外腔反饋改善高功率半導(dǎo)體激光器頻譜特性的研究.pdf

1、由于高功率半導(dǎo)體激光器的頻譜特性和光束質(zhì)量非常差,限制了它在原子冷卻、磁光俘獲原子、拉曼光譜、泵浦固體激光器等領(lǐng)域中的應(yīng)用。為了達(dá)到科學(xué)應(yīng)用的嚴(yán)格要求,在過(guò)去的三十年中發(fā)展了多種改善半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的方法。外腔反饋技術(shù)能有效壓縮線(xiàn)寬,穩(wěn)定輸出波長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出。
　　本論文的目的是通過(guò)研究外腔反饋對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器頻譜特性的影響,探索譜線(xiàn)壓縮、波長(zhǎng)可調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)條件,為采用外腔反饋技術(shù)改善大功率半導(dǎo)體激光器輸出特性奠定研

2、究基礎(chǔ)。
　　首先從麥克斯韋方程組出發(fā),推導(dǎo)了自由運(yùn)行時(shí)半導(dǎo)體激光器的速率方程。并將該速率方程分別推廣到種子光注入和外腔反饋情況中,通過(guò)數(shù)值求解速率方程,從理論上分析了光注入?yún)?shù)和外腔反饋參數(shù)對(duì)激光器動(dòng)態(tài)特性的影響。
　　然后根據(jù)國(guó)內(nèi)外外腔反饋技術(shù)改善半導(dǎo)體激光器輸出特性的研究成果,首先利用光柵全反饋、光柵反射鏡雙外腔反饋來(lái)改善半導(dǎo)體激光器的頻譜特性。在光柵全反饋實(shí)驗(yàn)中,我們研究了注入電流、反饋率和外腔長(zhǎng)度對(duì)寬條形半導(dǎo)體激光

3、器頻譜特性的影響以及波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍。當(dāng)注入電流為2A,外腔長(zhǎng)度為34.50cm時(shí),激光譜寬由1.3nm壓縮至0.28nm,譜寬壓縮了達(dá)到21.54％。波長(zhǎng)隨電流的漂移率為0.29nm/A,和自由運(yùn)行時(shí)的0.59nm/A相比,光柵全反饋使波長(zhǎng)的穩(wěn)定性增加了一倍。并在該方案中實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)在3.07nm范圍內(nèi)的可調(diào)諧輸出。在光柵和反射鏡構(gòu)成的雙外腔反饋實(shí)驗(yàn)中,研究了兩個(gè)外腔長(zhǎng)度以及反射鏡的反饋比例對(duì)半導(dǎo)體激光器頻譜特性的影響。當(dāng)兩個(gè)腔長(zhǎng)差別較大

4、,注入電流較高時(shí),半導(dǎo)體激光器的光譜中會(huì)出現(xiàn)雙峰振蕩的現(xiàn)象。但是當(dāng)這兩個(gè)腔長(zhǎng)比較接近時(shí),能獲得很好的光譜壓縮。此外,雙外腔反饋中譜線(xiàn)壓縮的效果和反射鏡反饋比例成正比。雖然前兩個(gè)方案都能有效地改善半導(dǎo)體激光器的頻譜特性,但是由于光柵的零級(jí)衍射光的效率很低,使得前兩個(gè)方案的輸出功率始終小于20mW,不利于實(shí)際應(yīng)用。因此在前兩個(gè)方案的基礎(chǔ)上提出光柵半反饋方案,并在實(shí)驗(yàn)中研究了反射鏡的截光比例和外腔長(zhǎng)度對(duì)半導(dǎo)體激光器頻譜特性的影響。確定反射鏡截

5、光比例為1/2,外腔長(zhǎng)度為34.50cm時(shí),光柵半反饋外腔對(duì)半導(dǎo)體激光器頻譜特性改善效果最佳。在該實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)電流在1.5至3.5A之間變化時(shí),光柵半反饋下波長(zhǎng)隨注入電流的漂移率降低到0.20nm/A,比光柵全反饋更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案不僅能獲得更好的頻譜特性,還能獲得非常高的輸出功率。當(dāng)注入電流為2A時(shí),實(shí)現(xiàn)了0.28nm的窄線(xiàn)寬輸出和波長(zhǎng)在5.18nm范圍內(nèi)可調(diào)諧輸出,輸出功率提高至321mW;注入電流為4.5A時(shí),譜寬為0