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°。

垂直外腔面发射半导体激光器的双波长调控研究

报道了一种结构紧凑的垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)及其双波长调控。通过调控泵浦光功率,实现了VECSEL输出的两个激光波长之间的相互转换,双波长的间隔接近50 nm。VECSEL的输出功率曲线呈现明显的两次翻转,翻转点对应了激射波长的转换。这是由于泵浦功率变化改变了增益芯片内部的温度,进而通过热调谐使得发光区增益峰值被调谐到腔模的不同位置。在0℃时,每个激射波长的最大输出功率都在1.5 W以上。随着泵浦功率的改变,激射波长可以在950 nm和1000 nm之间切换,同时还可以在1.5 W以上的功率水平下实现双波长同时激射。这种可切换波长及双波长同时激射的VECSEL器件在光调制、差频等领域有较大应用潜力。

850nm垂直腔面发射激光器列阵

为了解决垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵中金丝难以键和和电流注入不均匀的问题,提出了一种非闭合型VCSEL列阵结构。该结构通过腐蚀非闭合环形凹槽形成器件台面,从而简化了工艺步骤,减少了器件的损伤。分别对2×2,3×3,4×4阵列的850nm非闭合型顶发射VCSEL器件进行了测试和分析,结果显示其室温连续输出功率分别达到80,140和480mW;阈值电流分别为0.15,0.25和0.4A;平行方向和垂直方向上的远场发散角分别为9°和9.6°,13.5°和14.4°,15°和14.4°。在脉宽为50μs、重复频率为100Hz时,最大输出功率分别为90,318和1 279mW;阈值电流分别为0.2,0.5和0.7A。分别测试了芯片在封装前后的功率曲线,发现芯片在封装之后的热饱和电流要远远高于封装之前,从而说明良好的封装技术可以提高器件的散热效率,降低器件内部发热对器件性能的影响。

高峰值功率808nm垂直腔面发射激光器列阵

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出,对808 nm VCSEL的分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计,分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响,并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下,最大峰值功率为30 W;在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下,最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量,激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。

高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来(特邀)

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有可调控的光斑形貌、易于二维集成、窄光谱宽度、尺寸小等独特优势,尤其是VCSEL激光器高的波长温度稳定性与无腔面损伤特性,在工作温度要求苛刻的高温环境下具有极为优秀的工作表现。介绍了VCSEL激光器的结构原理,对VCSEL激光器在高温工作时激光腔模与增益的温度稳定特性进行了分析。对量子精密测量碱金属原子泵浦高温VCSEL激光器进行分析,并对其国内外发展历程与进展现状进行了介绍;分析数据中心能耗问题带来的高温高速VCSEL激光器需求,并对850 nm与980 nm两个波段的高温高速VCSEL发展历程进行了介绍;最后对高温工作VCSEL激光器未来的发展方向进行了总结展望。

光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究进展

近年来,光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器由于其光束质量好、可实现大功率输出,受到了广泛的关注。在介绍其基本工作原理的基础上,综述了不同波段光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究现状与进展,并分析、讨论了实现高功率光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器面临的主要问题及解决方案。

高功率InGaAs/GaAsP应变量子阱垂直腔面发射激光器列阵

为提高垂直腔面发射激光器(VCSEL)的输出功率,对具有3个In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08应变量子阱结构,发射波长为977nm的VCSEL列阵进行了研究。对量子阱结构进行了优化,选择具有更宽带隙的GaAsP作为势垒材料,计算了In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08量子阱的带阶。对采用In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08和In0.2Ga0.8As/GaAs两种量子阱结构的器件的输出功率进行了理论模拟和比较分析。分别测试了上述两个列阵器件的脉冲峰值功率并利用由开启电压、阈值电流和串联电阻决定的p参数评估了列阵器件的输出性能。实验结果表明,当注入电流为110A时,发光面积为0.005cm2的In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.084×4VCSEL列阵获得了123 W的脉冲峰值功率,比具有相同发光面积的In0.2Ga0.8As/GaAs列阵器件的脉冲峰值功率大13%,前者相应的功率密度和斜率效率分别为45.42kW/cm2和1.11W/A。连续和脉冲工作下的p值分别为15和13,表明器件在两种工作条件下都具有相对较好的输出性能。得到的结果证明,包含3个In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08应变量子阱的4×4VCSEL列阵器件能够获得较高的功率输出。

高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵

报道了980nm高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵的研制.列阵单元为蜂窝状密堆积排列,单元台面直径为70μm,氧化孔径为30μm,相邻单元间隔为100μm.制作了含7,19,37个单元的列阵,讨论了它们的阈值电流和远场特性.在室温连续工作条件下,3种列阵的最大输出功率分别为0.26,0.5和0.6W.其中含37个单元的列阵在6A脉冲电流(脉宽30μs,重复频率100Hz)激发下,输出功率达到1.4W.

1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL).设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构;设计并制备了具有隧穿特性的台面结构,实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控;采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构.VCSEL中心波长位于1547.6 nm,工作温度为15℃时最高出光功率可达到2.6 mW,最高单模出光功率达到0.97 mW,最大边模抑制比达到35 dB.随着工作温度增加,激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低,然而35℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW.激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA,并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度,在气体探测领域具有很好的应用潜力.本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.

