（光学专业论文）半导体激光器列阵外腔锁相的一般性分析.pdf

半导体激光器列阵外腔锁相的一般性分析 专业：光学 研究生：陈海波导师：陈建国 摘要 半导体激光器列阵( l d a ) 结构紧凑，体积小，效率高，已被厂。泛应用于 空间光通信，泵浦固体激光器，材料加工等众多领域。但是目前商用大功率l d a 发光单元间距较大( 5 0 0 , u m ) ，因而各单元之间不存在实质性的内在耦合，即 单元的电场之间缺乏相干性，这就导致了l d a 输出的光束质量较差，限制r l d a 在其它领域的应用。为了克服这一缺点，l d a 单元问的位相锁定成为r 近几年的研究热点。 外腔锁相因其结构简单、效果明显，因而在外部耦合锁相方法中倍受关注。 已经有不少理论对l d a 外腔锁相进行分析，也有不少试验结果证明了这些理 论的合理性，但这些理论大都是在考虑具体的外腔参数的情况下对锁相l d a 进行的分析，不具有普适性。本文在不针对特定的外腔参数的情况下并考虑到 外腔锁相l d a 的闽值与前端面的剩余反射系数有关这一事实，对外腔锁相l d a 进行了一般性的分析。在只计相邻发光单元间互相耦合及单元自耦合的近似下， 解析证明出外腔锁相l d a 阈值最低的模要么是基超模要么是高阶超模，说明 了存在一些分立的外腔长度范围可以使l d a 运行于基超模或最高阶超模。 实现l d a 外腔锁相一个关键因素就是每个发光单元的光场频率不能相差 太大，这就要求l d a 热沉散热效率要很高，因为不均匀的散热会导致单元纵 模频率的变化。本文通过解热传导方程得到了半导体激光器列阵的热沉温升分 布的解析表达式，并利用该解析式分析了热传导系数对热沉散热的影响，与有 限元法相比，本方法物理模型清晰、计算量明显减少，并可对参数进行直观的 分析，为安装冷却器提供了一种较为简单和方便的参考依据，也为有限元法提 供了一种校验和补充方法。 在本文中，我们采用一个由快轴准直透镜和一个高反射率平面镜组成的简 单外腔，实现了半导体激光器列阵( l d a ) 锁相运行，改善了l d a 的出射光束质 量。锁定后的l d a 远场出现了3 个瓣，每瓣发散角为1 0 m r a d 左右；光谱从自 由运行时的2 2 n m 压缩到了0 3 n m j 阈值电流由7 a 降低到了5 5 a ，光束质量 得到了较大的改善。 关键词：半导体激光器列阵，外腔，锁相，超模 l i 目j 大孽日幸t 健一文 g e n e r a ld i s c u s s i o no np h a s el o c k i n go fb r o a ds t r i p e d i o d ea r r a y sb ye x t e r n a lc a v i t y m a j o r ：o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：c h e n ，h a i b o s u p e r v i s o r ：c h e n ，j i a n g u o a b s t r a c t l a s e rd i o d ea r r a y ( l d a ) i sc h a r a c t e r i z e db yi t sc o m p a c t n e s sa n dh i g he f f i c i e n c y i th a sb e e nw i d e l yu s e di nf r e e s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，s o l i dl a s e r sp u m p i n g ， a n dm a t e r i a lp r o c e s s i n g b u tl d a g e n e r a l l yo p e r a t e si r tm u t t i p l el a t e r a lm o d e s ，a n d t h eo u t p u t so fi t si n d i v i d u a l e m i t t e r sf i l ei n c o h e r e n tb e c a u s eo fi t sb r o a ds t r i p e e m i t t e r s ，w h i c hw o r s e nt h eo m p u tq u a l i t yo fl d a ，a n dt h e r e f o r el d n sa p p l i c a t i o n i no t h e rf i e l d sh a sb e e nl i m i t e d t h ep h a s el o c k i n go fl d ai sa p o t e n t i a lm e t h o dt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g ，a n di th a sb e c o m eah o tt o p i ci nr e c e n ty e a r s t h e r eh a v eb e e nm a