半導(dǎo)體薄片激光器理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、半導(dǎo)體薄片激光器綜合了半導(dǎo)體激光器和固體薄片激光器的優(yōu)點(diǎn)。一方面，它具有半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)，利用成熟的半導(dǎo)體能帶工程，其發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋從可見光到近紅外的廣泛區(qū)域；另一方面，它又兼?zhèn)渫w激光器的優(yōu)點(diǎn)，既能獲得高光束質(zhì)量和高功率輸出，也能方便地進(jìn)行腔內(nèi)倍頻、可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)和鎖模運(yùn)行。因而，半導(dǎo)體薄片激光器在激光頻率變換、光時(shí)鐘、光通信、激光顯示、生化分析、激光光譜學(xué)以及激光醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，是一種名副其實(shí)的新型實(shí)用激光光源。
　

2、　 國(guó)際上對(duì)半導(dǎo)體薄片激光器的研究熱是在近十年剛興起的。在理論研究方面，主要從微觀上研究半導(dǎo)體薄片激光器的增益特性、倍頻和參量振蕩以及鎖模過程的動(dòng)力學(xué)特性等；從宏觀上研究半導(dǎo)體薄片激光器的熱特性等。實(shí)驗(yàn)研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：一是提高激光器的輸出功率，特別是單橫模的輸出功率；二是擴(kuò)展激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，包括直接實(shí)現(xiàn)新波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)、以及倍頻、和頻、參量振蕩輸出；三是進(jìn)行單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)；四是獲得高重復(fù)頻率的超短脈沖激光輸出；五

3、是試驗(yàn)開發(fā)實(shí)際的應(yīng)用。
　　 本論文主要工作包括：
　　 1.理論研究了半導(dǎo)體薄片激光器的增益特性和面發(fā)射譜特性。從對(duì)異質(zhì)結(jié)能帶偏置比的確定出發(fā)，綜合能帶結(jié)構(gòu)、材料增益和對(duì)泵浦吸收三個(gè)方面，理論研究了具有GaAs、AlGaAs和GaAsP三種不同勢(shì)壘的InGaAs量子阱的增益特性，得到了GaAsP是最合適的勢(shì)壘材料的結(jié)論；根據(jù)量子阱的材料增益，優(yōu)化設(shè)計(jì)了1μm波段半導(dǎo)體薄片激光器有源區(qū)量子阱的阱寬、阱深和阱的構(gòu)成形式，并

4、對(duì)單量子阱、雙量子阱和三量子阱進(jìn)行了對(duì)比研究；利用量子阱自發(fā)輻射譜和量子阱有源區(qū)縱向限制因子的概念，提出了半導(dǎo)體薄片激光器面發(fā)射譜的計(jì)算模型，模型的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，有效地解決了半導(dǎo)體薄片激光器設(shè)計(jì)中對(duì)面發(fā)射譜的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問題。
　　 2.高功率半導(dǎo)體薄片激光器的實(shí)驗(yàn)研究。用有限元方法數(shù)值分析了增益片基質(zhì)厚度和金剛石散熱窗口對(duì)半導(dǎo)體薄片激光器散熱性能的影響，利用具有高熱導(dǎo)率的0.3mm厚金剛石薄片作為激光器的散熱窗

5、口，得到了最大功率為880mW的高功率輸出；實(shí)驗(yàn)研究了金剛石散熱窗口、輸出鏡耦合輸出效率、輸出鏡曲率半徑、泵浦光斑大小以及熱沉溫度等因素對(duì)激光器輸出性能的影響；研究了具有金剛石散熱窗口的半導(dǎo)體薄片激光器的輸出光譜特性。
　　 3.對(duì)半導(dǎo)體薄片激光器腔內(nèi)倍頻的實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)KNbO3、KTP、BBO、BIBO和LBO等倍頻半導(dǎo)體薄片激光器常用非線性晶體相關(guān)參數(shù)的對(duì)比研究，經(jīng)過優(yōu)化選擇，利用5mm長(zhǎng)LBO作為腔內(nèi)倍頻晶體，獲得54

6、0nm的倍頻光輸出，輸出激光為Gauss分布的TEM00模式，最大倍頻輸出功率12mW，基頻光到倍頻光的倍頻轉(zhuǎn)換效率約30％。
　　 4.實(shí)驗(yàn)研究了高光束質(zhì)量、窄線寬的可調(diào)諧半導(dǎo)體薄片激光器。用40μm厚的石英標(biāo)準(zhǔn)具作為調(diào)諧元件置于光腔內(nèi)，得到了調(diào)諧范圍近10nm的連續(xù)可調(diào)諧激光輸出，調(diào)諧輸出最大功率110mW，輸出激光的線寬為0.07nm，光束的M2因子1.03；結(jié)合激光器的增益特性和標(biāo)準(zhǔn)具的濾波特性，理論分析了激光器的調(diào)諧范

7、圍，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地符合。
　　 5.緊湊小型化、溫度性能穩(wěn)定的高重復(fù)頻率超短脈沖半導(dǎo)體薄片激光器的實(shí)驗(yàn)研究。用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM作為被動(dòng)鎖模元件，實(shí)現(xiàn)了1.5GHz和3.0GHz的高重復(fù)頻率穩(wěn)定連續(xù)鎖模輸出，脈沖寬度分別為5.0ps和4.9ps，最大的鎖模輸出功率30mW；鎖模激光器顯示出良好的溫度穩(wěn)定性能，波長(zhǎng)隨溫度的漂移速度僅0.035nm/K，隨泵浦功率的漂移速度也只有6×10-5nm/(kW.cm-2