光泵浦VECSELs設(shè)計理論、制備工藝與實驗研究.pdf

1、光泵浦VECSELs是一種以半導(dǎo)體增益結(jié)構(gòu)材料為激光介質(zhì)的半導(dǎo)體激光泵浦半導(dǎo)體增益介質(zhì)的全固態(tài)激光器。它結(jié)合了半導(dǎo)體泵浦固體激光器和傳統(tǒng)電泵浦VCSELs的構(gòu)造方法，具有高輸出功率、高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量及寬光譜調(diào)諧范圍等優(yōu)點。正是由于這些突出優(yōu)點而使得光泵浦VECSELs在高速激光打印、光信息存儲、激光通信與目標(biāo)探測、刑事偵查、生物化學(xué)與材料分析、臨床醫(yī)療及影像顯示等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文在綜述光泵浦VECSEL

2、s的產(chǎn)生和發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了光泵浦VECSELs的基本原理和典型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡述了VECSEL芯片制備的材料體系，對其中的核心部件-半導(dǎo)體增益介質(zhì)VECSEL芯片的設(shè)計理論和設(shè)計過程開展了深入研究;基于VECSEL芯片的設(shè)計結(jié)構(gòu)和光泵浦VECSELs的工作特性，研究了VECSEL芯片的外延生長和芯片封裝制備工藝;基于有限元計算分析方法，深入研究了光泵浦VECSELs的熱特性;基于速率方程理論，建立了光泵浦VECSELs的理論模型

3、，分析了光泵浦VECSELs諧振腔結(jié)構(gòu)，開展了光泵浦VECSELs的實驗研究。
　　從半導(dǎo)體能帶理論出發(fā)，介紹了不同半導(dǎo)體材料設(shè)計和生長過程中的晶格失配度及厚度加權(quán)和零應(yīng)變平衡方法。給出了半導(dǎo)體增益介質(zhì)VECSEL芯片的典型結(jié)構(gòu)，基于多光束干涉理論和光學(xué)傳播矩陣，建立了布拉格反射鏡反射率和反射鏡帶寬的方程，分析了反射鏡對數(shù)和材料折射率差對布拉格反射鏡反射率的影響;采用((HL)DH)N排列形式，設(shè)計了808nm和980nm雙反射帶

4、反射鏡，分別獲得99.991％和99.959％的反射率。研究了In組份、P組份和量子阱寬對輸出波長的影響，從模型固體理論出發(fā)，結(jié)合k.p理論、Pikus-Bir理論和駐波條件，提出一種應(yīng)變量子阱對稱補償方法，通過在InGaAs量子阱兩側(cè)對稱生長GaAsP材料層實現(xiàn)對量子阱壓應(yīng)變的良好補償，設(shè)計了13周期應(yīng)變對稱補償InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)的980nmVECSEL外延片。給出了VECSEL芯片制備工藝過程，基于分子束外延生長技術(shù)，開展了98

5、0nmVECSEL外延片的結(jié)構(gòu)生長，經(jīng)過對所生長VECSEL外延片的性能參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。采用機械拋光和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的減薄方式，研究了VECSEL外延片減薄工藝，研究了VECSEL芯片和散熱片金屬化及銦焊封裝工藝。
　　從光泵浦VECSELs的廢熱產(chǎn)生機理出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的熱分析模型。從速率方程理論出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的理論模型，給出了光泵浦VECSELs的閾值條件和輸出功率

6、特性，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。基于等價腔分析方法，建立了光泵浦VECSELs的諧振腔模型，給出了VECSEL芯片和輸出鏡表面的基模光斑隨諧振腔腔長的變化情況。首次建立了雙反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片有源區(qū)內(nèi)部熱載荷的分布方程，分別對比研究了單、雙反射帶反射鏡反射率和厚度相同情況下VECSEL芯片的熱特性，結(jié)果表明雙反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性明顯優(yōu)于單反射帶反射鏡結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性。
　　針對VECSEL芯片封

7、裝方式差異對芯片熱特性的影響，提出VECSEL芯片雙面鍵合散熱片封裝工藝及方法，研究了雙面鍵合散熱片結(jié)構(gòu)VECSEL芯片的熱特性，并從實驗上進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明雙面鍵合散熱片芯片封裝方式有效改善了激光器的熱特性。開展了泵浦光入射方向、芯片熱管理方式、芯片工作溫度等差異的實驗研究，在工作溫度為10℃時，最大獲得了4.6W978nm光泵浦VECSELs激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到29.7％。為了從泵浦光束分布的角度來提高對光泵浦VECSELs

8、的熱管理，首次將環(huán)形光束的應(yīng)用引入到激光器的泵浦領(lǐng)域，深入研究了環(huán)形光束參數(shù)對VECSEL芯片熱特性的影響，通過光泵浦實驗，在室溫下獲得4.64W激光輸出。研究結(jié)果表明:在同等工作條件下，與高斯光束泵浦VECSELs相比，環(huán)形光束泵浦VECSELs的閾值較高，但其出現(xiàn)熱翻轉(zhuǎn)效應(yīng)相對延遲，允許注入更大的有效泵浦功率，最大輸出功率相應(yīng)得到提高。研究了光泵浦VECSELs聲光調(diào)Q激光器的輸出功率特性，通過在腔內(nèi)置入倍頻晶體開展了連續(xù)運轉(zhuǎn)和準(zhǔn)連