底發(fā)射結構光泵浦垂直外腔半導體激光器的若干關鍵技術研究.pdf

1、光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導體激光器 OPSL綜合了固體激光器與半導體激光器的優(yōu)勢，在光束質量、出光功率、調諧區(qū)間以及波長覆蓋范圍等方面具有非常明顯的綜合性優(yōu)勢。自1997年M. Kuznetsov開創(chuàng)性地實現(xiàn)0.5W近衍射極限基模高斯光束輸出以來，OPSL因具有巨大的潛在工程應用價值，該方向在國際上受到了廣泛關注，標志性研究成果不斷涌現(xiàn)?；诎雽w能帶工程，目前 OPSL可實現(xiàn)的輸出波長已能夠連續(xù)覆蓋從可見到遠紅外的廣泛區(qū)域，在傳統(tǒng)激光器

2、難以實現(xiàn)的特種波段上具有明顯優(yōu)勢；此外 OPSL可集成諧振腔中后反射鏡以及可飽和吸收鏡，其腔結構簡單，可實現(xiàn)低成本與超小型化封裝，在各種便攜式光譜設備上有著廣泛的應用空間。
　　國際上對 OPSL研究可分為理論研究、材料體系研究、高功率激光器研究以及外腔擴展應用研究。在理論研究方面，主要從微觀上研究 OPSL增益片的增益特性、優(yōu)化量子阱結構設計以及 OPSL倍頻、鎖模過程的動力學特性；從宏觀上研究激光器熱管理，包括量子阱有源區(qū)熱流

3、分布和激光器溫度場數(shù)值分析。OPSL外延生長材料體系研究已從可見光波段的InGaP基質、近紅外波段的GaAs基質擴展至遠紅外的GaSb基質和PbS基質。高功率激光器在優(yōu)化外延片結構設計的基礎上，主要表現(xiàn)為提高 OPSL的熱管理能力，采取的措施有基質刻蝕、散熱窗口、多增益片結構以及量子阱境內泵浦等。而外腔擴展應用研究集中在頻率擴展技術、單頻和調諧技術以及鎖模技術方面。
　　本文的主要工作是采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結合的方法研究

4、底發(fā)射結構OPSL的相關特性，完成了OPSL外延片結構分析，外延片封裝實驗和激光器性能實驗。具體內容如下：
　?、倩诋愘|結應變理論，帶邊偏置模型和方形勢阱模型，理論研究和計算了InGaAs/GaAs應變量子阱能級分布，分析了In組分含量及阱寬對激射波長的影響，確定了1000nm波段量子阱的阱寬為8nm時，In組分應在0.15~0.18區(qū)間較為合理；采用矢勢變量，建立了多層薄膜結構下光場強度分布的通用形式，研究了OPSL的DBR以

5、及微腔中光場強度分布特性，探討了AlAs/GaAs和AlAs/AlxGaAs材料系的DBR反射帶寬與薄膜對數(shù)的關系以及其在應用中的差異。研究得到了OPSL微腔縱模限制因子的增益峰隨窗口層厚度的變化規(guī)律，可為優(yōu)化高功率 OPSL芯片結構設計提供參考。
　　②基于OPSL激光器模式增益的因子分析，提出了高功率OPSL激光器結構設計的基本原則，即在外延片結構設計中要精確調整窗口層厚度，優(yōu)化腐蝕阻擋層設計，嚴格控制外延生長質量，實現(xiàn)量子阱

6、增益、周期性增益和縱模限制因子三種和溫度、波長相關的曲線峰值在工作溫度區(qū)間匹配，探討了論文采用的 OPSL芯片結構設計上存在的問題以及改進方法。
　?、弁ㄟ^分離TEC中帕爾貼效應與焦耳效應的響應區(qū)域，首次建立了不依賴于端面溫度參數(shù)的TEC廣義熱傳模型，建立了含TEC的OPSL熱管理系統(tǒng)溫度場模型，詳細研究了熱管理系統(tǒng)中諸要素特別是 OPSL熱沉參數(shù)對量子阱最高溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)含TEC的熱管理系統(tǒng)中無氧銅材料適宜為底發(fā)射結構OP

7、SL外延片熱沉，在數(shù)瓦出光功率下OPSL散熱系統(tǒng)不需要高熱交換系數(shù)的換熱轉置。
　?、軐嶒炑芯苛说装l(fā)射結構 OPSL外延片表面金屬化、焊接、直接鍵合和腐蝕等封裝工藝，探討了各工藝環(huán)節(jié)的基本原理以及實驗中出現(xiàn)的各種問題及其解決方案，實現(xiàn)了焊接與直接鍵合外延片的工藝，腐蝕得到了光亮的出光表面。
　?、堇碚摲治龊蛿?shù)值模擬了諧振腔結構中腔長、輸出耦合鏡以及泵浦光對OPSL激光器性能影響，實驗研究了OPSL外延片自發(fā)輻射譜隨溫度、泵浦