n yt h e o r i e sa n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fp h a s e l o c k i n go f l d ab ye x t e r n a lc a v i t y ( e c ) ，a n dt h es u i t a b i l i t yo ft h e s et h e o r i e sh a sa l s ob e e n c o n f i r m e db ye x p e r i m e n t s b u tt h o s et h e o r i e sa r eu s u a l l yb a s e do ne cw i t hs p e c i f i c p a r a m e t e r s ，a n dh e n c et l e yc a n n o tb eg e n e r a l l yu s e dt oa n a l y z et h ep h a s el o c k i n g m e c h a n i s mi nt h eu n i v e r s a ls e n s e i n t h i st h e s i s ，w eh a v em a d eag e n e r a l d i s c u s s i o no nl d a so fb r o a dt r i p ee m i t t e r sp h a s el o c k e dw i me c sw i t h o u tr e f e r r i n g t o s p e c i f i cd e v i c ep a r a m e t e r s f o rap h a s el o c k e dl d a b a s e do dt h ed i f f r a c t i o n c o u p l i n gb e t w e e nt h en e a r e s tn e i g h b o re m i t t e r s ，a n a l y t i c a ls o l u t i o n sh a v eb e e n d e r i v e df o rt h ec o u p l i n gm a t r i xe q u a t i o n ，i n c l u d i n gt h ef i n i t er e f l e c t i o no ft h ef r o n t f a c e to f t h el d a f a c i n gt h ee c e v e nt h o u g ht h et h r e s h o l d so f t h es u p e rm o d e so fa n 日j 目a 事t 侍l l d ab x ea f f e c t e db yt h er e s i d u a lr e f l e c t i o na tt h ef r o n tf a c e t ，i tc a r ls t i l lb ep r o v e d a n a l y t i c a l l yt h a tt h ef a v o r e dm o d eo ft h el d a i se i t h e rt h el o w e s to rh i g h e s to r d e r s u p e rm o d e a k e yf a c t o r , t os o m ee x t e n t ，d e t e r m i n e st h ep h a s e l o c k i n go fl d ai st h a tt h e c o n f o r m i d i t y o ft h e f r e q u e n c i e so ft h ei n d i v i d u a l e m i t t e r s i ft h ef r e q u e n c y d i f f e r e n c e sb e c o m e st o ol a r g e ，i ti sd i f f i c u l tt op h a s el o c kt h el d a s ot h ee f f i c i e n c y o fh e a ts i n ki sv e r yi m p o r t a n tt op h a s e - l o c k i n g ah e a ts i n ko fl o we f f i c i e n c yo fw i l l l e a dt o l a r g ef r e q u e n c ye x c u r s i o n sa m o n ge m i t t e r s i nt h i sw o r k ，t h ea n a l y t i c a l e x p r e s s i o no ft h et e m p e r a t u r er i s eo ft h eb e a ts i n ko f a l ll d ah a sb e e no b t a i