【摘 要】
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半导体激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、电光转换效率高、寿命长、稳定性好、驱动方式简单、覆盖波段广等多种优点,是理想的全固态激光系统的泵浦源。近年来,随着激光技术的不断发展,激光系统对半导体激光泵浦源也提出了更高的要求,诸如:提高最大功率,满足日益增长的能量需求;提高电光转换效率,减小系统的功耗和体积;提高光束质量,满足激光加工和光纤耦合的应用需求;提高可靠性,应对严苛的工作环境并降低成本。电光
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半导体激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、电光转换效率高、寿命长、稳定性好、驱动方式简单、覆盖波段广等多种优点,是理想的全固态激光系统的泵浦源。近年来,随着激光技术的不断发展,激光系统对半导体激光泵浦源也提出了更高的要求,诸如:提高最大功率,满足日益增长的能量需求;提高电光转换效率,减小系统的功耗和体积;提高光束质量,满足激光加工和光纤耦合的应用需求;提高可靠性,应对严苛的工作环境并降低成本。电光转换效率是半导体激光器的核心技术指标,它是实现高功率、高光束质量和高可靠性的基础。然而,针对特殊温度下半导体激光器的工作需求,与其相关的电光转换效率等研究报道相对较少,客观上阻碍了半导体激光器应用领域的扩展。为研制出适用于低温工作的半导体激光器件,本论文从器件输出特性分析入手,研究了温度对电光转换效率的影响。以实现高电光转换效率为目标,对外延结构进行了一系列的理论分析,创新性地引入了量子阱载流子限制效率理论模型,深入研究了有源区结构对内量子效率的影响。另外,本文还探索了材料组分和有源区模式增益的关系,研究了波导结构参数对输出特性的影响。在上述研究和分析的基础上,我们制备了适应于低温工作条件的808nm半导体激光器,并搭建了可实现-60～60℃温度调控的器件测试平台。在工作温度为-50℃、占空比为8%、注入电流为600 A时,巴条输出功率达到799 W,电光转换效率为71%,斜率效率为1.34 W/A;注入电流为400 A时,器件达到最高电光转换效率73.5%,此时的载流子限制效率约为99%,串联电阻为0.43 mΩ;在-60～60℃温度范围内,中心波长随温度的漂移系数约为0.25 nm/℃。研究结果验证了载流子限制模型的正确性,为不同温度下半导体激光器外延结构的优化设计奠定了理论基础。
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