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高亮度大功率半导体激光器研究

乔忠良  
【摘要】:半导体激光器广泛应用于军事、工业、航空、航天等关系国家竞争力的关键领域。而宽条形半导体激光器具有制备工艺简单、输出功率大、电光效率高、可靠性好等优点。一直以来,不但是各相关应用领域主要使用的器件类型,更是实现大功率、高亮度半导体激光器器件的主要研究类型。然而由于其慢轴方向输出光束质量极易受到空间烧孔、自聚焦、热透镜等效应的影响,致使其在高功率工作条件下,输出的慢轴方向发散角较大。这严重影响了器件在慢轴方向的光束质量,制约了相关领域的应用与发展。 本论文主要针对宽条形半导体激光器的光束输出特点展开研究。主要内容和研究成果如下: 1.总结并分析了高亮度大功率半导体激光器的输出特点,得到影响器件高亮度输出的相关物理因素,为设计和制备该类型器件提供了必要的理论依据。 2.建立了大功率宽条形半导体激光器基本物理模型,进行了相应理论分析和初步计算。从提高宽条形大功率半导体激光器输出功率的主要方法与设计原理,得到了改善大功率半导体激光器光束质量的主要方法与设计依据。分析了宽条形激光器波导中光束传播特性及多光丝、高阶模产生机理。从材料外延结构设计、器件后工艺制备、器件结构设计等方面阐述了提高其输出特性的方法。 3.对高亮度大功率半导体激光器工艺进行了理论、工艺研究,包括外延结构的设计、激光器后工艺研究、封装工艺研究等。对器件欧姆接触、腔面膜、钝化工艺的设计及其制备进行了较详细的研究。设计了非对称梯度分布大光腔波导的外延结构,改善了器件的串联电阻和快轴方向输出光束质量。首次采用A1N腔面膜工艺、氮钝化工艺,与AuSn焊料封装工艺结合,改善了808nm宽条形半导体激光器的热特性和大功率输出能力,使得最大输出功率(腔长1mm,注入区宽度100μm)从2W达到3.5 W,抗COD能力提高75%。 4.根据光丝混叠原理,首次研制出了带有模式滤波器结构的AIGaAs/GaAs 808nm大功率高亮度宽条形半导体激光器。根据注入区内慢轴方向光丝光场模式的理论,采用传统单量子阱结构,设计并制备了带有一个模式滤波器结构不同滤波器位置的宽条形半导体激光器(腔长11mm,100×500μm滤波器尺寸),对比分析了器件的P-I特性、欧姆特性、慢轴方向发散角,得到模式滤波器结构的无源平板波导在器件中间位置的模式选择性最好。在连续电流驱动下,器件最大输出功率达3W;在连续输出2.5 W时的慢轴光束发散角为3.3°,接近同等输出功率条件下器件亮度的三倍;优化设计了无吸收模式滤波器结构的宽条形半导体激光器,比较了该器件与传统器件的热特性,对比传统器件115 K的特征温度,新结构器件实现了154 K的特征温度。


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