高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.     

微碟激光器的单模低阈值激射

简单分析了碟型微腔激光器中的激射模式及自发发射系数。采用反应离子刻蚀和选择性刻蚀方法蚀刻出InGaAs InGaAsP多量子阱 (MQW)碟型激光器 ,碟直径 3 μm ,在液氮温度下进行光抽运实验 ,观察其模式特性。实现了单模激射 ,波长 1 5 μm ,抽运阈值 18μW。     

电泵浦垂直外腔面发射激光器振荡特性的理论分析及实验研究

对具有InGaAs/GaAsP量子阱周期增益结构有源区的980 nm电泵浦垂直外腔面发射激光器(EP-VECSEL)的振荡特性进行了理论分析及实验研究.模拟并分析了耦合腔条件下EP-VECSEL的振荡特性与其分布布拉格反射镜(DBR)及外腔镜反射率之间的关系,并根据理论分析结果对器件结构进行了优化设计.在实验上制备出具有不同外腔镜反射率的EP-VECSEL器件,并对其连续波(CW)振荡特性进行了研究.实验结果表明,有源区直径为300 μm的EP-VECSEL器件在外腔镜反射率为90 %时阈值电流为1.2 A,注入电流为4 A时连续激光输出功率为270 mW; 在外腔镜反射率为95%时阈值电流为0.9 A,4 A下输出激光功率为150 mW.实验结果与理论分析结论符合较好,说明本文采用的理论分析方法能有效模拟及优化EP-VECSEL器件的振荡特性.     

InGaAs量子点的自发发射及光增益

研究了InGaAs量子点材料自发发射、放大自发发射及光增益特性.实验发现InGaAs量子点材料随着注入电流密度的增加,其自发发射及放大自发发射光谱峰蓝移,表现出明显的能带填充现象.由于量子点材料尺寸及形状等存在一定的分布,在光谱中没有明显的对应量子点激发态的谱峰.由单程增益放大自发发射得到了量子点材料在不同注入电流密度下的光增益谱.结果表明存在由于量子点大小分布造成的量子点态非均匀展宽引起的增益峰蓝移和增益谱展宽现象.     

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。     

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。     

增益-腔模失配型高温工作垂直腔面发射半导体激光器

理论分析了温度对垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)工作性能的影响,利用VCSEL的增益-腔模失配理论设计了适用于高温环境下工作的VCSEL外延结构并对该结构进行了外延生长及工艺制备。理论分析表明,采用势垒高度大于0.25eV的量子阱有源区结构可以缓解高温工作时器件的载流子泄漏问题。设计了室温下增益-腔模偏离为11nm的器件结构。理论分析表明,在320K时与器件腔模对应的增益谱波长具有最大的光增益,此时器件具有最小的阈值电流。对分布式布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化以进一步减小器件阈值电流。采用了一种自平坦化的台面工艺结构制作了7、9、13μm三种不同氧化口径的器件,器件在室温下的阈值电流分别为1.95、2.53、2.9mA,最大出光功率分别为0.31、1.11、1.04mW,并且输出功率的高温稳定性较好。随工作温度的升高,器件阈值电流先减小后变大,在320～330K时器件阈值达到最小值,与理论分析一致。     

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。     

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...     

基于808nm半导体激光器单管合束技术的光纤耦合模块

由于单管半导体激光器比半导体激光线阵、叠阵具有更好的光束质量及散热特性,因此更适用于光电干扰光源。针对于电荷耦合器件(CCD)光谱响应曲线特征,采用808nm单管半导体激光器为光源,将24只单管半导体激光器分组集成,通过空间合束和偏振合束以提高其输出功率密度,采用自行设计的光学系统对光束进行扩束聚焦,耦合进芯径为300μm,数值孔径0.22的光纤中,所有激光器都采用串联方式,在8.5A电流下通过光纤输出功率为162W,耦合效率达到84%。