880nm半导体激光器列阵及光纤耦合模块

为了使半导体激光泵浦Nd∶YVO4固体激光器能获得大功率、高光束质量、线偏振的激光输出,利用PICS3D软件设计了InGaAs/GaAs应变量子阱结构,制作了发射波长为880 nm的大功率半导体激光器列阵。该激光器列阵激射区单元宽为100μm,周期为200μm,填充因子为50%,激光器列阵CS封装模块室温连续输出功率达60.8 W,光谱半高全宽(FWHM)为2.4 nm。为进一步改善大功率半导体激光器列阵的光束质量,增加半导体激光端面泵浦功率密度,采用阶梯反射镜组对880 nm大功率半导体激光器列阵进行了光束整形,利用阶梯镜金属表面反射率受近红外波长变化影响小的特点,研制出高稳定性、大功率光纤耦合模块。模块输出功率为44.9 W,光-光耦合效率达73.8%,尾纤芯径Φ为400μm,数值孔径(NA)为0.22。

半导体激光器列阵的smile效应与封装技术

为了减小半导体激光器列阵在封装过程中引入热应力而产生的smile效应,提高半导体激光器列阵光束质量,利用对半导体激光器列阵发光点成像放大的方法,准确测量了半导体激光器列阵的smile效应,测量误差为±0.1μm。由于smile效应的准确测量能客观地比较减小smile效应的各种技术与方法,本文根据分析测量结果,提出了通过优化封装半导体激光器列阵焊接回流曲线的方法,使smile效应值控制在±0.5μm内。该方法减小了半导体激光器列阵的smile效应值,提高了激光器列阵光束质量,为下一步研制小芯径、高光束质量半导体激光器列阵光纤耦合模块提供了基础条件。

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。

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm·mrad和8.9 mm·mrad。在整形实验中测得变换后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm·mrad和9.5 mm·mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200μm,数值孔径0.22的光纤耦合。

808nm波长锁定大功率半导体激光器列阵

大功率半导体激光器列阵（DLA）具有功率高、电光转换效率高、可靠性强、寿命长、体积小及成本低等诸多优点,但其波长随温度变化较大,光谱线宽较宽,这些缺点直接限制了其实际应用。为了解决此问题,采用体布拉格光栅（VBG）构成波长锁定大功率半导体激光器系统。体布拉格光栅可以把波长锁定,同时把光谱线宽压窄,从而有效改善了DLA波长漂移和光谱线宽的情况。在载体水冷温度为30~60℃时,大功率半导体激光器列阵自由运行,波长温度漂移系数为0.26nm/℃,光谱线宽为2~3nm。当采用体布拉格光栅作为外腔反馈后,DLA的光谱线宽被压缩到了1.2nm,波长稳定在体布拉格光栅波长807.1nm附近,波长温度漂移系数小于0.005nm/℃。

大功率直流电源SM35-45用于激光器列阵的驱动

介绍了Visual C++.NET环境下用SCPI语言实现对大功率直流电源SM35-45的控制。通过获取列阵器件的V-II、dV/dI-I、P-I、dP/dI-I特性曲线,对其质量和可靠性进行了测试。测试结果表明:该电源的纹波系数、稳定度等参数能满足激光器列阵的驱动要求,所获取的评价激光器可靠性的结特征参量m、反映结的完整性及载流子泄漏的参量b等参数准确可靠,而且该测试系统有较好的稳定性。

半导体激光器列阵的电导数及其可靠性

在研究半导体激光器电导数与可靠性的基础上,设计了单管激光器并联实验系统,利用单管激光器并联模拟列阵的方法研究了激光器列阵的可靠性在其电导数曲线和参数上的体现,该实验结果为利用电导数参数作为列阵可靠性判据提供了参考。

