外腔反饋改善高功率半導體激光器頻譜特性的研究.pdf

1、由于高功率半導體激光器的頻譜特性和光束質量非常差,限制了它在原子冷卻、磁光俘獲原子、拉曼光譜、泵浦固體激光器等領域中的應用。為了達到科學應用的嚴格要求,在過去的三十年中發(fā)展了多種改善半導體激光器光束質量的方法。外腔反饋技術能有效壓縮線寬,穩(wěn)定輸出波長,實現(xiàn)波長可調諧輸出。
　　本論文的目的是通過研究外腔反饋對大功率半導體激光器頻譜特性的影響,探索譜線壓縮、波長可調諧的實驗條件,為采用外腔反饋技術改善大功率半導體激光器輸出特性奠定研

2、究基礎。
　　首先從麥克斯韋方程組出發(fā),推導了自由運行時半導體激光器的速率方程。并將該速率方程分別推廣到種子光注入和外腔反饋情況中,通過數(shù)值求解速率方程,從理論上分析了光注入?yún)?shù)和外腔反饋參數(shù)對激光器動態(tài)特性的影響。
　　然后根據(jù)國內外外腔反饋技術改善半導體激光器輸出特性的研究成果,首先利用光柵全反饋、光柵反射鏡雙外腔反饋來改善半導體激光器的頻譜特性。在光柵全反饋實驗中,我們研究了注入電流、反饋率和外腔長度對寬條形半導體激光

3、器頻譜特性的影響以及波長的調諧范圍。當注入電流為2A,外腔長度為34.50cm時,激光譜寬由1.3nm壓縮至0.28nm,譜寬壓縮了達到21.54％。波長隨電流的漂移率為0.29nm/A,和自由運行時的0.59nm/A相比,光柵全反饋使波長的穩(wěn)定性增加了一倍。并在該方案中實現(xiàn)了波長在3.07nm范圍內的可調諧輸出。在光柵和反射鏡構成的雙外腔反饋實驗中,研究了兩個外腔長度以及反射鏡的反饋比例對半導體激光器頻譜特性的影響。當兩個腔長差別較大

4、,注入電流較高時,半導體激光器的光譜中會出現(xiàn)雙峰振蕩的現(xiàn)象。但是當這兩個腔長比較接近時,能獲得很好的光譜壓縮。此外,雙外腔反饋中譜線壓縮的效果和反射鏡反饋比例成正比。雖然前兩個方案都能有效地改善半導體激光器的頻譜特性,但是由于光柵的零級衍射光的效率很低,使得前兩個方案的輸出功率始終小于20mW,不利于實際應用。因此在前兩個方案的基礎上提出光柵半反饋方案,并在實驗中研究了反射鏡的截光比例和外腔長度對半導體激光器頻譜特性的影響。確定反射鏡截

5、光比例為1/2,外腔長度為34.50cm時,光柵半反饋外腔對半導體激光器頻譜特性改善效果最佳。在該實驗條件下,當電流在1.5至3.5A之間變化時,光柵半反饋下波長隨注入電流的漂移率降低到0.20nm/A,比光柵全反饋更穩(wěn)定。實驗結果表明,該方案不僅能獲得更好的頻譜特性,還能獲得非常高的輸出功率。當注入電流為2A時,實現(xiàn)了0.28nm的窄線寬輸出和波長在5.18nm范圍內可調諧輸出,輸出功率提高至321mW;注入電流為4.5A時,譜寬為0