光泵浦VECSELs設(shè)計(jì)理論、制備工藝與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光泵浦VECSELs是一種以半導(dǎo)體增益結(jié)構(gòu)材料為激光介質(zhì)的半導(dǎo)體激光泵浦半導(dǎo)體增益介質(zhì)的全固態(tài)激光器。它結(jié)合了半導(dǎo)體泵浦固體激光器和傳統(tǒng)電泵浦VCSELs的構(gòu)造方法，具有高輸出功率、高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量及寬光譜調(diào)諧范圍等優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些突出優(yōu)點(diǎn)而使得光泵浦VECSELs在高速激光打印、光信息存儲(chǔ)、激光通信與目標(biāo)探測(cè)、刑事偵查、生物化學(xué)與材料分析、臨床醫(yī)療及影像顯示等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文在綜述光泵浦VECSEL

2、s的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了光泵浦VECSELs的基本原理和典型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡述了VECSEL芯片制備的材料體系，對(duì)其中的核心部件-半導(dǎo)體增益介質(zhì)VECSEL芯片的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)展了深入研究;基于VECSEL芯片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和光泵浦VECSELs的工作特性，研究了VECSEL芯片的外延生長(zhǎng)和芯片封裝制備工藝;基于有限元計(jì)算分析方法，深入研究了光泵浦VECSELs的熱特性;基于速率方程理論，建立了光泵浦VECSELs的理論模型

3、，分析了光泵浦VECSELs諧振腔結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了光泵浦VECSELs的實(shí)驗(yàn)研究。
　　從半導(dǎo)體能帶理論出發(fā)，介紹了不同半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)過(guò)程中的晶格失配度及厚度加權(quán)和零應(yīng)變平衡方法。給出了半導(dǎo)體增益介質(zhì)VECSEL芯片的典型結(jié)構(gòu)，基于多光束干涉理論和光學(xué)傳播矩陣，建立了布拉格反射鏡反射率和反射鏡帶寬的方程，分析了反射鏡對(duì)數(shù)和材料折射率差對(duì)布拉格反射鏡反射率的影響;采用((HL)DH)N排列形式，設(shè)計(jì)了808nm和980nm雙反射帶

4、反射鏡，分別獲得99.991％和99.959％的反射率。研究了In組份、P組份和量子阱寬對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響，從模型固體理論出發(fā)，結(jié)合k.p理論、Pikus-Bir理論和駐波條件，提出一種應(yīng)變量子阱對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償方法，通過(guò)在InGaAs量子阱兩側(cè)對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)GaAsP材料層實(shí)現(xiàn)對(duì)量子阱壓應(yīng)變的良好補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了13周期應(yīng)變對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)的980nmVECSEL外延片。給出了VECSEL芯片制備工藝過(guò)程，基于分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，開(kāi)展了98

5、0nmVECSEL外延片的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)所生長(zhǎng)VECSEL外延片的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。采用機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的減薄方式，研究了VECSEL外延片減薄工藝，研究了VECSEL芯片和散熱片金屬化及銦焊封裝工藝。
　　從光泵浦VECSELs的廢熱產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的熱分析模型。從速率方程理論出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的理論模型，給出了光泵浦VECSELs的閾值條件和輸出功率

6、特性，并進(jìn)行了數(shù)值模擬?；诘葍r(jià)腔分析方法，建立了光泵浦VECSELs的諧振腔模型，給出了VECSEL芯片和輸出鏡表面的基模光斑隨諧振腔腔長(zhǎng)的變化情況。首次建立了雙反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片有源區(qū)內(nèi)部熱載荷的分布方程，分別對(duì)比研究了單、雙反射帶反射鏡反射率和厚度相同情況下VECSEL芯片的熱特性，結(jié)果表明雙反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性明顯優(yōu)于單反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性。
　　針對(duì)VECSEL芯片封

7、裝方式差異對(duì)芯片熱特性的影響，提出VECSEL芯片雙面鍵合散熱片封裝工藝及方法，研究了雙面鍵合散熱片結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性，并從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明雙面鍵合散熱片芯片封裝方式有效改善了激光器的熱特性。開(kāi)展了泵浦光入射方向、芯片熱管理方式、芯片工作溫度等差異的實(shí)驗(yàn)研究，在工作溫度為10℃時(shí)，最大獲得了4.6W978nm光泵浦VECSELs激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到29.7％。為了從泵浦光束分布的角度來(lái)提高對(duì)光泵浦VECSELs

8、的熱管理，首次將環(huán)形光束的應(yīng)用引入到激光器的泵浦領(lǐng)域，深入研究了環(huán)形光束參數(shù)對(duì)VECSEL芯片熱特性的影響，通過(guò)光泵浦實(shí)驗(yàn)，在室溫下獲得4.64W激光輸出。研究結(jié)果表明:在同等工作條件下，與高斯光束泵浦VECSELs相比，環(huán)形光束泵浦VECSELs的閾值較高，但其出現(xiàn)熱翻轉(zhuǎn)效應(yīng)相對(duì)延遲，允許注入更大的有效泵浦功率，最大輸出功率相應(yīng)得到提高。研究了光泵浦VECSELs聲光調(diào)Q激光器的輸出功率特性，通過(guò)在腔內(nèi)置入倍頻晶體開(kāi)展了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和準(zhǔn)連