n e db y s o l v i n gt h eh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n t h ei n f l u e n c eo fc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to nt h et e m p e r a t u r er i s eo ft h es i n kt o pa n dt h eb o t t o ms u r f a c eh a sb e e n a n a l y z e d t h er e s u l t so b t a i n e da r ei na g r e ew i t ht h a tc a l c u l a t e dw i t ht h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dc o n f i r m e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i nt h i sw o r k ，p h a s e l o c k i n go fa l ll d ah a sb e e na c h i e v e db yu s i n gas i m p l ee c c o n s i s t i n go faf a s ta x i sc o l l i m a t i n gl e n sa n dah i g h r e f l e c t i o ne x t e r n a lm i r r o r t h e q u a l i t yo ft h eo u t p u tb e a mh a sb e e ni m p r o v e d t h ef a rf i e l dp a t t e r nc o n s i s t so f3 l o b e s ，a n dt h ed i v e r g e n c eo fe a c hl o b ei sa b o u t10m y a d t h es p e c t r u mh a sb e e n n a r r o w e df r o m2 2 n mt o0 3 n ma n dt h et h r e s h o l dc u r r e n td e c r e a s e sf r o m7 0 at o 5 5 aw i t ha n dw i t h o u tf e e d b a c kr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：l a s e rd i o d ea r r a y , e x t e r n a lc a v i t y , p h a s e l o c k i n g ，s u p e rm o d e 第一章绪论 1 1半导体激光器及其列阵的发展回顾 11 1 半导体激光器( l d ) 的简介 1 9 5 8 年t o w n e s 和s c h a w l a w 提出了利用开放式光谐振腔来实现激光器构想 h 1 。在此理论的指导下，1 9 6 0 年发明了红宝石激光器和h e - - n e 激光器1 2 3 l 。随 后便有人提出了半导体激光器的受激辐射理论【4 j ，并在1 9 6 2 年成功的发明了 半导体激光器【6 , 7 , 8 1 。但这一阶段所发明的半导体激光器都属于同质结注入型的 激光器，其最大的缺点就是阈值电流密度很高，一般大于5 1 0 4 a c m2 ，这就 使得它们无法在室温下连续运行。1 9 6 3 年，有人提出了异质结结构的半导体激 光器构想【9 1 ” ，即把一种窄带隙的半导体材料夹到另外。种宽带隙的半导体利 料之间，来提高复合效率。异质结的形成需要晶格常数严格匹配的两种半导体 材料，限于当时所掌握的知识和生长技术，直到1 9 6 9 年才成功的用液相外延技 术生长出能够在室温下运行的异质结半导体激光器12 1 。这种激光器在脉冲方 式下运行，阈值电流密度降到8 1 0 3 a c m 2 。苏联科学家a l f e r o v 在1 9 6 9 年成 功生长出了双异质结激光器，该激光器在室温下运行时的阈值电流密度 5 1 0 3a c m 2 左右【1 3 】。1 9 7 0 年该类型的半导体激光器的阈值电流密度降到了 1 6 1 0 3a c m 2 左右【i ，1 9 7 5 年薄有源层( 0 1 a m ) 的a 1 g a a s 的双异质结激光 器的阈值降到了o 5 x 1 0 3a c m 2 左右i l ”，这比1 9 6 2 年的生长出的第一台单异质 结半导体激光器的阈值电流密度降低了2 个数量级。从此半导激光器进入了飞 速发展的阶段：阈值不断得到降低，面发射激光器的阈值已经达到了a a 的量 级【l6 ：室温下连续的输出功率不断的得到增加，单个的半导体激光器已从几个 毫瓦的输出功率增大到了几瓦；通过改变有源层的材料已经得到了大波长范围 内( 5 4 0 月所1 6 0 0n m ) 连续室温下工作的半导体激光器；发展了单纵模，窄线宽 的d f b ( 分布反馈布拉格) 激光器、d b r ( 分布布拉格) 激光器以及量子阱、多量 子阱激光器。 