蓝光大功率GaN基光栅外腔可调谐激光器研究
发布时间：2020-09-22 18:47
随着半导体材料生长技术和器件制作工艺的发展,大功率GaN基半导体激光器已实现商业化,其在许多领域都具有重要应用。但普通边发射半导体激光器受材料和结构等方面影响,输出光谱较宽,表现为多模模式,且激射波长不易调谐。为满足原子冷却与俘获、高分辨光谱测试、大容量全息数据存储等行业对大功率、窄线宽、可调谐蓝光激光光源的需求,本论文使用光栅作为外部光反馈元件,搭建了 Littrow和Littman型光栅外腔激光器,并对其性能进行了分析研究。本论文所做的主要工作如下:一、以450nm大功率商用GaN基边发射激光器为基础,搭建了 Littrow型光栅外腔激光器结构,研究了增益器件结平面相对于光栅刻线的放置方向对外腔激光器性能的影响。实验分别搭建了增益器件结平面垂直于光栅刻线的A构型和结平面平行于光栅刻线的B构型外腔激光器结构,其中,B构型外腔激光器因为具有更好的选模能力而展现出更好的外腔激射性能。当注入电流为1100mA时,B构型外腔激光器输出光谱半高宽由自由运行增益器件的1nm压窄至0.1nm,输出波长在443.9～447.5nm范围内连续可调,可调谐范围达3.6nm;在波长调谐范围中心位置,放大自发辐射抑制比可达35dB以上,此时外腔耦合效率达80%,输出光功率为1.24W。二、研究了光栅衍射效率和光栅刻线密度对光栅外腔激光器性能的影响。实验中使用三块具有不同参数的光栅搭建了 Littrow型外腔激光器结构,发现光栅较高的零级衍射效率有利于获得大功率外腔激光输出,而较高的一级衍射效率有利于扩展外腔激光器的波长调谐范围。当使用零级衍射效率为76%,一级衍射效率为11.5%的光栅时,外腔耦合效率达80%,1100mA注入电流下,外腔最大输出光功率可达1200mW以上,波长可调谐范围为3.6nm;当所用光栅零级衍射效率为58.5%,一级衍射效率为28.6%时,外腔激光器阈值在增益器件波长中心处下降了 46%,1100mA注入电流下,外腔激光器输出波长在442.2～450.5nm范围内连续可调,调谐范围达8.3nm,且最大输出功率超过500mW。此外,我们还发现,高光栅刻线密度有助于线宽压窄,尤其在低电流条件下工作时效果更为明显。实验中,当使用2400grooves/mm刻线的光栅时,注入电流300mA下获得了光谱线宽为0.02nm的外腔激射光,但随着电流的升高,半导体增益曲线趋于平坦,光栅反馈光的线宽被展宽,光栅刻线密度对激射线宽的影响减小了。三、使用大功率GaN基半导体激光器、衍射光栅、平面反射镜等元件搭建了 Littman结构光栅外腔激光器,研究了增益器件出射光相对于光栅法线的入射角度对Littman型外腔激光器性能的影响。实验对于450nm-Littman结构外腔激光器,入射角在10.4～39.8°范围内可有效减少衍结果结合光栅衍射光束分析表明,射光损失,有利于获得较好的外腔激光输出性能。当入射角为35°时,注入电流1500mA条件下,外腔激光器在453.7～456.8nm范围内连续可调,波长可调谐范围为3.1nm,输出激光线宽为0.08nm,在可调谐范围中心位置时,输出功率最大为 260mW。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
了逡逑图２．２双异质结半导体激光器结构示意图逡逑图２．３为半导体激光器模式选择示意图。图２．３邋（ａ）中，ＡＡ表示损耗ａ小于逡逑初始增益时的范围。如图２．３邋（ｂ）所示，在ＡＡ范围内的模式均满足谐振条件，逡逑此时本征腔纵模间隔表示为：逡逑Ａ入（２－８）逡逑其中Ｌ为腔长，ｎ为介质折射率，Ａ为激光波长。但图２．３邋（ｂ）中并非所有模式逡逑都能起振，半导体激光器工作时，腔内所有的模式消耗共有的反转粒子，模式之逡逑间存在竞争。如图２．３邋（ａ）中所示的增益曲线和损耗ａ的位置是没有激光产生逡逑时的初始位置，随着腔内模式产生，各种模式消耗了提供光增益的反转粒子，此逡逑时增益曲线均匀下降。在理想情况下，激光增强到稳定值时，增益曲线应该位于逡逑图２．３（ａ）中曲线Ｇ的位置。此时在增益曲线Ｇ中心处，半导体激光器的增益Ｇ邋＝邋ａ，逡逑在增益曲线其他波长处Ｇ＜ｃｔ，激射光只有位于增益曲线中心处的单一模式，这逡逑个过程称为增益饱和模式竞争。但在半导体激光器中
