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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2014年
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高功率半导体激光器结构研究

张金胜  
【摘要】:经历了数十年的发展,高功率半导体激光器性能日益成熟化和多样化,人们对高功率半导体激光器的需求也在不断增加。随着国内芯片外延水平的提高,国内高功率半导体激光器研究在最近十年取得了长足的进步,但仍然明显落后于国外,对于半导体激光器结构和工艺的优化也提出了更高的要求,本文主要针对高功率半导体激光器新结构的优化制备工艺进行深入的研究。主要研究内容和成果如下: 对激光器的灾变性光学镜面损伤产生的原因进行了探讨。针对腔面薄膜的损伤原理,将高反膜中场强最大处移出界面,采用光学传输矩阵,对厚度连续变化的界面场强和反射率进行了计算,得到优化高反膜系。采用改进后束流密度更大的LaB6作为阴极原位等离子源,对离子源清洗的参数进行了优化。薄膜制备前期使用离子清洗的方法在真空环境下对腔面进行去氧化,在制备过程中使用电子束蒸发离子源辅助沉积,并测试了薄膜在高温高湿环境下的稳定性。优化的膜系和清洗方法下制备的半导体激光器,在准连续输出情况下,功率由4.6W提升到了7W,工作电流由5A提升到了8A。 通过非闭合环结构制备了808nm2×2VCSEL列阵。采用波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量,在脉冲宽度为20ns,,重复频率为100Hz注入电流为110A的最大峰值功率为30W,斜率效率为0.27W/A,在脉冲宽度为60ns,重复频率为100Hz,注入电流为30A的最大功率为9W,斜率效率为0.3W/A。对列阵的近场和远场进行了测量,近场为4个环形分布的单管,远场为近高斯分布。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°。实现了808nm VCSEL列阵高峰值功率,为激光测距,激光引信等提供了器件基础。 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。出光单元为60μm的VCSEL列阵通过热沉温度调节,对不同温度下的激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在20℃,脉宽为50μs、重复频率100Hz的脉冲条件下,最大输出功率达到56mW,中心光谱值为808.38nm,光谱半宽为2.5nm,连续输出功率为达到22mW。通过变温测试,得到输出功率在50℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055nm/K,实验测得温漂系数与理论值保持一致。 为了进一步增大注入电流,提高激光器的输出功率,防止漏电流的发生,对SiO2介质薄膜的制备工艺进行优化。优化了离子辅助沉积工艺条件,使用台阶仪测量了SiO2薄膜的曲率变化,通过Stoney理论计算了其应力大小,选取镀膜条件为Ar+离子辅助沉积,薄膜厚度为250nm,生长速率为0.8nm/s制备的SiO2薄膜的应力远小于常规工艺条件下沉积薄膜的应力,且退火前后应力变化小,得出了制备高质量、低应力和退火前后性质稳定的介质薄膜工艺条件。在此条件下制备的钝化层用于激光器,其输出功率达到92W。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN248.4

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