封装工艺对半导体激光器偏振特性的影响

研究了封装工艺对半导体激光器偏振度的影响,包括封装结构、热沉材料、焊料组分、焊料厚度、烧结压力以及烧结温度等方面。通过对功率25W、波长976nm单管半导体激光器封装工艺进行优化,实现了该半导体激光器应力匹配封装,进而提高了其偏振度。研究结果表明,在金锡焊料厚度6~8μm、金锡焊料中金组分77%~79%、烧结温度320℃、烧结压力50gf(1gf=9.8mN)、预热时间10s、降温速率6℃/s等工艺条件下,该半导体激光器横电(TE)模式偏振度测试值达到97.9%~98.6%。

内置温控多模耦合半导体激光器研究

随着半导体激光光源在通信、探测等领域应用的不断扩展,常规多模半导体光纤耦合模块功率温度特性不能满足使用需求,因此有必要研制高稳定性多模耦合半导体激光器。研制了一种内置温控的多模耦合半导体激光器。针对器件的封装耦合进行了光纤耦合设计和散热设计,并对制作的器件的光电参数进行了测试,重点测试了宽温范围内的输出功率与功率变化率。测试结果表明:光纤芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.22时,室温下光纤输出功率大于3.1 W,耦合效率达到94%以上;在温度范围-45~70℃内,典型温度点下输出功率变化率低于1%。该内置温控多模耦合半导体激光器的研制为半导体激光器在泵浦领域的进一步应用提供了技术参考。

应用于半导体激光器的高精度温控系统设计

面向半导体激光器温控系统的高精度、高速与高集成化的需求,设计了一款高精度、快速响应、高集成化、低成本的数模混合架构温控系统。该系统以FPGA为控制核心,硬件部分包括由三线制惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器组成的温度信号采集与调理模块,全桥降压电路驱动模块,热电制冷器模块等。针对热敏电阻和电桥的非线性误差,提出了一种可变控温零点的温度信号调理方法,该方法基于迭代与多目标最优化算法,提高了控温精度,同时降低了仪表放大器与模数转换器的指标要求,从而降低了系统成本。针对温度滞后大、延迟高的特点,控温策略采用了抗饱和积分的PID(AWPID)自动控制方法,从而降低超调,加快收敛速度。测试结果表明,该温控系统在-45~75℃的温度范围内,实现了±0.02℃的控温精度,相较于固定控温零点的温控系统最大0.1951℃的控温精度提高了89.7%。与传统PID控制算法相比,AWPID控制算法将超调从9.13%降低到1.5%,将稳定时间从41 s降低到30 s。稳定性测试表明,该温控系统能够在长时间内保持±0.02℃的控温精度,满足稳定性要求。该系统具有高精度、快速响应、高集成化、低成本的特点,为半导体激光器的复杂应用场景提供了高精度的温度保障。

半导体激光器驱动器的SPICE仿真及其在气体传感系统的应用

为了提高激光器的工作可靠性和稳定性,借助TINA-SPICE软件对其驱动电路进行辅助设计,并通过电调制和光电检测系统实验检验设计效果。对驱动器的恒流输出电路的幅频特性和瞬态响应进行仿真,预测潜在的电流振荡现象,并提出一种用于补偿环路增益的易用方案。通过对比补偿前后的仿真曲线,验证了该方案的可行性。在此基础上,以STM32H743作为中央处理核心,通过触摸屏图形化设置和监测驱动电流参数,从而调度激光器驱动电路的运行。在296 K环境温度下,利用该电路进行半导体激光器电调制特性实验,通过拟合波长与电流得到调制系数为0.045 cm-1/mA。进一步地,将该控制器引入基于红外光谱吸收技术的气体传感系统,完成了对甲烷气体的定量分析。分析结果表明,所设计的电路能稳定地驱动激光器并实现对波长的精准调制,获得的气体传感系统的检测下限低于8 ppm。

高功率半导体激光器阵列质量检测

高功率半导体激光器具有广泛的应用前景,然而,激光器的可靠性制约着其发展和应用。文章将半导体激光器的失效归类为封装工艺的缺陷、导热基板性能的限制、热沉设计存在的问题和腔面退化等不同的失效模式,对引起失效的原因和机理进行分析和探讨。根据统计结果,可以看出焊接工艺的缺陷、铟焊料的电迁移、散热基板的低导热率和腔面污染等因素产生的局部高温是造成器件失效的主要原因,从而改进封装工艺,提高激光器的可靠性。

半导体激光器抗辐照性能无损检测系统的研制

半导体激光器的电导数和低频电噪声参数可以反映器件的内部缺陷,与器件抗辐照性能具有相关性。介绍了基于电导数技术和低频电噪声技术设计的半导体激光器抗辐照性能检测系统,能够测量并提取激光器电导数及低频电噪声参数。通过微小剂量辐照前后的敏感参数对半导体激光器进行抗辐照性能评价,具有灵敏、无损等优势。

