光泵浦外腔面发射激光器热管理的研究

光泵浦垂直外腔面发射激光器(optically pumped vertical external cavity surface emitting laser,OP-VECSEL)可以输出TEM00模的光,它综合了面发射半导体激光器和光泵浦固体激光器的优点,高功率,高光束质量,能方便地进行锁模和腔内倍频,被广泛地用于激光显示领域,医学刑侦技术和生物仪器领域的一种新型的激光光源。本文首先介绍了半导体激光器的发展过程,与气体激光器和固体激光器均做了一定的比较,突出了半导体激光器可以直接由电流泵浦或光泵浦。介绍了由半导体激光器和光泵浦固体激光器发展而来的光泵浦垂直外腔面发射激光器。介绍了光泵浦垂直外腔面发射激光器的优势:光泵浦垂直外腔面发射激光器无pn结、无电接触,简化了激光器芯片的生长过程,也不需要诸如光刻和台面蚀刻额外的处理,可以灵活的调节腔长,光泵浦垂直外腔面发射激光器的输出光可以覆盖红外到可见光波段。带隙工程允许优化垂直外腔面发射激光器泵浦的功率分布,以消除对多量子载流子传输的限制和优化的屏障,可最大限度提高泵浦吸收效率和限制量子阱的载流子,从而最大限度地减少了由于光泵浦产生的不必要的热量。介绍了垂直外腔面发射激光器在多个领域的广泛应用。但同时也说明了了垂直外腔面发射激光器外延片在生长过程中由于设备等原因导致的不均匀性,会改变半导体微腔的长度,当有源区中的温度上升时,输出的激光波长会红移。多数应用要求具有波长稳定性和线宽要求,这些缺点可能会限制了光泵浦垂直外腔面发射激光器在这些方面的应用。介绍了光泵浦垂直外腔面发射激光器外延片的基本理论和结构,给出了外延片结构中运行原理能带带隙示意图,形象地说明了激光的形成机制。阐述了外延片中分布布拉格反射镜的设计原理和公式推导,讨论了反射率和周期膜层数奇偶数的关系,得出奇数层膜数的反射率要比偶数层膜数要大。介绍了多量子阱有源区中因晶格不匹配的应力而导致缺陷和错位的量子阱应变理论,并对临界厚度做了计算和量子阱的自发辐射谱做了分析。给出了光在周期性增益结构的光场分布。根据实验数据画出了阈值载流子功率,阈值泵浦功率和量子阱个数的关系。对分布布拉格反射镜上光斑的尺寸,外腔镜上的光斑和腔长的关系给出了关系曲线图。介绍了光泵浦垂直外腔面发射激光器热管理的基本思想和建立了光泵浦垂直外腔面发射激光器中底部散热器和窗口散热片的热量模型并进行了分析,通过了MATLAB软件模拟对是否有衬底基质,是否有散热片,在不同的泵浦光斑直径,不同功率下分别进行了模拟,并给出了相应的结论。介绍了光泵浦垂直外腔面发射激光器热管理的常用方法,包括散热窗口片的使用,外延片基质的去除。给出了外延片的结构和成份表,这样更能有针对性的去除基质,其中外延片基质的去除包括机械减薄法来去除大部分基质然后再用化学腐蚀法去除剩下的基质,或者直接使用化学腐蚀法去除。使用的化学湿法腐蚀单独做了比较性的实验,通过不同配比的硫酸和双氧水腐蚀液,在不同的温度对外延片基质的腐蚀速率和腐蚀后的表面平整度给了比较和分析,并使用原子力显微镜来表征腐蚀后表面的平整度,结合实际情况来判断较好的腐蚀条件。