底发射结构光泵浦垂直外腔半导体激光器的若干关键技术研究

光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器OPSL综合了固体激光器与半导体激光器的优势,在光束质量、出光功率、调谐区间以及波长覆盖范围等方面具有非常明显的综合性优势。自1997年M.Kuznetsov开创性地实现0.5W近衍射极限基模高斯光束输出以来,OPSL因具有巨大的潜在工程应用价值,该方向在国际上受到了广泛关注,标志性研究成果不断涌现。基于半导体能带工程,目前OPSL可实现的输出波长已能够连续覆盖从可见到远红外的广泛区域,在传统激光器难以实现的特种波段上具有明显优势;此外OPSL可集成谐振腔中后反射镜以及可饱和吸收镜,其腔结构简单,可实现低成本与超小型化封装,在各种便携式光谱设备上有着广泛的应用空间。国际上对OPSL研究可分为理论研究、材料体系研究、高功率激光器研究以及外腔扩展应用研究。在理论研究方面,主要从微观上研究OPSL增益片的增益特性、优化量子阱结构设计以及OPSL倍频、锁模过程的动力学特性;从宏观上研究激光器热管理,包括量子阱有源区热流分布和激光器温度场数值分析。OPSL外延生长材料体系研究已从可见光波段的In Ga P基质、近红外波段的Ga As基质扩展至远红外的Ga Sb基质和Pb S基质。高功率激光器在优化外延片结构设计的基础上,主要表现为提高OPSL的热管理能力,采取的措施有基质刻蚀、散热窗口、多增益片结构以及量子阱境内泵浦等。而外腔扩展应用研究集中在频率扩展技术、单频和调谐技术以及锁模技术方面。本文的主要工作是采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法研究底发射结构OPSL的相关特性,完成了OPSL外延片结构分析,外延片封装实验和激光器性能实验。具体内容如下:①基于异质结应变理论,带边偏置模型和方形势阱模型,理论研究和计算了In Ga As/Ga As应变量子阱能级分布,分析了In组分含量及阱宽对激射波长的影响,确定了1000nm波段量子阱的阱宽为8nm时,In组分应在0.15~0.18区间较为合理;采用矢势变量,建立了多层薄膜结构下光场强度分布的通用形式,研究了OPSL的DBR以及微腔中光场强度分布特性,探讨了Al As/Ga As和Al As/Alx Ga As材料系的DBR反射带宽与薄膜对数的关系以及其在应用中的差异。研究得到了OPSL微腔纵模限制因子的增益峰随窗口层厚度的变化规律,可为优化高功率OPSL芯片结构设计提供参考。②基于OPSL激光器模式增益的因子分析,提出了高功率OPSL激光器结构设计的基本原则,即在外延片结构设计中要精确调整窗口层厚度,优化腐蚀阻挡层设计,严格控制外延生长质量,实现量子阱增益、周期性增益和纵模限制因子三种和温度、波长相关的曲线峰值在工作温度区间匹配,探讨了论文采用的OPSL芯片结构设计上存在的问题以及改进方法。③通过分离TEC中帕尔贴效应与焦耳效应的响应区域,首次建立了不依赖于端面温度参数的TEC广义热传模型,建立了含TEC的OPSL热管理系统温度场模型,详细研究了热管理系统中诸要素特别是OPSL热沉参数对量子阱最高温度的影响。研究发现含TEC的热管理系统中无氧铜材料适宜为底发射结构OPSL外延片热沉,在数瓦出光功率下OPSL散热系统不需要高热交换系数的换热转置。④实验研究了底发射结构OPSL外延片表面金属化、焊接、直接键合和腐蚀等封装工艺,探讨了各工艺环节的基本原理以及实验中出现的各种问题及其解决方案,实现了焊接与直接键合外延片的工艺,腐蚀得到了光亮的出光表面。⑤理论分析和数值模拟了谐振腔结构中腔长、输出耦合镜以及泵浦光对OPSL激光器性能影响,实验研究了OPSL外延片自发辐射谱随温度、泵浦功率的变化情况。完成了OPSL激光器出光实验,得到了近衍射极限基模高斯光束,其中二维方向的M平方因子分别为1.01和1.02,最大出光功率0.5W,斜效率为28.4%,利用外延片的边发射谱随温度的变化数据得到了出光功率偏低的主要原因;分析了非线性晶体材料LBO的相关特性,完成了OPSL腔内倍频实验,倍频效率约27%。