隨著半導(dǎo)體材料生長技術(shù)和器件制作工藝的發(fā)展,大功率GaN基半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,其在許多領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。但普通邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器受材料和結(jié)構(gòu)等方面影響,輸出光譜較寬,表現(xiàn)為多模模式,且激射波長不易調(diào)諧。為滿足原子冷卻與俘獲、高分辨光譜測試、大容量全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等行業(yè)對大功率、窄線寬、可調(diào)諧藍(lán)光激光光源的需求,本論文使用光柵作為外部光反饋元件,搭建了 Littrow和Littman型光柵外腔激光器,并對其性能進(jìn)行了分析研究。本論文所做的主要工作如下:一、以450nm大功率商用GaN基邊發(fā)射激光器為基礎(chǔ),搭建了 Littrow型光柵外腔激光器結(jié)構(gòu),研究了增益器件結(jié)平面相對于光柵刻線的放置方向?qū)ν馇患す馄餍阅艿挠绊憽?shí)驗(yàn)分別搭建了增益器件結(jié)平面垂直于光柵刻線的A構(gòu)型和結(jié)平面平行于光柵刻線的B構(gòu)型外腔激光器結(jié)構(gòu),其中,B構(gòu)型外腔激光器因?yàn)榫哂懈玫倪x模能力而展現(xiàn)出更好的外腔激射性能。當(dāng)注入電流為1100mA時(shí),B構(gòu)型外腔激光器輸出光譜半高寬由自由運(yùn)行增益器件的1nm壓窄至0.1nm,輸出波長在443.9～447.5nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),可調(diào)諧范圍達(dá)3.6nm;在波長調(diào)諧范圍中心位置,放大自發(fā)輻射抑制比可達(dá)35dB以上,此時(shí)外腔耦合效率達(dá)80%,輸出光功率為1.24W。二、研究了光柵衍射效率和光柵刻線密度對光柵外腔激光器性能的影響。實(shí)驗(yàn)中使用三塊具有不同參數(shù)的光柵搭建了 Littrow型外腔激光器結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)光柵較高的零級衍射效率有利于獲得大功率外腔激光輸出,而較高的一級衍射效率有利于擴(kuò)展外腔激光器的波長調(diào)諧范圍。當(dāng)使用零級衍射效率為76%,一級衍射效率為11.5%的光柵時(shí),外腔耦合效率達(dá)80%,1100mA注入電流下,外腔最大輸出光功率可達(dá)1200mW以上,波長可調(diào)諧范圍為3.6nm;當(dāng)所用光柵零級衍射效率為58.5%,一級衍射效率為28.6%時(shí),外腔激光器閾值在增益器件波長中心處下降了 46%,1100mA注入電流下,外腔激光器輸出波長在442.2～450.5nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),調(diào)諧范圍達(dá)8.3nm,且最大輸出功率超過500mW。此外,我們還發(fā)現(xiàn),高光柵刻線密度有助于線寬壓窄,尤其在低電流條件下工作時(shí)效果更為明顯。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)使用2400grooves/mm刻線的光柵時(shí),注入電流300mA下獲得了光譜線寬為0.02nm的外腔激射光,但隨著電流的升高,半導(dǎo)體增益曲線趨于平坦,光柵反饋光的線寬被展寬,光柵刻線密度對激射線寬的影響減小了。三、使用大功率GaN基半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、平面反射鏡等元件搭建了 Littman結(jié)構(gòu)光柵外腔激光器,研究了增益器件出射光相對于光柵法線的入射角度對Littman型外腔激光器性能的影響。實(shí)驗(yàn)對于450nm-Littman結(jié)構(gòu)外腔激光器,入射角在10.4～39.8°范圍內(nèi)可有效減少衍結(jié)果結(jié)合光柵衍射光束分析表明,射光損失,有利于獲得較好的外腔激光輸出性能。當(dāng)入射角為35°時(shí),注入電流1500mA條件下,外腔激光器在453.7～456.8nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),波長可調(diào)諧范圍為3.1nm,輸出激光線寬為0.08nm,在可調(diào)諧范圍中心位置時(shí),輸出功率最大為 260mW。
【學(xué)位單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

