底發(fā)射結(jié)構(gòu)光泵浦垂直外腔半導(dǎo)體激光器的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 OPSL綜合了固體激光器與半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢，在光束質(zhì)量、出光功率、調(diào)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(shí)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(yīng)用價(jià)值，該方向在國際上受到了廣泛關(guān)注，標(biāo)志性研究成果不斷涌現(xiàn)。基于半導(dǎo)體能帶工程，目前 OPSL可實(shí)現(xiàn)的輸出波長已能夠連續(xù)覆蓋從可見到遠(yuǎn)紅外的廣泛區(qū)域，在傳統(tǒng)激光器

2、難以實(shí)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(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)低成本與超小型化封裝，在各種便攜式光譜設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)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(kuò)展應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及 OPSL倍頻、鎖模過程的動力學(xué)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(zhì)、近紅外波段的GaAs基質(zhì)擴(kuò)展至遠(yuǎn)紅外的GaSb基質(zhì)和PbS基質(zhì)。高功率激光器在優(yōu)化外延片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主要表現(xiàn)為提高 OPSL的熱管理能力，采取的措施有基質(zhì)刻蝕、散熱窗口、多增益片結(jié)構(gòu)以及量子阱境內(nèi)泵浦等。而外腔擴(kuò)展應(yīng)用研究集中在頻率擴(kuò)展技術(shù)、單頻和調(diào)諧技術(shù)以及鎖模技術(shù)方面。
　　本文的主要工作是采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究

4、底發(fā)射結(jié)構(gòu)OPSL的相關(guān)特性，完成了OPSL外延片結(jié)構(gòu)分析，外延片封裝實(shí)驗(yàn)和激光器性能實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容如下：
　?、倩诋愘|(zhì)結(jié)應(yīng)變理論，帶邊偏置模型和方形勢阱模型，理論研究和計(jì)算了InGaAs/GaAs應(yīng)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(shí)，In組分應(yīng)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(jié)構(gòu)下光場強(qiáng)度分布的通用形式，研究了OPSL的DBR以

5、及微腔中光場強(qiáng)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(guān)系以及其在應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
　?、诨贠PSL激光器模式增益的因子分析，提出了高功率OPSL激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，即在外延片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要精確調(diào)整窗口層厚度，優(yōu)化腐蝕阻擋層設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制外延生長質(zhì)量，實(shí)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(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的問題以及改進(jìn)方法。
　　③通過分離TEC中帕爾貼效應(yīng)與焦耳效應(yīng)的響應(yīng)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(xì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)置。
　　④實(shí)驗(yàn)研究了底發(fā)射結(jié)構(gòu) 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(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問題及其解決方案，實(shí)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(jié)構(gòu)中腔長、輸出耦合鏡以及泵浦光對OPSL激光器性能影響，實(shí)驗(yàn)研究了OPSL外延片自發(fā)輻射譜隨溫度、泵浦