基于侧向微结构的1064nm半导体激光器模式特性研究

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宽脊波导半导体激光器因其具有高功率特性而被广泛应用,但其较宽的脊波导会引起近场光斑“多瓣”现象,导致其光束质量差,工作效率低。在宽脊波导上制作微结构,通过调控注入载流子分布,可以有效改善其输出模式及光束质量,且工艺相对简单。近年来,少量实验报道证实了具有微结构的宽脊波导结构也可以通过调控光场模式损耗实现激光器输出模式特性的改善,然而有关其工作机理的系统性研究报道却少之又少。本文主要围绕1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器开展研究,主要探究侧向微结构对激光器腔内光场模式的调制机理,设计了器件结构并开展了器件制备研究,具体研究内容包括:(1)从理论分析入手,分析了宽脊波导半导体激光器的工作原理及特性。基于半导体激光器波导理论、等效折射率方法,分析器件的模式截止条件。仿真探究了器件波导结构对出光特性的影响,设计并优化了1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器外延结构。(2)围绕侧向微结构的光场模式调控机理开展研究。基于模式阈值增益理论及模拟仿真,分析了宽脊波导半导体激光器谐振腔内各阶模式的光场分布特点,探索了侧向微结构作用下各阶光场模式损耗产生差异的机制,阐明了侧向微结构的光场模式调控机理。(3)开展1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器件制备研究。依据侧向微结构对光场模式的调控机理,设计并优化器件结构,依据器件结构特点开展器件制备工艺方案研究。基于设计的外延结构,生长获得1064 nm半导体激光器外延材料。围绕器件制作工艺开展研究,优化各项工艺的关键参数,制备获得了半导体激光器件管芯。(4)针对1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器件管芯开展测试分析研究。测试结果表明,相比于宽脊波导半导体激光器件的“多瓣”光斑,引入侧向微结构后激光器的光斑呈现“单瓣”现象,激光器件的输出模式特性得到了改善。得益于输出模式特性的改善,侧向微结构的引入令激光器件的输出功率、斜率效率和电光转换效率分别提升了58.5%、80%和55.9%。
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