【摘要】：垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VECSEL)是近幾年發(fā)展起來的一種新型的光電子器件。它成功地將固體薄片激光器外腔的可擴(kuò)展性和半導(dǎo)體激光器波長的可調(diào)整性等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,不僅能獲得高輸出功率和高光束質(zhì)量,還可以方便地進(jìn)行內(nèi)腔倍頻和調(diào)Q、鎖模操作等,成為半導(dǎo)體激光和光電子技術(shù)交叉學(xué)科中的研究熱點(diǎn)之一。因此本論文開展了基于InGaAs量子阱的VECSEL增益芯片的材料研究,并在此基礎(chǔ)上初步進(jìn)行了光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作。首先,通過分布布拉格反射鏡(DBR)的反射率和帶寬理論,增益材料的應(yīng)變理論和增益理論,對DBR和多量子阱有源區(qū)(MQWs)進(jìn)行了理論計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了 VECSEL增益芯片的完整結(jié)構(gòu)。其次,通過金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)(MOVPE)對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料制備,并采用高分辨率X射線衍射(XRD)、室溫光致發(fā)光(PL)、掃描電子顯微鏡(SEM)、以及分光光度計等測試來驗(yàn)證我們所設(shè)計的增益芯片的生長情況。DBR的測試結(jié)果表明厚度誤差保持在3%左右,阻帶g約100 nm中心在997 nm。多量子阱有源區(qū)的發(fā)光波長在961 nm—1000.6 nm范圍內(nèi)可以通過線性控制TMIn流量來進(jìn)行調(diào)整,但隨著發(fā)光波長變長,InGaAs多量子阱層的應(yīng)變失配分別是從0.81%增加到1.18%,且有源區(qū)的發(fā)光特性變差。增益芯片的測試結(jié)果表明外延材料晶體品質(zhì)較好,厚度滿足精度,DBR區(qū)的反射譜和量子阱的發(fā)光譜能很好匹配。此外,針對VECSEL增益芯片PL譜中出現(xiàn)的不同于多量子阱有源區(qū)單個發(fā)光峰的多個峰值現(xiàn)象,我們分析認(rèn)為增益芯片的PL譜是受到DBR結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)層干涉作用后受到調(diào)制的面發(fā)射PL譜。最后,設(shè)計并搭建了光泵浦VECSEL的光路,采取襯底刻蝕和水冷制冷相結(jié)合的方法去除增益芯片在工作過程中所產(chǎn)生的廢熱,采用808 nm半導(dǎo)體激光器作為光泵浦源。入射光功率小于3W時,VECSEL增益芯片的泵浦光吸收率可達(dá)80%左右。光泵浦正序VECSEL器件在955.3 nm和1011 nm處,光泵浦反序VECSEL器件在1113 nm處得到較強(qiáng)的光輸出。
[Abstract]:Vertical external cavity surface emitting semiconductor laser (VECSEL) is a new type of optoelectronic device developed in recent years. It successfully combines the expansibility of the external cavity of the solid-state thin chip laser with the adjustable wavelength of the semiconductor laser. It can not only obtain high output power and high beam quality, but also conveniently carry out intracavity frequency doubling and Q-switching. Mode-locked operation has become one of the research hotspots in the interdisciplinary subject of semiconductor laser and optoelectronics. Therefore, the material research of VECSEL gain chip based on InGaAs quantum well is carried out in this paper, and on this basis, the fabrication of optically pumped vertical external cavity surface emitting semiconductor laser is carried out. Firstly, through the reflectivity and bandwidth theory of distributed Prague mirror (DBR), the strain theory and gain theory of gain materials, the theoretical calculation and structure design of DBR and multi-quantum well active region (MQWs) are carried out. On this basis, the complete structure of VECSEL gain chip is designed. Secondly, the designed structure was prepared by organometallic vapor phase epitaxial (MOVPE), and high resolution X-ray diffraction (XRD),) was used to photoluminescence (PL), scanning electron microscope (SEM),) at room temperature. And spectrophotometer to verify the growth of the gain chip we designed. DBR test results show that the thickness error is about 3%, and the stopband g is about 100 nm center at 997 nm.. The luminous wavelength of the active region of the multi-quantum well can be adjusted by linearly controlling the flow rate of TMIn in the range of 961 nm-1000.6 nm. However, with the prolongation of the luminous wavelength, the strain mismatch of the InGaAs multi-quantum well layer increases from 0.81% to 1.18%, respectively. And the luminous properties of the active region become worse. The test results of the gain chip show that the crystal quality of the epitaxial material is good, the thickness of the epitaxial material meets the accuracy, and the reflection spectrum in the DBR region can match well with the emission spectrum of the quantum well. In addition, in view of the multi-peak phenomenon in the PL spectrum of VECSEL gain chip, which is different from the single luminous peak in the active region of multiple quantum wells, It is considered that the PL spectrum of the gain chip is a surface emission PL spectrum modulated by the interference of DBR structure and other structural layers. Finally, the optical path of optically pumped VECSEL is designed and built, and the waste heat produced by the gain chip is removed by substrate etch and water-cooled refrigeration. 808 nm semiconductor laser is used as the optical pumping source. When the incident optical power is less than 3W, the pump optical absorptivity of VECSEL gain chip can reach about 80%. The optically pumped positive sequence VECSEL device has a strong optical output at 955.3 nm and 1011 nm, and the optically pumped reverse sequence VECSEL device has a strong optical output at 1113 nm.
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN248.4

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本文編號：2494463