高功率红光半导体激光器光束质量控制的研究

发布时间：2020-08-27 15:29

【摘要】：半导体激光器由于其具有输出功率大、转换效率高、可靠性好、使用寿命长、器件体积小、波长覆盖范围广等优势,是一种被广泛使用的激光光源。但是半导体激光器由于自身的结构,导致器件发出的光在垂直方向和水平方向上存在差异,光束质量相差悬殊,致使光束的束腰位置不重合,存在像散的现象。目前,提高器件的输出功率并且保证器件的光束质量,已经成为半导体激光器行业的研究热点和难点。高输出功率和高光束质量通常是相互矛盾的,在大电流下,器件可以获得较高的输出功率;但是在大电流下,器件内部载流子和电流分布不均匀的现象会加剧,引起器件内部材料的折射率发生不均匀的变化,进而导致器件的远场扩散、发散角变大,严重影响输出光束的质量。因此,我们将非对称光学波导和分区电极引入到常规半导体激光器中。实验结果表明该结构在保证器件输出功率的同时,也改善了器件的光束质量,同时也降低了侧向远场发散角对于电流的依赖程度。本次研究中设计的半导体激光器制作工艺较为简单、生产成本也较低,非常适合大批量的生产,同时也为高功率高光束质量的红光半导体激光器的设计奠定了良好的基础。本论文主要对高功率高光束质量的红光半导体激光器的理论、设计、工艺制备及器件的性能等方面进行了研究。主要内容和创新成果如下:(1)利用材料的有效折射率近似的原理,求解了红光半导体激光器内部的波导方程、载流子扩散方程,获得侧向光场模式的表达式。然后对器件的基模和高阶模的光场的分布进行了对比和分析,总结高阶模式激射的条件和原理,从而得到优化侧向光束质量的方案。(2)为了提高器件的光束质量,在垂直P-N结的方向采用大光腔结构;在波导层的尺寸上,P区整体较薄、N区较厚,这种非对称的设计可以减少器件内部对光场的吸收,从而减小损耗;在侧向平行于P-N结的方向刻蚀脊型波导,用来限制器件的光场。同时优化干法刻蚀工艺,精确控制刻蚀的深度和角度,保证器件工艺流程的可靠性。(3)利用Lastip、comsol等软件对器件外加电流、有源区的载流子和器件内部的增益、温度分布情况等进行模拟,根据模拟结果和理论分析,提出了分区电极结构。该结构的加入大大提高了常规红光半导体激光器的光束质量,器件的侧向远场慢轴发散角均在10°以下,并且随着电流的变化范围也更小。
【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】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4

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本文编号：2806276