半導體薄片激光器理論及實驗研究.pdf

1、半導體薄片激光器綜合了半導體激光器和固體薄片激光器的優(yōu)點。一方面，它具有半導體激光器的優(yōu)點，利用成熟的半導體能帶工程，其發(fā)射波長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，既能獲得高光束質量和高功率輸出，也能方便地進行腔內倍頻、可調諧運轉和鎖模運行。因而，半導體薄片激光器在激光頻率變換、光時鐘、光通信、激光顯示、生化分析、激光光譜學以及激光醫(yī)學等諸多領域都有重要的應用，是一種名副其實的新型實用激光光源。
　

2、　 國際上對半導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力學特性等；從宏觀上研究半導體薄片激光器的熱特性等。實驗研究方向主要集中在以下幾個方面：一是提高激光器的輸出功率，特別是單橫模的輸出功率；二是擴展激光器的發(fā)射波長，包括直接實現(xiàn)新波長、雙波長、以及倍頻、和頻、參量振蕩輸出；三是進行單頻運轉和可調諧運轉；四是獲得高重復頻率的超短脈沖激光輸出；五

3、是試驗開發(fā)實際的應用。
　　 本論文主要工作包括：
　　 1.理論研究了半導體薄片激光器的增益特性和面發(fā)射譜特性。從對異質結能帶偏置比的確定出發(fā)，綜合能帶結構、材料增益和對泵浦吸收三個方面，理論研究了具有GaAs、AlGaAs和GaAsP三種不同勢壘的InGaAs量子阱的增益特性，得到了GaAsP是最合適的勢壘材料的結論；根據(jù)量子阱的材料增益，優(yōu)化設計了1μm波段半導體薄片激光器有源區(qū)量子阱的阱寬、阱深和阱的構成形式，并

4、對單量子阱、雙量子阱和三量子阱進行了對比研究；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，提出了半導體薄片激光器面發(fā)射譜的計算模型，模型的數(shù)值模擬結果與實驗結果很好地吻合，有效地解決了半導體薄片激光器設計中對面發(fā)射譜的準確預測問題。
　　 2.高功率半導體薄片激光器的實驗研究。用有限元方法數(shù)值分析了增益片基質厚度和金剛石散熱窗口對半導體薄片激光器散熱性能的影響，利用具有高熱導率的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；實驗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體薄片激光器的輸出光譜特性。
　　 3.對半導體薄片激光器腔內倍頻的實驗研究。通過對KNbO3、KTP、BBO、BIBO和LBO等倍頻半導體薄片激光器常用非線性晶體相關參數(shù)的對比研究，經(jīng)過優(yōu)化選擇，利用5mm長LBO作為腔內倍頻晶體，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換效率約30％。
　　 4.實驗研究了高光束質量、窄線寬的可調諧半導體薄片激光器。用40μm厚的石英標準具作為調諧元件置于光腔內，得到了調諧范圍近10nm的連續(xù)可調諧激光輸出，調諧輸出最大功率110mW，輸出激光的線寬為0.07nm，光束的M2因子1.03；結合激光器的增益特性和標準具的濾波特性，理論分析了激光器的調諧范

7、圍，理論結果與實驗數(shù)據(jù)很好地符合。
　　 5.緊湊小型化、溫度性能穩(wěn)定的高重復頻率超短脈沖半導體薄片激光器的實驗研究。用半導體可飽和吸收鏡SESAM作為被動鎖模元件，實現(xiàn)了1.5GHz和3.0GHz的高重復頻率穩(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