与延展腔结构相似，在增益器件两端分别使用一个光学反馈元件同时反馈，如图逡逑２．４邋（ｂ）所示；环形腔中激光分别从增益器件两端出射，经光学元件反馈后，由逡逑另一端返回器件，形成环形反馈，如图２．４邋（ｃ）所示。实际应用中，可根据需求逡逑选用不同结构的外腔，对于大部分半导体激光器，通常选用结构简单的延展腔即逡逑可满足实际需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—逦Ｆｉｔｔｅｒ邋逦邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ逦Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ逦Ｆｉｔｌｅｒ逦（ｂ）逡逑￣￣逦Ｆｉｔｌｅｒ逦ｒｎｘＺＫｆ）１逦Ｆｉｔｌｅｒ逦＾Ｖ（ｃ）逡逑图２．４三种外腔结构示意图，（ａ）为延展腔光路图，（ｂ）为双端腔示意图，（ｃ）逡逑为环形腔示意图逡逑光栅外腔半导体激光器是使用光栅作为外部光反馈元件构建的延展腔，主要逡逑包含两种构型：Ｌｉｔｔｒｏｗ结构和Ｌｉｔｔｍａｎ结构。如图２．５所示，（ａ）为Ｌｉｔｔｒｏｗ结逡逑构示意图，Ｌｉｔｔｒｏｗ结构由半导体增益器件、准直透镜和闪耀光栅等元件组成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光栅外腔激光器中，增益器件发光经过准直透镜准直后，入射到闪逡逑耀光栅发生衍射，衍射后光强主要分布在零级衍射光和一级衍射光上，其中一级逡逑衍射光与入射光光路重合
与延展腔结构相似，在增益器件两端分别使用一个光学反馈元件同时反馈，如图逡逑２．４邋（ｂ）所示；环形腔中激光分别从增益器件两端出射，经光学元件反馈后，由逡逑另一端返回器件，形成环形反馈，如图２．４邋（ｃ）所示。实际应用中，可根据需求逡逑选用不同结构的外腔，对于大部分半导体激光器，通常选用结构简单的延展腔即逡逑可满足实际需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—逦Ｆｉｔｔｅｒ邋逦邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ逦Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ逦Ｆｉｔｌｅｒ逦（ｂ）逡逑￣￣逦Ｆｉｔｌｅｒ逦ｒｎｘＺＫｆ）１逦Ｆｉｔｌｅｒ逦＾Ｖ（ｃ）逡逑图２．４三种外腔结构示意图，（ａ）为延展腔光路图，（ｂ）为双端腔示意图，（ｃ）逡逑为环形腔示意图逡逑光栅外腔半导体激光器是使用光栅作为外部光反馈元件构建的延展腔，主要逡逑包含两种构型：Ｌｉｔｔｒｏｗ结构和Ｌｉｔｔｍａｎ结构。如图２．５所示，（ａ）为Ｌｉｔｔｒｏｗ结逡逑构示意图，Ｌｉｔｔｒｏｗ结构由半导体增益器件、准直透镜和闪耀光栅等元件组成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光栅外腔激光器中，增益器件发光经过准直透镜准直后，入射到闪逡逑耀光栅发生衍射，衍射后光强主要分布在零级衍射光和一级衍射光上，其中一级逡逑衍射光与入射光光路重合
本文编号：2824780
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
了逡逑图２．２双异质结半导体激光器结构示意图逡逑图２．３为半导体激光器模式选择示意图。图２．３邋（ａ）中，ＡＡ表示损耗ａ小于逡逑初始增益时的范围。如图２．３邋（ｂ）所示，在ＡＡ范围内的模式均满足谐振条件，逡逑此时本征腔纵模间隔表示为：逡逑Ａ入（２－８）逡逑其中Ｌ为腔长，ｎ为介质折射率，Ａ为激光波长。但图２．３邋（ｂ）中并非所有模式逡逑都能起振，半导体激光器工作时，腔内所有的模式消耗共有的反转粒子，模式之逡逑间存在竞争。如图２．３邋（ａ）中所示的增益曲线和损耗ａ的位置是没有激光产生逡逑时的初始位置，随着腔内模式产生，各种模式消耗了提供光增益的反转粒子，此逡逑时增益曲线均匀下降。在理想情况下，激光增强到稳定值时，增益曲线应该位于逡逑图２．３（ａ）中曲线Ｇ的位置。此时在增益曲线Ｇ中心处，半导体激光器的增益Ｇ邋＝邋ａ，逡逑在增益曲线其他波长处Ｇ＜ｃｔ，激射光只有位于增益曲线中心处的单一模式，这逡逑个过程称为增益饱和模式竞争。但在半导体激光器中