低重复频率被动锁模半导体碟片激光器

锁模半导体碟片激光器(semiconductor disk laser,SDL)兼具输出功率高与光束质量好的优点,但半导体增益介质ns量级很短的载流子寿命限制了锁模脉冲重复频率的降低,因而在一定程度上限制了锁模脉冲峰值功率的提高.本工作中增益芯片内较浅的量子阱所对应的载流子寿命相对较长,结合特殊设计的较小饱和通量的半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorption mirror,SESAM),获得了低重复频率、高峰值功率的被动锁模SDL.当温度为12℃时,利用六镜谐振腔产生的被动锁模激光脉冲重复频率低至78 MHz,为迄今为止在SESAM锁模SDL中所获得的最低重复频率.锁模SDL的平均输出功率为2.1 W,脉冲宽度为2.08 ps,对应的脉冲的峰值功率12.8 kW,为已有报道最高值的近2倍.

高功率1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器

针对目前激光医疗、食品药品检测等领域对橙黄色激光的应用需求,开展了高功率基频光1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)研究。提出激光谐振腔内大尺寸基模光斑外腔结构,使VECSEL腔内模式匹配较大泵浦光斑尺寸,实现了高功率激光输出;提出增益峰-腔模失谐结构,增益峰与腔模温漂系数不同,高泵浦功率下具有良好的增益峰-腔模匹配,实现高泵浦功率工作下的激光波长稳定控制。制备的VECSEL器件在1150 nm激光波长的输出功率达到9.38 W,并获得良好的圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为7.3°和7.5°。

Zn杂质诱导GaInP/AlGaInP红光半导体激光器量子阱混杂的研究

在GaAs基GaInP/AlGaInP单量子阱结构外延片上分别使用磁控溅射设备生长ZnO薄膜和等离子增强化学气相沉积设备生长SiO2薄膜,以ZnO介质层作为Zn杂质诱导源,采用固态扩Zn的方式对激光器进行选择性区域诱导以制备非吸收窗口来提高器件的腔面光学灾变损伤阈值,从而提高半导体激光器的输出功率和长期可靠性。在580~680℃、20~60 min退火条件下对Zn杂质诱导量子阱混杂展开研究,实验发现,ZnO/SiO2或ZnO/Si3N4复合介质层的采用比单一Zn介质层的杂质诱导蓝移量大,且在680℃、30 min的条件下获得了最大55 nm的蓝移量。分析结果表明,介质层所施加的压应变会将外延片表面GaAs层中Ga原子析出,促使Zn原子进入外延层中以诱导量子阱混杂。通过测量光致发光光谱发现发光强度并没有明显下降,可为后期器件制作提供借鉴。

窄脊型波导半导体激光器偏振与横模关系研究

基于有效折射率法建立了窄脊型波导数值计算模型,通过实验研究了InGaAs量子阱窄脊型波导半导体激光器偏振特性与横模之间的关系。根据理论计算,脊型波导中类TM模式在慢轴方向的有效折射率差更大,类TM模式的限制因子比类TE模式的限制因子更大、更容易出现慢轴高阶模式;而随着脊型波导的高度增加,快轴高阶模式被截断,类TE00模式的限制因子逐渐增加至与类TM00模式相近,慢轴高阶模式因其大的散射损耗被抑制,理论上可实现高偏振度、高光束质量激光输出。在实验方面,利用量子阱材料的增益偏振特性,通过脊型高度与宽度的设计,制备了高偏振度、基横模的窄脊型波导半导体激光器。

GaAs基近红外锥形半导体激光器的研究进展

基于GaAs衬底的近红外波段半导体激光器已经取得了显著的发展。在大功率研究方面,因为可以同时实现高功率、高光束质量的优良特性,主振荡功率放大器结构的锥形半导体激光器成为了广受关注的研究热点。归纳了近年来国内外关于GaAs基锥形激光器的代表性研究成果,讨论了激光器器件结构设计(包括脊形区、锥形区以及布喇格光栅等的设计)和外延层优化在理论研究及实验方面取得的进展;围绕高功率、高光束质量、高亮度、窄线宽应用需求,总结整理了锥形激光器的研究进展与性能特征;对本团队关于锥形激光器的研究工作进行了简要介绍;并展望了锥形激光器未来的发展方向。

基于WMS的可调谐半导体激光器驱动与温控电路设计

针对可调谐半导体激光器工作时,其工作电流和工作温度的波动导致激光器的输出的波长和功率不能保持恒定的问题,设计了一套基于STM32F407为主控芯片联合FPGA的半导体激光器小型化驱动与温控电路。通过与上位机交互,系统可实现激光器驱动电流和工作温度的连续可调,使半导体激光器的输出光的波长在最佳的范围内。经过测试,系统的驱动模块电流稳定度为0.075%,电流的实际值与理论值之间的相对误差平均值为0.538%;温度电路的稳定度在0.03℃,完全满足实际应用需求。

