本文關(guān)鍵詞：高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器側(cè)向光束質(zhì)量控制研究

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【摘要】：高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器由于輸出功率高、可靠性好、壽命長(zhǎng)、體積小、波長(zhǎng)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn),是一種被廣泛使用的激光光源。但是這類激光器在側(cè)向即平行于外延層方向面臨多模工作的問題,惡化了光束質(zhì)量。另外,隨著電流增加,側(cè)向遠(yuǎn)場(chǎng)變寬,這對(duì)于某些應(yīng)用是非常不利的。因此,我們將不同的微結(jié)構(gòu)引入到高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器中,極大地改善了側(cè)向光束質(zhì)量,同時(shí)減小了側(cè)向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角對(duì)電流的依賴。這類基于微結(jié)構(gòu)的高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器成本低、工藝簡(jiǎn)單、非常適合批量生產(chǎn),為高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器的研制奠定了良好的基礎(chǔ)。本論文主要圍繞高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制備及工作性能等方面進(jìn)行了研究。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)針對(duì)寬區(qū)半導(dǎo)體激光器,采用有效折射率近似的方法,自洽的求解了波導(dǎo)方程和載流子擴(kuò)散方程,獲得側(cè)向模式的表達(dá)式。通過對(duì)不同側(cè)向模式的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)分布對(duì)比分析,得到了高階模式的形成機(jī)理并獲得側(cè)向光束質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的方法。(2)采用非對(duì)稱大光腔外延結(jié)構(gòu),在激光器的側(cè)向引入周期性的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在相同腔長(zhǎng)的條件下研究了不同長(zhǎng)度的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)器件的輸出功率、近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)側(cè)向脊型波導(dǎo)長(zhǎng)度占整個(gè)腔長(zhǎng)長(zhǎng)度的20%時(shí),可提高器件的內(nèi)量子效率,因此激光器的輸出功率提高了3%。同時(shí)由于對(duì)增益的微擾,獲得了相對(duì)均勻的近場(chǎng)分布。最大電流4 A時(shí),該類型器件的發(fā)散角由10.54°減小到8.51°。同時(shí)側(cè)向發(fā)散角隨注入電流的增加速率由1.27°/A降低至0.13°/A。(3)將一種空間電流調(diào)制結(jié)構(gòu)引入到高功率寬區(qū)半導(dǎo)體激光器中。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)二維電流分布,在側(cè)向和縱向形成周期性的增益-損耗,抑制了電流的側(cè)向擴(kuò)散作用及減少器件邊緣處的載流子累積。利用LASTIP和PICS3D軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并利用優(yōu)化參數(shù)制備了64μm條寬、1240μm腔長(zhǎng)器件。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)光參量乘積值降低36.5%,并且側(cè)向發(fā)散角不隨電流增加而增加。同時(shí)激光器的光譜線寬減少45%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相一致。(4)根據(jù)光子晶體激光器外延層的摻雜和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特性,提出了一種階梯狀的溝槽結(jié)構(gòu)。通過去除電流注入窗口邊緣的歐姆接觸層,減少了側(cè)向電流擴(kuò)散,提高了器件的電流注入效率。同時(shí),溝槽的形成在側(cè)向產(chǎn)生一定的折射率差,高階側(cè)向模式閾值增加,抑制了高階模式激射。采用優(yōu)化后的參數(shù)制備了84μm條寬、1700μm腔長(zhǎng)的器件。通過測(cè)試并與無(wú)結(jié)構(gòu)器件對(duì)比發(fā)現(xiàn),輸出功率提高了15.4%,光參量乘積值提高了25.2%。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN248.4

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本文編號(hào)：1255654