在当今的这个信息社会，半导体激光器已经被广泛的应用于光纤通信，激 光医疗，激光加工，光盘存储，光电子集成电路等各个领域。 1 1 2 半导体激光器列阵( l d a ) 的简介 由于单个的半导体激光器输出的功率受到腔面损伤阈值的限制，最大只能 达到瓦级7 j ，所以只有通过叠加多个半导体激光器来得到高功率的输出。把多 个规格一致半导体激光器按照周期性的间距集成到一维上就构成了半导体激光 器列阵( l d a ) ，多个l d a 进行二维堆叠就构成了面阵半导体激光器件。人们很 早就对l d a 进行了研究 1 8 , 1 9 , 2 0 1 ，进入9 0 年代后，用于激光加工以及泵浦固体 激光器等众多领域的高功率l d a 成为研究的热点之一阻22 1 。目前，l d a 的输 出功率已经可以达到几百瓦以上的准连续输出1 2 3 1 ，二维面阵的输出功率已经到 千瓦量级1 2 ”，我国制造高功率二极管激光器件的水平也已经接近世界水平，已 经生产出了4 0 0w 和5k w 的准连续二维面阵 2 4 , 2 5 。 1 2 半导体激光器列阵的位相锁定 使用l d a 虽然可以提高半导体激光器件的输出功率，但是却牺牲了输出 光束的光束质量。因为，l d a 中每个单) 乇( e m i t t e r ) 发出的光，一般来说在没有 采取特殊措施时是不相干的，光束质量较差。这就限制了l d a 在空间光通信、 光纤耦合、相干光束合成等对光束质量有很高要求的领域中的应用。 早期制造的l d a 一般分为为两种：一种是在维上集成1 0 个、1 5 个或者 更多个小型子列阵，而每个子列阵上面有1 0 或2 0 个发光单元，即为1 0 2 0 、 3 0 x 1 0 或1 5 2 0 的b a r 条结构 2 6 , 2 7 1 。这种结构中的发光单元一般为1 0 z m ，在快 轴方向( 即垂直于有源层的方向) 上的宽度小于1p m ，输出的光束为基模高斯光 束，快轴方向的发散角( 半高全宽处f w r t m ) 约为几十度，m 。，2 1 。在慢轴方向 ( 即平行于有源层的方向) 上，每个单元发出光束不是基模高斯光束，其发散角( 半 高全宽处f w h m ) 约为1 0 。左右，m ，2z3 0 6 0 。如果考虑整个l d a 在慢轴的 光束质量，其m ，2 因子可达几千 2 s 】，这种构造的l d a 一般内部都有微弱的耦 合：另外一种为单个单元的列阵，这种列阵的发光面很宽，一般为1 0 0 , u m 或者 2 0 0 , u m ，输出功率可以达到瓦级 2 9 , 3 ”。在慢轴的发散角比第一种列阵要小些， 但功率也要小很多。 目前国际上标准的l d a 产品通常宽度为lc m ，上面一次性生长出1 9 个或 者更多个的发光单元，发光单元的间距一般为5 0 0 , a m ，发光单元沿慢轴方向的 宽度一+ 般为1 0 0 a m 4 0 0 a m ，沿快轴方向的宽度为l , a m 3 m 3 ho 慢轴方向 的发散角( f w h m ) 为1 0 。左右，快轴方向的发散角( f w h m ) 可达4 0 。左右。 如何来来改善l d a 的光束质量呢? 对快轴方向来说，由于其宽度仅为1 a m 左右，因此输出光束为基模高斯。在这种情况下，我们可以采用柱透镜对其近 行准直，准直后的发散角一般为几个毫弧度【3 ”。但是对于慢轴来说，采用柱透 镜进行准直很难使光束质量得到改善，因为每个单元之间发出的光一般都是非 相干光，经过柱透镜以后也是非相干叠加，远场发散角较大，能量也较为分散。 如果我们能够通过采用某种耦合措施，使每个发光单元的输出光束之间能够具 有相干性，即实现位相的锁定，我们就可以得到相干光输出，光束质量就会得 到改善，输出相干能量也会得到集中和增大。 根据耦合方式的不同，l d a 的锁相可以分为：内部耦合 3 3 - 4 8 j 和外部耦合 4 9 。】。内部耦合是通过控制l d a 芯片的折射率、增益区分布或者改变有源层、 衬底和覆盖层的结构来实现各个发光单元间的耦合，从而使它们之间的位相得 到锁定。外部耦合是通过在l d a 外部采用某种装置或器件，使l d a 各个单元 发出光的位相之间建立起某种固定关系，从而实现l d a 的锁相运行。 内部耦合是早期锁相的主要研究方向。一般的内部耦合方式分为：漏波耦 合，倏逝波耦合，x 型、y 型耦合。漏波耦台是通过周期性改变折射率的实部， 使l d a 运行时每个单元光场的峰值分布在低折射率区 3 4 , 3 5 o 倏逝波耦合耦合与 漏波耦合相反，它使l d a 运行时每个单元光场的峰值分布在高折射率区 3 6 i 。 它们之f b 】的另一个区别就是倏逝波的传播系数介于高折射率和低折射率之间， 而漏波的传播系数小于低折射率。根据使用这两种方法锁定后l d a 各个单元 发出的光场之间的位相关系，我们把它们分为m 种，这和l d a 单元的个数一 致。