与延展腔结构相似，在增益器件两端分别使用一个光学反馈元件同时反馈，如图逡逑２．４邋（ｂ）所示；环形腔中激光分别从增益器件两端出射，经光学元件反馈后，由逡逑另一端返回器件，形成环形反馈，如图２．４邋（ｃ）所示。实际应用中，可根据需求逡逑选用不同结构的外腔，对于大部分半导体激光器，通常选用结构简单的延展腔即逡逑可满足实际需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—逦Ｆｉｔｔｅｒ邋逦邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ逦Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ逦Ｆｉｔｌｅｒ逦（ｂ）逡逑￣￣逦Ｆｉｔｌｅｒ逦ｒｎｘＺＫｆ）１逦Ｆｉｔｌｅｒ逦＾Ｖ（ｃ）逡逑图２．４三种外腔结构示意图，（ａ）为延展腔光路图，（ｂ）为双端腔示意图，（ｃ）逡逑为环形腔示意图逡逑光栅外腔半导体激光器是使用光栅作为外部光反馈元件构建的延展腔，主要逡逑包含两种构型：Ｌｉｔｔｒｏｗ结构和Ｌｉｔｔｍａｎ结构。如图２．５所示，（ａ）为Ｌｉｔｔｒｏｗ结逡逑构示意图，Ｌｉｔｔｒｏｗ结构由半导体增益器件、准直透镜和闪耀光栅等元件组成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光栅外腔激光器中，增益器件发光经过准直透镜准直后，入射到闪逡逑耀光栅发生衍射，衍射后光强主要分布在零级衍射光和一级衍射光上，其中一级逡逑衍射光与入射光光路重合
与延展腔结构相似，在增益器件两端分别使用一个光学反馈元件同时反馈，如图逡逑２．４邋（ｂ）所示；环形腔中激光分别从增益器件两端出射，经光学元件反馈后，由逡逑另一端返回器件，形成环形反馈，如图２．４邋（ｃ）所示。实际应用中，可根据需求逡逑选用不同结构的外腔，对于大部分半导体激光器，通常选用结构简单的延展腔即逡逑可满足实际需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—逦Ｆｉｔｔｅｒ邋逦邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ逦Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ逦Ｆｉｔｌｅｒ逦（ｂ）逡逑￣￣逦Ｆｉｔｌｅｒ逦ｒｎｘＺＫｆ）１逦Ｆｉｔｌｅｒ逦＾Ｖ（ｃ）逡逑图２．４三种外腔结构示意图，（ａ）为延展腔光路图，（ｂ）为双端腔示意图，（ｃ）逡逑为环形腔示意图逡逑光栅外腔半导体激光器是使用光栅作为外部光反馈元件构建的延展腔，主要逡逑包含两种构型：Ｌｉｔｔｒｏｗ结构和Ｌｉｔｔｍａｎ结构。如图２．５所示，（ａ）为Ｌｉｔｔｒｏｗ结逡逑构示意图，Ｌｉｔｔｒｏｗ结构由半导体增益器件、准直透镜和闪耀光栅等元件组成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光栅外腔激光器中，增益器件发光经过准直透镜准直后，入射到闪逡逑耀光栅发生衍射，衍射后光强主要分布在零级衍射光和一级衍射光上，其中一级逡逑衍射光与入射光光路重合
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 毛登森;;量子级联激光器技术内涵及其应用前景[J];中国电子科学研究院学报;2015年04期
2 王佐才;吕雪芹;金鹏;王占国;;超辐射发光二极管的应用[J];红外技术;2010年05期
3 吴薇;刘辛;陈婷;;基于半导体光放大器的可调谐激光器[J];应用激光;2008年01期
4 郎佳红,顾彪,徐茵,秦福文;GaN基材料半导体激光器综述[J];激光技术;2003年04期
5 谢建平,白贵儒;记录光的相干性对全息傅里叶光谱的影响[J];激光;1979年12期
本文编号：2824780
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