(Vertical external cavity surface emitting laser,VECSEL)的增益谱与腔模的大失配设计实现VECSEL双波长同时激射的方法,设计了稳定的振荡腔结构,理论预测了这种VECSEL的三种工作状态并进行了实验验证。随着VECSEL泵浦功率增加,增益芯片内部工作温度逐步升高,VECSEL依次出现带边波长激射、双波长激射及腔模波长激射三种工作状态。最初VECSEL的激射波长位于带边模式决定的激光波长(952.7 nm),随着泵浦功率增加,增益芯片热效应增强,腔模波长与带边波长出现模式竞争,此后出现双波长激射现象。双波长峰值强度接近时VECSEL激光输出功率达到359 mW,激光波长分别位于954.2 nm和1001.2 nm,在该位置附近VECSEL的输出功率曲线呈现明显的二次阈值现象。当泵浦功率持续增加,激光输出波长变为腔模波长激射,激光波长位于1002.4 nm。在单波长及双波长工作状态下VECSEL的光斑形貌均为高斯形貌的圆形对称激光光束,激光光束发散角半角由5.7°增加到7.9°。这种单芯片双波长输出VECSEL方案未来在抗干扰激光雷达以及频率转换太赫兹激光等方面有着很好的应用潜力。     

基于超薄层MoS_(2)可饱和吸收体的被动调Q固体Nd∶YAG激光器EI北大核心CSCD

利用超声剥离法制备了超薄层MoS_(2)纳米片分散液可饱和吸收体,以石英池为容器插入Nd∶YAG激光器的平凹谐振腔中,调节谐振腔镜的位置并增大泵浦功率,成功实现了Nd∶YAG激光器被动调Q脉冲输出。实验结果显示,泵浦功率为2.46 W时,激光器开始调Q运转。泵浦功率为14.55 W时,实现了485 mW的脉冲激光输出功率,重复频率为189.75 kHz,脉冲宽度为1.2μs,对应的最大脉冲能量为2.56μJ。结果表明,超薄层MoS_(2)分散液是适用于1064 nm波长固体激光器被动调Q运转的可饱和吸收体材料。