808nm垂直腔面发射激光器列阵的温度特性分析

为了研究温度对808 nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵输出特性的影响,通过变温塞耳迈耶尔方程计算了InGaAlAs量子阱VCSEL的温度漂移系数。采用非闭合环结构,制备了2×2的808 nm垂直腔面发射激光器列阵,每个单元的出光口径为60μm。通过热沉温度调节,对不同温度下的列阵激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在温度为20℃、脉宽为50μs、重复频率为100 Hz的脉冲条件下,列阵的最大输出功率达到56 mW,中心光谱值为808.38 nm,光谱半宽为2.5 nm,连续输出功率达到22 mW。通过变温测试,发现输出功率在50℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055 nm/℃。实验测得的温漂系数与理论值保持一致。

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)是二极管泵浦的多量子阱增益介质半导体激光器。近年来,光泵浦垂直外腔面发射激光器作为半导体能带工程的新成果,在理论和实验方面均取得了令人触目的进展。该器件具有较高的输出功率、卓越的光束质量和紧凑的结构。薄片式的激活介质避免了棒状介质的热透镜效应,周期性共振增益(PRG)结构提高了多量子阱内的受激辐射截面,分布布拉格反射器(DBR)减少了谐振腔的损耗。相对于晶体棒作激活介质的固体激光器来说,这种新型激光器可以通过半导体能带工程提供更加广泛的波长选择范围。它克服了电泵浦边发射和电泵浦面发射半导体激光器的限制,可以提供近衍射极限的基模或TEM01模的圆形光斑。

大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。

高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.

垂直腔面发射半导体激光器腔模位置对器件输出波长的影响研究

为得到高温环境下894. 6 nm稳定波长激光输出的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL),设计并制备了腔模位置不同的VCSEL芯片;通过对VCSEL腔模位置、输出波长和温漂系数的测试分析,研究了腔模位置对器件输出波长的影响,发现腔模位置与输出波长具有线性对应关系。设计了腔模位置在890.5 nm的VCSEL外延片结构,经工艺制备得到了85℃高温环境下894.6 nm稳定波长激光输出的VCSEL芯片。实验结果表明,通过调控腔模位置可得到目标波长激光输出的VCSEL芯片,该研究为研制其他波段稳定波长激光输出的垂直腔面发射激光器奠定了基础。

量子阱调制双波长光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器

报道了一种采用单个增益芯片实现双波长输出的光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)。VECSEL所用的增益芯片发光区由两组不同发光波长的量子阱组成,其中一组发光波长较短的量子阱采用吸收区泵浦的方式,另一组发光波长较长的量子阱采用阱内泵浦方式。在VECSEL工作时,吸收区泵浦的短波长量子阱率先激射,由于发光波长较长的量子阱对短波长量子阱的强度调制效应,此时可以观察到两种波长的光谱峰值强度随时间周期性振荡,采用高灵敏探测器观察到VECSEL此时的输出激光呈现出脉冲输出形式。随着泵浦功率进一步增加,VECSEL的输出激光呈现稳定的双波长输出,激光波长峰位分别位于967.5 nm和969.8 nm。VECSEL双波长稳定输出时的最大激光功率可以达到560 mW,光斑在正交方向呈现对称高斯形貌,正交方向发散角分别为6.68°和6.87°。

垂直外腔面发射半导体激光器的热管理方法研究

垂直外腔面发射半导体激光器在高功率运转的同时可以保持良好的光束质量,近年来一直成为研究的热点。本文介绍了垂直外腔面发射半导体激光器的结构及运行原理。由于热管理是其高功率运行的主要限制因素之一,分析了垂直外腔面发射半导体激光器的热管理方法。使用反向生长的外延片通过化学湿法腐蚀去掉砷化镓衬底,得到了约6μm左右的外延片,最后利用808nm的泵浦光进行抽运获得了200mW的连续激光输出。

大功率垂直腔面发射激光器的相干性测量与分析

通过有机化学气象沉积(MOCVD)技术在n型GaAs衬底上生长制作了发射波长为850 nm的VCSELs4×4列阵器件,介绍了VCSELs的制作工艺流程。对器件进行了相干性测量,计算了干涉条纹可见度,分析了影响干涉条纹可见度的因素。

大功率垂直腔面发射激光列阵的应用

垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵是实现激光器高功率输出及应用的重要途径。本文针对垂直腔面发射激光器列阵从列阵器件的发展现状和应用前景方面进行介绍。

光泵浦垂直外腔面发射激光器斜率效率的分析

研究了光泵浦垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)的湿法腐蚀工艺,采用快速腐蚀和精细选择腐蚀相结合的腐蚀方法,使得衬底能被干净地腐蚀掉,并精确停留在阻挡层,得到高平整度的外延片表面,提高了泵浦效率,降低了散射损耗。从理论上分析了外延片表面粗糙度与OPS-VECSEL斜率效率的关系,得出如果在外延片上镀一层λ/4单介质增透膜,能进一步提高VECSEL的斜率效率。

795 nm高温高功率垂直腔面发射激光器及原子陀螺仪应用

在传统的氧化物约束型的垂直腔面发射半导体激光器中,横向光限制主要取决于氧化层的厚度及其相对于腔内光驻波分布的位置.通过减少外延结构中氧化层与光场驻波分布之间的重叠,可以降低芯层与包层之间的有效折射率差,从而减少腔内可存在的横向模的数量,并增加横模向氧化物孔径之外的扩展.本文利用这一原理设计并制作了一个795 nm的大氧化孔径的垂直腔面发射激光器.器件在80℃下可实现4.1 mW的高功率单基模工作,最高边模抑制比为41.68 dB,最高正交偏振抑制比为27.46 dB.将VCSEL作为抽运源应用于核磁共振陀螺仪系统样机中,实验结果表面新设计的VCSEL可以满足陀螺系统的初步应用需求.