Overall optimization of high-speed semiconductor laser modules

Based on the high frequency techniques such as frequency response measurement,equivalent circuit modeling and packaging parasitics compensation,a comprehensive optimization method for packaging high-speed semiconductor laser module is presented in this paper.The experiments show that the small-signal magnitude frequency response of the TO packaged laser module is superior to that of laser diode in frequencies,and the in-band flatness and the phase-frequency linearity are also improved significantly.

单片集成式主振荡功率放大器研究进展

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。

980nm高功率垂直腔面发射激光列阵的单元结构优化

为了提高980nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵的整体性能,对列阵单元器件的分布布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化。分析了DBR的反射率与阈值电流,输出功率及转换效率之间的关系,在维持较低阈值电流的前提下适当调节了N-DBR的反射率,使单元器件斜率效率得到了有效提高,进而改善了VCSEL列阵的整体输出特性。优化DBR反射率后研制出的包含64个单元的VCSEL列阵器件在注入电流为6A时的连续输出功率为2.73W;在脉宽为100ns,重复频率为100Hz的130A脉冲电流驱动下输出功率达到115W;包含300个单元的列阵器件在注入电流为18A时,连续输出功率达到5.26W。对N-DBR反射率进行优化后,VCSEL列阵的整体输出特性得到了有效改善。

太赫兹连续波DCN激光器的实验研究

介绍了运行在1.54THz(195μm)和1.58THz(190μm)的波导型辉光放电激励的大功率连续波DCN激光器的开发和研制工作。该激光器的谐振腔长3.4m,放电长度3m,谐振腔由耐热玻璃制成,直径54mm。谐振腔一端为平面反射镜,一端为金属栅网。工作气体为N2,CD4和He(或D2)的混合气体,在1.54THz的连续激光输出功率大于0.2W。实验中对放电电流、激光管温度、气压等参数进行了优化,研究了EH11模DCN激光在自由空间的传输特性。研究表明,利用新的N2,CD4和D2混合气体的太赫兹DCN激光器可以得到稳定连续的高功率放电。光束传输远场满足高斯分布(z>4m),对各种参数进行优化后,190μm和195μm窗口处输出EH11模功率分别为0.15W和0.16W,可以满足超导托卡马克连续运行的干涉测量的需要。

激光表面微造型对摩擦学性能的影响

为了研究表激光织构化对机械零件接触面的摩擦性能影响,采用Nd∶YAG脉冲激光在钢盘表面形成了具有一定直径、间距和密度的微坑型织构阵列,在环/盘式摩擦试验机上进行了摩擦学性能测试。结果表明,微坑的深度和直径随脉冲次数增加而增大,调整微坑参量(直径和间距)可以获得不同密度的织构阵列,密度为8%~10%范围内的试样具有最低的摩擦因素(0.055~0.06)和磨损率(5.2×10^(-16)m^3/(N·m));通过曲线拟合,得到摩擦磨损性能随织构密度变化的趋势。该研究获得了具有最佳摩擦学性能的参量,能提高机械的使用效率和使用寿命。

808nm大功率半导体激光器腔面膜优化设计

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808 nm大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。给出了镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法,针对各种具体应用提出几种前腔面设计方案。得到后腔面电场强度优化设计的膜系。

椭圆柱透镜组准直半导体激光束的优化设计

采用光线矢量法设计了两个相互垂直的椭圆截面柱透镜组来准直半导体激光束。利用多目标优化中的加权和法进行优化计算,并提出自适应加权系数优化法。此方法能根据计算结果自动调整加权系数,从而达到最佳的优化结果。计算结果表明,该准直系统可达到45μrad左右的发散角,远远优于其它截面柱透镜组(毫弧度数量级)的准直效果。同时两柱透镜间距取适当值,还可在远场形成圆形光斑。