实验中观察到最多的为以下2 种模式：一种为同相模( i n - p h a s em o d e ) ，即 每个单元光场的位相都相同，在这种模式下l d a 的远场光强分布为单瓣结构： 另外一种为反向模( o u t - p h a s em o d e ) ，即每个单元光场的位相都相差7 ，在此模 式下运行的l d a 的远场光强分布为双瓣结构。只有当高折射率区的增益大于 低折射率的增益时，倏逝波才能起主导作用。但是过多的增益会支持反向模的 运行，这往往是人们不希望的。一般通过限制折射率差a n 来避免这种情况的发 生，但是当加过小时，器件将会对增益空间烧孔和热梯度的变化十分敏感。当 优先把增益加到低折射率区时l d a 就会支持漏波振荡，与倏逝波不同，漏波 对于a n 的要求不高，但同向模和反向模可能同时振荡。 根据有源层折射率的大小，锁相l d a 可以分为：正折射率导引列阵即有源 层折射率比其他区域的折射率要大，这种列阵中倏逝波较容易振荡；负折射率 导引列阵即有源层折射率比其他区域的折射率要小，这种列阵中漏波较容易振 荡。1 9 7 8 年s c i f r e s 等人研制出了第一个锁相l d a ，采用了漏波耦合的方法。 1 9 8 1 年，a c k l e y 和e n g e l m a r m l l 驯发明了实折射率导引( r e a l i n d e x g u i d e d ) 的漏 波耦合l d a ( 也称为反波导列阵) ，这种l d a 输出相对稳定，但是由于缺乏模 式选择机制，致使同相模和反相模并存，输出光束发散角依然较大。1 9 8 3 1 9 8 8 年，正折射率导引列阵成了人们研究的重点。在此期间，b u t l e r 和k a p o n 等人 建立的“超模”( s u p e r - m o d e ) 理论，成功的解释了倏逝波耦合方式下l d a 的 工作特性。但是倏逝波耦合仍然存在下述问题：首先，倏逝波更倾向于反相模 的运行。这是因为反相模在发光单元间的损耗为零，比同相模更好的重叠在了 有源层的增益区【4 6 j 。其次，光束质量的稳定性较差，在阚值附近光束的发散角 接近衍射极限，但当电流增大时光束发散角迅速变宽】。 有两种方法可以解决上述问题：一是改变在纵向均匀器件中侧向的折射率 分布，以便得到同相模的倏逝波耦合；二是生长或制造出纵向非均匀的器件， 通过采用特定的结构对反相模引入高损耗机制来抑制反相模的输出，从而强迫 列阵尽可能运行在同相模上，在这种想法的基础上发展出了x 型、y 型耦合器 件 4 5 , 4 6 , 4 7 】。 通过内部耦合方式实现锁相的l d a 的结构紧凑，对外界扰动不敏感。但是 为了保证l d a 内部发光单元间的有效耦合，l d a 发光单元的宽度往往不能做 的很大，所以锁相u ) a 的输出功率受到限制，这将使锁相l d a 难以适应更高 的功率要求，而且随着发光单元的增多和驱动电流的不断增大，l d a 的不稳定 性也会增大。 如果采用外部耦合方式实现l d a 的锁相运行，则可以使l d a 的输出功率 比采用内耦合锁定时的输出功率要大的多。由于外部耦合对l d a 本身没有更 严格的要求，这不仅降低了生产上的制造难度和成本，而且可以采用更高功率 的l d a 来锁相，为提高锁定后的功率创造了有利条件。综上所述，外部耦合 锁相已经成为近几年来锁定l d a 的重点研究方法，外部耦合锁相使用的器件 主要有：外腔镜( e x t e r n a lc a v i t y ) 4 9 5 5 ，6 3 石酣，主激光器( m a s t e rl a s e r ) 5 6 , 5 7 1 ，位相共 轭镜( p h a s ec o n j u g a t em i r r o r ) 或位相共轭晶体( p h a s ec o n j u g a t ec r y s t a l ) 1 5 8 - 6 2 等。 外腔耦合是普遍使用的一种外腔锁相方式，外腔镜可以使用普通平面镜， 光栅，f p 标准具等器件。用于指导外腔锁相的理论大体分为两种：一种是模 式耦合理论，即l d a 各个单元发出的光经过外腔镜反馈以后，与相邻单元或 离自身更远的单元互相耦合，使每个单元发出的光具有固定的位相关系，从而 将l d a 锁定。另外一种称为泰伯( t a l b o t ) 腔理论，该理论是从泰伯效应中引申 出来的。根据泰伯理论，当均匀单色平面波照射具有周期性透射率的无限长物 体时，会在某些特定距离( 即泰伯距离的整数被) 处出现该物体的像。根据这 一的现象，人们通过在合适的腔长处放置外腔镜或者空间滤波器以引入同相模 或反相模的高损耗机制，从而实现模式选择。采用外腔镜的锁相系统结构简单、 效果较好，但需要对外腔的长度和l d a 的具体参数进行仔细的选择；此外， 该系统对外部条件较为敏感，只有保证系统避免低频振动和温度的大幅度变化 才能使其稳定的运行。 采用主激光器注入的外部耦合方式也称为种子激光注入锁定方式。主激光 器一般为侧模发散角很小、单模运行的激光器。把主激光器发出的光注入到 l d a 的各发光单元( 也称为s l a v e l a s e r ) 中，从而改变l d a 的输出功率，光谱 特性，远场发散角等性能。这种方法要求主激光器运行的模式和从激光器运行 模式之间的频率差不能太大，否则这种注入锁定的方法是无效的。