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。

780nm波段低填充因子半导体激光器列阵的光束质量研究

为了获得高功率高光束质量激光输出,设计并制备了一种780nm波段5发光单元列阵器件,其采用10μm宽窄条形波导,各发光单元中心间距为100μm,填充因子仅为10%。在准连续注入电流由1.2A增加到2.5A条件下,该器件的输出光束侧向光学参量积由0.666mm·mrad增加至0.782mm·mrad。注入电流为2.5A时,该器件实现了单边准连续506mW的高光束质量激光输出。

体光栅外腔半导体激光器列阵的光谱及调谐

对采用体布拉格光栅作为波长选择器件的外腔半导体激光列阵进行了实验研究。实验表明,在体光栅外腔作用下,高功率半导体激光器输出的线宽得到压窄、波长得到固定。与此同时,从布拉格衍射相关理论出发,分析了体光栅法线方向改变对激光器系统输出中心波长的影响。实验表明改变体光栅法线方向的角度,可以在一定范围内调整列阵的输出波长。

半导体激光器列阵在外腔下的光谱特性

使用普通高反镜作为19 个单元的半导体激光器列阵(LDA)的外腔,通过调节高反镜的位置和角度,使LDA发出的光反馈回有源层,从而压窄了输出光谱并降低了LDA的阈值电流。实验中,运行于外腔下的LDA在不同的驱动电流下的输出光谱均被压窄到了原来的1/10左右,阈值电流从7 A降到了5.5 A,并且在9 A的偏置电流下输出功率提高了2倍。

解析计算半导体激光器列阵的热沉温升

通过解热传导方程得到了半导体激光器列阵的热沉温升分布的解析表达式,并利用该解析式得 到了热沉的温升分布图。分析了对流换热传热系数对上下表面温升的影响,当对流换热传热系数增大到某个 值后,上下表面的温差变化很小,而温升随该系数的增大而降低,所得的结果与用有限元法算得的并经过实验 验证的结果基本上是一致的。

半导体激光器列阵有源区电场随电流变化的定点测量

采用连续波电光检测法,对GaAs/GaAlAs双异质结激光器列阵有源区进行定点测量,实验结果反映了发光区内及发光区外电场随电流变化的不同规律。文中对实验结果给出了合理解释。

高功率半导体激光器列阵锁相单元间耦合系数的数值分析

基于半导体激光器列阵的高斯光束,推导了外腔半导体激光器列阵锁相单元间的耦合系数,数值计算了侧模各单元间的耦合系数与外腔长度的关系.研究结果表明:同阶侧模各级次耦合系数的极大值随着耦合级次的增大而减少,并且其极大值所对应的腔长随着耦合级次的增大而增大;不同阶侧模同级次耦合系数的极大值所对应的腔长随着阶次的增大而减少.研究结果与已有的实验报道和理论分析相符.

外腔锁相半导体激光器列阵不同阶超模运行的腔长范围

在只计相邻发光单元间互耦合及单元自耦合的近似下,根据外腔锁相半导体激光器列阵(LDA)满足的耦合矩阵方程,求得了外腔锁相LDA的超模和阈值条件,并对外腔锁相LDA作了一般性的分析。解析证明了阈值最低的模要么是基超模要么是高阶超模,推导并说明了存在一些分立的外腔长度范围可以使其运行于基超模或最高阶超模。

808 nm大功率分布反馈激光器列阵研制

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率,必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm,25℃时中心波长为808 nm,通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图,表明当脉冲工作电流为148 A时,激光器列阵的输出功率可以达到100 W,斜率效率为0.9 W/A,光谱的FWHM为0.5 nm,边模抑制比可以达到40 dB,出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃,单列阵波长锁定范围可达50℃,总锁定范围100℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。

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。

33W半导体激光器列阵光纤耦合模块

利用光纤柱透镜和光束转换装置压缩半导体激光器列阵(LDA)的发散角,然后通过聚焦透镜将激光束耦合入芯径为400μm的微球透镜光纤。LDA与光纤耦合输出后,实现33 W的高出纤功率,最高耦合效率大于80%,光纤的数值孔径(NA)为0.22。