光纤布拉格光栅长外腔反馈半导体激光器特性研究

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。本文采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低外界环境温度起伏和气流扰动的影响,对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039℃降低到0.003℃。此外,测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但仍然可以观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,分析认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。通过调整光纤光栅的反馈功率在0~1 mW范围内改变,观察到当反射功率为0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄的11.5 kHz,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声降低约20 dB。

基于束腰劈裂偏振合束高亮度窄线宽半导体激光器

将一个808 nm宽发射区半导体激光器应用于纵模选择束腰劈裂偏振合束外腔中,实现了高光束质量、高亮度和窄线宽的激光输出。所获激光输出功率为5.08 W,快慢轴光束质量M2=1.85×18.2,慢轴光束质量较自由运转激光器提高48%,输出激光亮度B=22.74 MW·cm^(-2)·sr^(-1),是原激光器自由运转的1.3倍。所获激光光谱线宽为0.47 nm,压缩至原激光器自由运转的光谱宽度的0.14。

高温高斜率效率1060 nm单模半导体激光器

1060 nm半导体激光器在高能激光系统种子源、空间激光雷达等领域具有广泛的应用,受限于砷化镓体系InGaAs量子阱材料大应力,在1060 nm波段激光器外延生长缺陷密度较高,且由于目前该波段激光器结构设计普遍采用窄波导结构,腔内损耗和非辐射复合水平较高,激光器斜率效率较低,高温特性较差。传统InGaAs压应变量子阱势垒高度较低加剧了激光器的高温特性劣化。文章通过优化激光器外延生长条件并采用应变补偿量子阱结构和厚N包层结构,精确控制材料应力和势垒高度,降低腔内损耗,减小远场发散角,研制出了一种高性能1060 nm单模半导体激光器,斜率效率在85℃时依然超过0.9 W/A。此外,通过引入分布式反馈激光器悬浮掩埋光栅结构实现了激光器波长锁定,斜率效率超过0.7 W/A。

半导体激光器结构设计与波导层的优化

针对1.31μm半导体激光器工作时,远场发散角过大以及AlGaInAs/GaAs材料体系中Al组分的氧化导致器件性能下降问题。提出了在InGaAsP/InP结构基础上,上下波导层采用GaAsP材料,与由InGaAsP材料构成的有源区形成异质结结构。相比同质结构制作的波导层,异质结波导层结构依据不同材料的折射率不同,实现有源层和波导层之间较大的折射率差,从而达到更好的波导限制。对1.31μm激光器中的In_(1-x)Ga_(x)As_(y)P_(1-y)材料组分进行理论计算,并根据该材料的折射率和晶格常数,对GaAs_(y)P_(1-y)材料组分、厚度进行理论计算。使用ALDS仿真软件,对同质结波导层和异质结波导层两种结构进行模拟分析。最后确定使用100 nm厚度的GaAs_(0.145)P_(0.855)材料分别作为波导层和限制层,有效减小远场垂直发散角,提高了激光器发射的光束在空间分布的圆对称形态。

1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。

窄线宽外腔半导体激光器研究进展

窄线宽外腔半导体激光器具有结构简单、可调谐、噪声低等优势,广泛应用于量子精密测量、光通信、激光雷达等领域。根据外腔选频器件的不同,本文主要介绍光栅型激光器、干涉滤光型激光器、波导型激光器和法拉第激光器四类外腔半导体激光器,分析各类激光器的基本结构与选频机制、介绍各自的优缺点以及国内外研究进展。其中,前三类激光器采用非量子器件进行频率选择,而法拉第激光器利用共振法拉第旋光效应选频,输出波长直接对应原子跃迁谱线,对激光二极管的电流与温度变化具有良好的鲁棒性。随后介绍外腔半导体激光器的应用情况,尤其是在精密测量领域中的典型应用。最后总结并展望窄线宽外腔半导体激光器的未来发展方向。

双光反馈短腔半导体激光器动力学特性分析

提出并数值验证了双光反馈短腔半导体激光器可以稳定产生宽带混沌信号。通过理论分析对比了单光反馈和双光反馈两种结构下,反馈系数对激光器动力学特性的影响,发现双光反馈结构的短腔半导体激光器在很大的参数范围内可以产生混沌信号。对激光器不同输出状态的信号特性进行分析,结果表明双光反馈结构的激光器经由倍周期路径演化为混沌状态。另外,研究了双腔的反馈系数对激光器输出信号带宽的影响,发现双光反馈结构的激光器产生混沌信号的带宽可达10 GHz以上,并且随着反馈系数增大而逐渐增加。

可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题,研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标,提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分,分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程,在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后,搭建了压电驱动系统动态特性测试平台,测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明,压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz,柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中,当调谐频率为20 Hz时,实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。