该方法要求 主从激光器之间要有良好的光学隔离效果，对整个系统的调节精度要求也非常 高。 位相共轭镜和位相共轭晶体能够产生光折变效应，即能将射入位相共轭镜 或位相共轭晶体的光沿着原路“反射”回去。位相共轭镜和位相共轭晶体一般 用于早期那些内部有微弱耦合的l d a 2 6 , 2 7 1 ，这种内部有微弱耦合的l d a 的远 场光强分布一般为双瓣结构，我们可以采用位相共轭镜和位相共轭晶体将光场 中的一瓣沿原路“反射”回l d a 中去，这样就会使l d a 的输出光束的特性得 到改善。此方法和主激光器注入锁定的方法有类似之处，不同之处在于主注入 锁定是靠外部射入的光进行锁定，此方法是靠自身射入的光束进行锁定即自锁 定。使用该方法锁定的l d a 的输出光束质量要比主注入锁定的要好的多，但 是系统结构也比较复杂，由于牺牲了一瓣的光能，输出能量较小。使用该方法 的前提是：l d a 必须内部有微弱的耦合，也就是已经实现了部分锁定。 综上所述，使用外部耦合可以提高锁相l d a 的输出功率，改善光束质量， 但是也增加了系统的复杂程度，使整个系统更容易受到外界扰动的影响，所以 需要更为精密的调节设备和稳定的试验平台才能使锁定的l d a 稳定运行。 1 3 本文的研究目的和意义 外部耦合已经成为了改善高功率l d a 光束质量和提高相干光输出能量的 主要方法，两在外部耦合的众多方法中，以外腔锁相最为简单，效果也更为明 显。该方法只需要在l d a 外部适当的位置放置一些外腔器件( 一般使用平面高 反镜或者f p 标准具) 即可，对l d a 的内部构造没有特殊的要求，l d a 的有源 层可以做得很宽，单元间距也可以做得很大，这样可以提高输出功率，又有利 于l d a 芯片的散热，所以外腔锁相已经成为了近几年研究的热点。有人已经 对采用高反镜作为l d a 外腔的锁相方法做了一些的理论分析 4 9 - 5 1 , 6 5 - 6 7 ， a p o l l o n o v 等人也在实验上实现了一维和二维l d a 的锁, f h t 4 钆5 1 】。 前人关于外腔锁相的理论基本都是建立在具体外腔器件之上的，所以本文 的目的在于：建立一套不涉及具体外腔器件参数的模式耦合理论，分析最低阶 超模和最高阶超模运行所需要的条件，对具体的实验设置能够起到一定的指导 性作用。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作有三个方面：一，在不针对特定系统参量的情况下，对外 腔锁相半导体激光器列阵( l d a ) 进行了一般性的分析，在只计相邻发光单元 间互相耦合及单元自耦合的近似下，解析求解了耦合矩阵方程，求得到本征超 模及相应的本征值。尽管外腔锁相l d a 阈值和前端面的剩余反射系数有关， 还是可以解析证明出阈值最低的模要么是基超模，要么是高阶超模，说明了存 在一些分立的外腔长度范围可以使l d a 运行于基超模或者最高阶超模。这个 结果和模式耦合理论的结果是一致的。二，通过解热传导方程得到了半导体激 光器列阵热沉温升分布的解析表达式，并利用该解析式得到了热沉的温升分布 图，分析了对流换热传热系数对上下表面温升的影响，当对流换热传热系数增 大到某个的值后，上下表面的温差变化很小，而温升随对流换热传热系数的增 大而降低，所得的结果与用有限元法算得的并经过实验验证的结果基本上是一 致的。三，采用高反镜作为l d a 的外腔，观察了l d a 在外腔运行下的特性。 l d a 的阈值电流从7 a 降低到了5 5 a ，远场发散角减小到了约1 0m r a d ，光谱 宽度压缩了将近1 1 0 ，改善了l d a 输出光束的质量。 各章节具体安排如下： 第一章、绪论。 对半导体激光器r ( l d ) g l 半导体激光器列阵( l d a ) 的发展 进行了历史回顾，介绍了l d a 锁相的意义和方法以及l d a 锁相的进展。 第二章、 关于半导体激光器列阵超模的基础知识。通过l d a 各个单 元的自在现条件求得了耦合矩阵方程，并推导出了l d a 的超模和l d a 的远场 分布。 第三章、 外腔锁相列阵半导体激光器的一般分析。在不针对特定系统 参量的情况下( 即不考虑具体使用的外腔器件) ，对外腔锁相半导体激光器列阵 ( l d a ) 进行了一般性的分析。尽管外腔锁相l d a 闽值和前端面的剩余反射 系数有关，但还是可以解析证明闽值最低的模要么是基超模，要么是高阶超模， 说明了存在一些分立的外腔长度范围可以使l d a 运行于基超模或者最高阶超 模。 第四章、解析计算半导体激光器列阵的热沉温升。通过解热传导方程 得到了半导体激光器列阵的热沉温升分布的解析表达式，并利用该解析式分析 了各个参数对l d a 热沉散热的影响。 第五章、外腔锁相改善半导体激光器列阵输出光束特性。利用一个简 单高反镜构成的外腔实现了l d a 的锁相运行，分析了锁相前后l d a 运行特性 的变化，改善了l d a 输出光束的质量。 最后对本文的主要工作和研究结果进行了总结。 