了逡逑圖２．２雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖逡逑圖２．３為半導(dǎo)體激光器模式選擇示意圖。圖２．３邋（ａ）中，ＡＡ表示損耗ａ小于逡逑初始增益時(shí)的范圍。如圖２．３邋（ｂ）所示，在ＡＡ范圍內(nèi)的模式均滿足諧振條件，逡逑此時(shí)本征腔縱模間隔表示為：逡逑Ａ入（２－８）逡逑其中Ｌ為腔長，ｎ為介質(zhì)折射率，Ａ為激光波長。但圖２．３邋（ｂ）中并非所有模式逡逑都能起振，半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，腔內(nèi)所有的模式消耗共有的反轉(zhuǎn)粒子，模式之逡逑間存在競爭。如圖２．３邋（ａ）中所示的增益曲線和損耗ａ的位置是沒有激光產(chǎn)生逡逑時(shí)的初始位置，隨著腔內(nèi)模式產(chǎn)生，各種模式消耗了提供光增益的反轉(zhuǎn)粒子，此逡逑時(shí)增益曲線均勻下降。在理想情況下，激光增強(qiáng)到穩(wěn)定值時(shí)，增益曲線應(yīng)該位于逡逑圖２．３（ａ）中曲線Ｇ的位置。此時(shí)在增益曲線Ｇ中心處，半導(dǎo)體激光器的增益Ｇ邋＝邋ａ，逡逑在增益曲線其他波長處Ｇ＜ｃｔ，激射光只有位于增益曲線中心處的單一模式，這逡逑個(gè)過程稱為增益飽和模式競爭。但在半導(dǎo)體激光器中

與延展腔結(jié)構(gòu)相似，在增益器件兩端分別使用一個(gè)光學(xué)反饋元件同時(shí)反饋，如圖逡逑２．４邋（ｂ）所示；環(huán)形腔中激光分別從增益器件兩端出射，經(jīng)光學(xué)元件反饋后，由逡逑另一端返回器件，形成環(huán)形反饋，如圖２．４邋（ｃ）所示。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需求逡逑選用不同結(jié)構(gòu)的外腔，對于大部分半導(dǎo)體激光器，通常選用結(jié)構(gòu)簡單的延展腔即逡逑可滿足實(shí)際需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—邐Ｆｉｔｔｅｒ邋邐邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ邐Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ邐Ｆｉｔｌｅｒ邐（ｂ）逡逑￣￣邐Ｆｉｔｌｅｒ邐ｒｎｘＺＫｆ）１邐Ｆｉｔｌｅｒ邐＾Ｖ（ｃ）逡逑圖２．４三種外腔結(jié)構(gòu)示意圖，（ａ）為延展腔光路圖，（ｂ）為雙端腔示意圖，（ｃ）逡逑為環(huán)形腔示意圖逡逑光柵外腔半導(dǎo)體激光器是使用光柵作為外部光反饋元件構(gòu)建的延展腔，主要逡逑包含兩種構(gòu)型：Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)構(gòu)和Ｌｉｔｔｍａｎ結(jié)構(gòu)。如圖２．５所示，（ａ）為Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)逡逑構(gòu)示意圖，Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體增益器件、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵等元件組成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光柵外腔激光器中，增益器件發(fā)光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，入射到閃逡逑耀光柵發(fā)生衍射，衍射后光強(qiáng)主要分布在零級衍射光和一級衍射光上，其中一級逡逑衍射光與入射光光路重合

與延展腔結(jié)構(gòu)相似，在增益器件兩端分別使用一個(gè)光學(xué)反饋元件同時(shí)反饋，如圖逡逑２．４邋（ｂ）所示；環(huán)形腔中激光分別從增益器件兩端出射，經(jīng)光學(xué)元件反饋后，由逡逑另一端返回器件，形成環(huán)形反饋，如圖２．４邋（ｃ）所示。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需求逡逑選用不同結(jié)構(gòu)的外腔，對于大部分半導(dǎo)體激光器，通常選用結(jié)構(gòu)簡單的延展腔即逡逑可滿足實(shí)際需求。逡逑１邋ＫＴ＾＿邋—邐Ｆｉｔｔｅｒ邋邐邋（ａ）逡逑Ｆｉｔｌｅｒ邐Ｑ＞｜邋｜＜＾Ｊ邐Ｆｉｔｌｅｒ邐（ｂ）逡逑￣￣邐Ｆｉｔｌｅｒ邐ｒｎｘＺＫｆ）１邐Ｆｉｔｌｅｒ邐＾Ｖ（ｃ）逡逑圖２．４三種外腔結(jié)構(gòu)示意圖，（ａ）為延展腔光路圖，（ｂ）為雙端腔示意圖，（ｃ）逡逑為環(huán)形腔示意圖逡逑光柵外腔半導(dǎo)體激光器是使用光柵作為外部光反饋元件構(gòu)建的延展腔，主要逡逑包含兩種構(gòu)型：Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)構(gòu)和Ｌｉｔｔｍａｎ結(jié)構(gòu)。如圖２．５所示，（ａ）為Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)逡逑構(gòu)示意圖，Ｌｉｔｔｒｏｗ結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體增益器件、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵等元件組成。逡逑在Ｌｉｔｔｒｏｗ型光柵外腔激光器中，增益器件發(fā)光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，入射到閃逡逑耀光柵發(fā)生衍射，衍射后光強(qiáng)主要分布在零級衍射光和一級衍射光上，其中一級逡逑衍射光與入射光光路重合

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2824780