高功率半导体激光器外腔合束技术及白激光研究

发布时间：2020-04-26 17:07

【摘要】：半导体激光器具备寿命长、电光转换效率高、功率体积比大、调制性能优异、可选波长宽、易于集成等诸多性能优势,随着功率、亮度、光束质量、频谱稳定性等性能的不断提升,半导体激光器已直接或间接应用在空间通信、激光加工、激光照明与显示、激光测量与监测、国防安全等领域,在全球范围内半导体激光器市场规模也在不断扩大。作为间接光源,半导体激光泵浦固体、光纤及碱金属等多种类型激光器,要求泵浦光谱与吸收光谱严格匹配,而半导体激光器存在光谱较宽、频谱稳定性较差的问题,导致泵浦效率较低。作为直接能量光源,半导体激光器单元器件功率较低,光束质量差等问题都亟待解决。另外,基于红、绿、蓝(RGB)三基色半导体激光器的合成光源应用在激光显示及照明领域,具有显色性好、亮度高等优势,但由于处于起步阶段,存在激光功率低的问题,不能满足高功率、高亮度激光显示的使用要求。本论文基于半导体激光外腔反馈波长锁定及合束技术,研制出高功率、高光束质量的直接光源和适用于碱金属蒸汽激光器泵浦的高功率、窄线宽泵浦光源;基于RGB三基色半导体激光器研制出高功率白激光显示光源。具体的研究内容和成果如下:(1)基于RGB三基色半导体激光器件,通过空间合束、波长合束等,三基色光耦合进单光纤,光纤输出合束光功率超过100W。根据色度学原理进行颜色功率配比,获得了功率达63W,色温为5710K的白光输出,比标准白光D_(65)的色温低12.2%。在此基础上,进行调温、调色实验,获得了功率达58.4W,色温为6480K的白光输出,比标准白光D_(65)的色温低3.08%。基于该光源,通过调整激光功率配比,可实现不同色温的合束激光输出。(2)针对Rb碱金属蒸汽激光器泵浦光需求,提出了快轴准直镜-光束变换器-慢轴准直镜-反射式体布拉格光栅(FAC+BTS+SAC+RVBG)的结构,通过压缩入射到RVBG的激光发散角,提高RVBG有效反馈率的方式,研制出780nm窄线宽半导体激光器,光谱宽度为0.064nm(FWHM),进一步精确温控RVBG,可将中心波长稳定在780.00nm,温漂系数为0.0012nm/℃,电流漂移系数为0.0013nm/A,连续功率达到47.2W。基于该结构,合束四个波长可控的激光线阵,输出功率达到173.8W,电光转换效率为46.6%。(3)基于单线阵800nm半导体激光器,实现了19个激光单元的光谱合束输出,合束后的光谱宽度为3.94nm,相邻峰之间的间隔约为0.22nm,输出功率为31W,电光转换效率达到51.5%。在此基础上,实现了四个800nm半导体激光线阵的光谱合束。(4)提出了一种双谐振腔共用单光栅实现多激光单元光谱合束的结构,基于透射式衍射光栅,搭建了外腔反馈光谱合束双谐振腔原理样机,并结合偏振合束,实现8个800nm半导体激光线阵的激光合束,连续输出功率超过200W,光束质量M~2为2.2×16.7,可以被耦合到50μm/0.22NA光纤中,其亮度高于商用的的光纤(100μm/0.22NA,800nm,100W)亮度数十倍。
【图文】：

高功率半导体激光器,单管,线阵

高功率半导体激光器外腔合束技术及白激光研究管激光的输出功率。为获得高功率，除以上方法外，还可以采用激阵的方式，如图 1.2 所示。目前，美国 QPC，JDS，Alfalight，AxcelPh，德国 DILAS，FBI 等机构在已报道的高功率半导体激光器单管上据波长和输入条件的不同，单管功率约为 10~30W[24-31]，仍需要进以获得更高功率的直接输出。随着单管激光器功率效率的提升，激的输出功率也随之增长，激光线阵目前报道的功率范围在百瓦级，道极少[32-41]，伴随着光束质量和功率密度的降低，叠阵输出功率则德国Laserline 公司的典型叠阵产品，在2000W时光束质量为20m度为 6.37 106W·cm-2，15000W 时光束质量为 100mm·mrad，，功率06 W·cm-2。

布拉格反射,光腔,波导结构,垂直发散

第 1 章绪论制备了具有优化外延结构的纵向光子晶体（PBC）900nm明，引入 5.5mm 以上的 PBC 波导，只增加了激光半导体大面积 PBC 激光器，连续输出功率为 5.75W，准连续输%负载下，垂直发散角为10.5°，在95%负载下，垂直发散角春光机所的 Wang L J 提出不使用传统的全反射波导结布拉格反射波导结构设计处超大光腔，其外延层厚度为峰值功率 4.2W 时，快轴发散角约为 4.91°，接近基膜输出
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4

【相似文献】