选择性激光烧结杨木/热塑性聚氨酯的成型性能研究

提出一种新型的可用于选择性激光烧结(SLS)技术的低成本柔性木塑耗材。以黄杨木废料作原料,采用机械共混方式制备了杨木粉质量分数分别为2%、5%、10%和15%的杨木/热塑性聚氨酯混粉(B/TPU),对不同杨木粉质量分数的混粉及其激光烧结制件的热性能、力学性能、尺寸精度和微观形貌进行了测量与表征,以部分因子试验探讨了工艺参数对激光烧结制件成型性能的影响。研究结果表明:当预热温度为48℃,激光功率14 W,扫描速率1600 mm/s,扫描间距0.1 mm,分层厚度0.1 mm时,木粉质量分数为10%的B/TPU激光烧结制件的力学性能最佳,拉伸强度4.86 MPa,弯曲强度9.19 MPa,断裂伸长率24.22%。

GS-DFB半导体激光器的优化设计

对ＧＳＤＦＢ半导体激光器的参数进行了优化设计。采用脉冲峰值功率、脉宽、谱宽、脉宽谱宽积以及峰值功率与脉宽谱宽积之比等参数来综合描述激光器输出脉冲特性，研究了这些参数随偏置电流、调制电流等外部参数的变化，并找出了相应的优化值。

窄线宽半导体激光器的热设计及优化

激光管内产生的热流对结构固有特性的影响是窄线宽半导体激光器结构设计的重点研究问题之一。基于机械性能和温度载荷要求,以整体结构散热最大化为目标,对内部热载荷进行了分析与应用研究,并以此为依据对半导体激光器的结构尺寸与结构形式进行了优化设计,该方法使激光器整体温度最大值由24.6℃降至22.827℃,并且分析了前100s内瞬态温度变化曲线,通过优化结构使得散热均匀性得到很好的改善。

大功率半导体激光束非球面准直系统的优化设计

为实现空间激光束的远距离传输,利用矢量折射定理研究了大功率半导体激光器发散光束经非球面、非轴对称准直系统的光传输特性。对空间光线传输得出了矩阵传递公式,并针对大功率线源半导体激光器的发散光束进行了高精度的准直优化设计。为实现对激光束的进一步准直,利用光学设计软件CODE-V设计了卡塞格伦光学天线。利用两点法对发散角进行了实验测试,结果表明优化设计的准直系统发散角为1.924 mrad,经光学天线进一步准直后的发散角为96.2μrad。本空间光线追迹方法对复杂光学系统的精确计算具有一定参考意义,所设计的大功率线源激光束准直系统能广泛应用于远距离激光通信系统中。

多波长小功率泵浦拉曼光纤放大器的优化设计

提出用多个小功率激光器作为拉曼放大器泵浦光源,以获得较为理想的增益谱和降低成本。结合模拟退火法的优点,对遗传算法进行了改进,能很好地用于该类型拉曼光纤放大器泵浦的优化配置。仿真结果表明,这种改进的遗传算法收敛速度大大加快,并且精度与改进前一致。优化结果同时表明,这种配置方案的效果非常理想。获得的增益谱平坦且有陡峭的边沿,可有效节省总的功率。

基于人工神经网络和粒子群优化的半导体激光器参数反向设计方法

提出一种基于人工神经网络(ANN)和粒子群优化(PSO)的半导体激光器参数反向设计方法。利用由传统数值仿真方法计算出的激光器功率样本数据来训练ANN,并用此网络预测激光器任意一组参数对应的功率谱,均方差可低至0.5 mW,用时仅0.07 s,计算速度提高了约1800倍(与相同环境下传统数值算法耗时125.57 s相比)。将此网络与PSO算法结合,可获得目标功率谱的对应参数,即实现反向设计。经计算获得的反向设计方案不唯一,从而进一步验证了半导体激光器非线性多参数的特点。相同环境下ANN结合PSO的反向算法(均方差低于0.04 mW,用时39.45 s)与传统数值反向方法(均方差为0.89 mW,用时192 h)相比,精度提高了22.25倍,速度提高了约17500倍,说明了该方法的有效性。