四j 大掌o e 士j 堕位 ：屯 f 2 参考文献 a l s c h a w l o w , a n dc h t o w n e s ，“i n f r a r e da n do p t i c a lm a s e r s ”，e h y sr e v ，v o l1 1 2 ，p 9 4 0 ，1 9 5 8 一h m a i m a nn a t u r ev 0 1 1 8 7 ，e4 9 3 ，1 9 6 0 f 3 】awr j a v a n ，j rb e n n e t t ，a n dd r h e r r i o t p h y s r e v l e t t ，v o l6 ，e1 0 6 ，1 9 6 1 【4 】n gb a s o v , 0 nk r o k h i n ，a n dy u ，m p o p o v , “p r o d u c t i o no fn e g a t i v et e m p e r a t u r es t a t e si n p n j u n c t i o n s o f d e g e n e r a t es e m i c o n d u c t o r s ”，e r p ，v 0 1 4 0 p 1 3 2 0 ，1 9 6 1 5 】wrd u m k e ，p 协fr e v ，v 0 1 1 2 7 ，e 1 5 5 9 ，1 9 6 2 6 】r nh a l l ，6e f e n n er ，j d k i n g s l e y , e ta l ，“c o h e r e n tl i g h te m i s s i o nf r o mg a a s j u n c t i o n s ”，e h y s + r e v l e f t ，v 0 1 9 ，e3 6 6 ，1 9 6 2 【7 jm 1 n a t h a n ，wed u m k e ，gb u m s ，e ta l “s t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o nf r o mg a a sp - n j u n c i t o n s ”，a p p l 肋 l e t t v 0 1 1 ，e 6 2 ，1 9 6 2 f 8 】n j r h o l o n y a k ，a n ds eb e v a c q u a a p p lp h y s l e t t v o ! 1 ，e 8 2 ，1 9 6 2 【9 】h k r o e m e rp r o ci e e e5 1 ，p1 7 8 2 ，1 9 6 3 f l o z h 1 a l f e r o v ，r fk a z a r i n o v “s e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t he l e c t r i c a lp u m p i n g ”u s s r p a t e n t8 1 7 3 11 hk r e s s e l ，h n e l s o n ，“c l o s ec o n f i n e m e n tg a l l i u ma r s e n i d ep - n j u n c t i o nl a s e rw i t hr e d u c e d o p t i c a ll o s sa tr o o mt e m p e r a t u r e ”，r c ar e v ，v 0 1 3 0 ，p 1 - 6 ，1 9 6 9 【12 ih a y a s h i ，m b p a n i s h ，a n dewf o y , al o w - t h r e s h o l dr o o m t e m p e r a t u r ei n j e c t i o n l a s e r ”，i e e e d q u a t u r ne l e c t v 0 1 5 ，e 2 1 1 ，1 9 6 9 【13 z h 1 a l f e r o v , vm a n d r e e v , e l p o r t n o i ，e ta l ，s o l , 尸伽s e r a i c o n d ，v 0 3 ，p 11 0 7 ， 】9 7 0 1 4 】i h a y a s h i ，m b p a n i s h ，ewf o y , e ta 1 a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 1 7 ，e 1 0 91 9 7 0 15 】me t t e n b e r g a p p l 尸枷l e t t v 0 1 2 7 ，e 6 5 2 ，1 9 7 5 1 6 】g m y a n gm m a c d o u g a la n ded d u p k u s e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 3 1 ，e 8 8 6 ，1 9 9 5 【1 7 】白光，罗山，激光二极管线阵和列阵的极限输出参数，激光与光电子学进展，4 ，1 9 9 8 l q 2 2 8 日j 大# 嚏士孽啦惦史 18 1d ea c k l e y , r 