薄片式半导体倍频激光器特性研究

半导体薄片激光器以其结构紧凑、功率损耗低、光束质量好、波长可调谐、热透镜效应低的优点,被广泛应用于生物医学、光数据存储、化学传感等领域并可作为其他激光器的泵浦源。另外,半导体薄片激光器综合了半导体激光器和固体薄片激光器的优点。一方面,它具有半导体激光器的优点,利用成熟的半导体能带工程,其发射波长覆盖从可见光到近红外的广泛区域;另一方面,它又兼备固体激光器的优点,既能获得高光束质量和高功率输出,也能方便地进行腔内倍频,可调谐运转和锁模运行。 半导体薄片倍频激光器以其波长可调谐、输出功率高、光束质量好、倍频转换效率高等优点被应用于激光投影显示、光存储、生物分析仪器和踪迹恢复等领域。迄今为止,很少有激光器能直接输出绿光,本文中的半导体薄片激光器腔内倍频输出515nm的绿光,可应用于激光显示等领域,是目前半导体激光器研究的热点之一。 论文主要内容包括: (1)介绍了半导体薄片式激光器的发展现状及半导体薄片式倍频激光器的发展现状、研究意义及目前的应用; (2)介绍了倍频理论及非线性光学耦合波方程;并就常用的倍频晶体进了行参数比对,给出了本实验用的半导体薄片式激光器腔内倍频晶体为LBO、KTP、KN。文中还介绍了单轴晶体和双轴晶体的相位匹配角和有效非线性光学系数的计算方法,并计算了实验所选三种晶体的相位匹配角θ,φ和有效非线性系数deff; (3)实验上实现了腔内倍频激光输出。介绍了实验中所用的半导体增益芯片的生长结构及发光原理。实验使用了两种腔型:直腔和折叠腔。模拟计算了两种腔型的腔长和腰斑半径。实验分别在两种不同的腔型中,分别用选定的三种倍频晶体进行了实验,给出了基频光和倍频光的斜效率曲线,并就实验结果进行讨论; (4)实验中用到的半导体增益芯片的热沉积会随泵浦光功率的增加而急剧增加,当其内部热积累到一定地步,激光便会熄灭。因此半导体增益芯片的热效应问题是提高薄片式半导体激光器输出功率的最大障碍,所以半导体芯片的散热显得尤为重要。本文就文献中提到的两种散热方法进行数值模拟,对其模拟结果进行对比讨论,给出可行的散热方案。