改善高功率半导体激光器相干特性的研究

【摘要】： 半导体激光器由于效率高、寿命长、使用方便及结构小巧等特点在近几年获 得了迅速发展，目前它已占领了世界激光器市场的70％。但对高功率半导体激光 器（如宽接触LD、LD列阵及长条LD）来说，它们由于不能辐射近衍射极限的 光束而具有很低的空间相干性，且辐射的光谱宽度约1至2nm，使其相干长度只 有几百微米。这些特性限制了它们的应用领域，如与单模光纤的耦合、泵浦其它 固体激光器、材料处理及二次谐波产生等。本论文着重研究改善高功率半导体激 光器相干特性的方法，该项研究是我们与德国柏林工业大学光学研究所合作开展 的。 论文首先对各种改善半导体激光器相干特性的方法如种子注入及外腔技术等 进行了分析，并综述了其研究进展。在此基础上对四种不同的改善半导体激光器 相干特性的技术方案进行了深入的实验研究，它们包括：（1）由普通反射镜构成 的LD外腔。（2）LD位相共轭外腔。（3）利用标准具和衍射光栅的反馈注入。（4）用 互泵浦位相共轭的反馈注入。并取得了以下独特的、有意义的研究结果。 1．提出了一个结构简单、调整方便、工作稳定可靠且对快轴方向失调不敏 感的半导体激光器外腔，并用光射线传输矩阵分析法对该外腔的特性进行了详细 的分析讨论。首次提出了作者称之为该外腔二次反馈注入的新运行模式，对该新 运行方式在理论上进行了分析，并在实验中得到了验证。对一个1W半导体激光 器的外腔实验中，当LD驱动电流为2倍及3.2倍阈值电流时，在二次反馈注入 运行模式下，获得的光瓣宽度（FWHM）分别为0.43°及0.63°，对应于1.05×及 1.54×衍射极限，光瓣远场位于6°～9°。而在其普通一次反馈注入运行模式下， 获得的光瓣宽度则分别为0.52°及1.12°的单瓣输出，对应于1.27×及2.73×衍射 极限，光瓣远场位于3°左右。外腔对EM在快轴方向失调的容许度为0.55°，对 EM位置失调的容许度为70μm。如果使用一个在前腔镜镀有增透膜的半导体激光 器，则在一次及二次反馈注入运行时的外腔输出功率可能会有非常大的提高。该 外腔二次反馈注入运行方式的优越性有：可容易获得高阶模的放大输出（大于30 阶模），这原来只能用主激光器进行注入锁定的复杂系统才能获得；输出光瓣的 浙江大学博士学位论文 宽度与普通外腔运行相比要小得多等。该方法将对半导体激光器的研究起促进作 用。 2．对LD的自泵浦位相共轭外腔进行了全面深入的实验研究，包括n：BaTIO。 晶体中的自泵浦位相共轭建立过程、位相共轭反射率、位相共轭光功率、LD在 位相共轭反馈注入下的输出功率变化及光束远场分布变化等。实验中当选择LD 输出的 10阶模进行位相共轭反馈注入时，LD外腔输出获得了最佳的光束质量， 光束输出的大部分能量集中在宽度JWHM）为 0．75”（即 1．83倍衍射极限）的 高斯分布内。但实验中发现位相共轭光功率的饱和效应（饱和功率smw左右）， 不足以使 Iw LD实现空间单模运行。4 3．对一个7W半导体激光器进行了结构及输出特性的测试，如光谱特性、 输出功率及输出光束空间分布等。在标准具反馈注入实验的基础上，提出了标准 具加光栅反馈注入的方法，在半导体驱动电流为 3刀 A（自由振荡输出功率为 1．39 W）时，获得了单纵模输出。 4．对一个7W半导体激光器进行了普通的互泵浦位相共轭注入波长锁定实 验研究。但只当激光器输出功率仅为462 mw时，其辐射波长才被主激光器基本 锁定，锁定时的线宽为主激光器线宽的1石倍，且由于ZK光栅效应，波长锁定 的稳定性较差。首次提出了利用两块光折变晶体的互泵浦位相共轭反馈注人实验 方案，即利用一块 n：BaTIO。晶体作互泵浦位相共轭器，而另一块 CO：BaTIO。晶 体作双光束耦合位相共轭放大器的实验结构。采用该实验方案，激光器波长被完 全锁定时的输出功率则达到2石W，其线宽为主激光器线宽的1．4倍，同时其位 相共轭反馈注入功率及波长锁定效果要比用一块晶体时的实验结果更稳定。该方 法同样也适用于长条半导体激光器。目前对改善由多个列阵组成的高功率半导体 激光器的相干特性尚未见研究报道。 5．所有四种实验方案对改善一个不具有双瓣光束形式的半导体激光器门 或7W）的空间相干性均无效。