、h e n g e l m a n n ，“h i g h - p o w e rl e a k y m o d em u l t i p l e s t r i p el a s e r a p p l p h y sl e t t ，3 9 ，1 9 8 】，2 7 2 8 1 9 e k a p o n ，cl i n d s e y , j k a t ze ta i “c o u p l i n gm e c h a n i s mo fg a i n g u i d e di n t e g r a t e d s e m i c o n d u c t o rl a s e ra r r a y s ”，a p p l e h y sl e t t ，l9 8 4 ，4 4 ( 4 ) ，3 8 9 3 9 1 2 0 tl p a o l i ，ws t r e i f e r , r d b u r n h a m ，“o b s e r v a t i o no fs u p e r m o d e si nap h a s e l o c k e d d i o d el a s e ra r r a y ”，a p p l p h y s l e t t ，1 9 8 4 ，4 5 ( 3 ) ，2 1 7 2 1 9 2 1 c h a n k e ，l k o r t e ，b a c k l i ne ta l h i g hr e l i a b l e4 0w - c w - i n g a a l a s g a a s8 0 8n ml a s e r b a r s ”，s h e , 1 9 9 9 ，3 4 6 2 ，4 7 5 3 【2 2 】jj a n d e l e i t ，n w i e d m a n n ，ao s t l e n d e re ta l “p a c k a g i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o no fh i g h p o w e rd i o d el a s e r s ”，s p e , 2 0 0 0 ，3 9 4 5 ，2 7 0 - 2 7 7 【2 3 1smn v e e d ，r l w o o d s ，s p i e , 2 0 0 3 ，4 9 7 3 ，1 4 2 1 5 7 1 2 4 1 肖建伟，准连续大功率：二维层叠量子阱激光器阵列，高技术通讯，1 9 9 8 ，8 ( 8 ) ，l 一4 2 5 】方高瞻，肖建伟，马骁宇等，准连续5 k w 叠层激光二极管列阵，高技术通讯，2 0 0 2 ， 5 ，4 1 ，4 4 2 6 ms a k a m o t o ，d fw e l c h ，j ge n d r i ze ta 1 “7 6 wc wm o n o l i t h i cl a s e rd i o d ea r r a y s ” a p p l p h y s l e t t , 1 9 8 9 ，5 4 ，r 2 2 9 9 2 7 m s a k a m o t o ，d fw e l c h ，j ge n d r i ze ta 1 “1 0 wc w5 0 0 0 hl i n t i m em o n o l i t h i ca i g a a s l a s e rd i o d ea r r a y s ”，e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，1 9 8 9 ，2 5 ，r 9 7 2 【2 8 】武德勇，高松信，严地勇等，高功率线阵半导体激光器光纤耦合设计，激光杂志，2 0 0 2 ， 2 3 ，1 9 2 0 2 9 1dfw e l c h , b c h a n ，ws 廿e i f e re ta 1 “h i g h - p o w e r ，8 wc w ，s i n g l e q u a n t u m w e l l l a s e r d i o d e a r r a y ”，e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，1 9 8 8 ，2 4 ，p _ 1 1 3 ， 【3 0 dfw e l c h ，m d e v i t o ，m c a r d i n a le ta 1 “p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h b r i g h t n e s s c w , d i o d el a s e ra r r a y s ”，e l e c t r o n i c sl e “e r s ，19 8 7 ，2 3 ，r 8 9 2 f 3 】r d i e h l ，h i i g h - p o w e r d i o d el a s e r s ，t o p i c s a p p l 脚f 2 0 0 0 ，7 8 ，p 1 7 3 3 2 】gr h a d l e y o p t l e t t ，1