（光学专业论文）半导体薄片激光器理论及实验研究.pdf

l ，j k 点_ 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 摘要 摘要 半导体薄片激光器综合了半导体激光器和固体薄片激光器的优点。一方而，它 具有半导体激光器的优点，利用成熟的半导体能带工程，其发射波长覆盖从可见光 到近红外的广泛区域；另一方面，它又兼备同体激光器的优点，既能获得高光束质 量和高功率输出，也能方便地进行腔内倍频、可调谐运转和锁模运行。因而，半导 体薄片激光器在激光频率变换、光时钟、光通信、激光显示、生化分析、激光光谱 学以及激光医学等诸多领域都有重要的应用，是一种名副其实的新型实用激光光源。 国际上对半导体薄片激光器的研究热是在近十年刚兴起的。在理论研究方面， 主要从微观上研究半导体薄片激光器的增益特性、倍频和参量振荡以及锁模过程的 动力学特性等；从宏观上研究半导体薄片激光器的热特性等。实验研究方向主要集 中在以下几个方面：一是提高激光器的输出功率，特别是单横模的输出功率：二是 扩展激光器的发射波长，包括直接实现新波长、双波长、以及倍频、和频、参量振 荡输出；三是进行单频运转和可调谐运转；四是获得高重复频率的超短脉冲激光输 出；五是试验开发实际的应用。 本论文主要工作包括： 1 理论研究了半导体薄片激光器的增益特性和面发射谱特性。从对异质结能带 偏置比的确定出发，综合能带结构、材料增益和对泵浦吸收三个方而，理论研究了 具有g a a s 、a i g a a s 并0 g a a s p z 种不同势垒的i n g a a s 量子阱的增益特性，得到了 g a a s p 是最合适的势垒材料的结论；根据量子阱的材料增益，优化设计了l l a m 波段 半导体薄片激光器有源区量子阱的阱宽、阱深和阱的构成形式，并对单量子阱、双 量子阱和三量子阱进行了对比研究：利用量子阱自发辐射谱和量子阱有源区纵向限 制冈子的概念，提出了半导体薄片激光器面发射谱的计算模型，模型的数值模拟结 果与实验结果很好地吻合，有效地解决了半导体薄片激光器设计中对面发射谱的准 确预测问题。 2 高功率半导体薄片激光器的实验研究。用有限元方法数值分析了增益片基质 厚度和金刚石散热窗口对半导体薄片激光器散热性能的影响，利用具有高热导率的 捅蜚 0 3 m m 厚金刚石薄片作为激光器的散热窗口，得到了最大功率为8 8 0 m w 的高功率输 出；实验研究了金刚石散热窗口、输出镜耦合输出效率、输出镜曲率半径、泵浦光 斑大小以及热沉温度等因素对激光器输出性能的影响：研究了具有金刚石散热窗口 的半导体薄片激光器的输出光谱特性。 3 对半导体薄片激光器腔内倍频的实验研究。通过对k n b 0 3 、k t p 、b b o 、 b i b o 和l b o 等倍频半导体薄片激光器常用非线性晶体相关参数的对比研究，经过优 化选择，利用5 m m 长l b o 作为腔内倍频晶体，获得5 4 0 n m 的倍频光输出，输出激光 为g a u s s 分布的t e m o o 模式，最大倍频输出功率1 2 m w ，基频光到倍频光的倍频转换 效率约3 0 。 4 实验研究了高光束质量、窄线宽的可调谐半导体薄片激光器。用4 0 9 m 厚的 石英标准具作为调谐元件置于光腔内，得到了调谐范闱近1 0 n m 的连续可调谐激光输 出，调谐输出最大功率l l o m w ，输出激光的线宽为0 0 7 n m ，光束的m 2 因子1 0 3 ；结 合激光器的增益特性和标准具的滤波特性，理论分析了激光器的调谐范同，理论结 果与实验数据很好地符合。 5 紧凑小型化、温度性能稳定的高重复频率超短脉冲半导体薄片激光器的实验 研究。用半导体可饱和吸收镜s e s a m 作为被动锁模元件，实现了1 5 g h z 和3 0 g h z 的高重复频率稳定连续锁模输出，脉冲宽度分别为5 0 p s _ j f l l 4 9 p s ，最大的锁模输出功 率3 0 m w ；锁模激光器显示出良好的温度稳定性能，波长随温度的漂移速度仅 0 0 3 5 n m k ，随泵浦功率的漂移速度也只有6 x l o n m ( k w e m - ：) ，皆远小于其它的同 类报道。 关键词：半导体薄片激光器；增益特性；面发射谱：散热窗口；光束质量；腔内倍 频；可调谐；窄线宽：重复频率；被动锁模。 a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r sh o l dt h ea d v a n t a g e so fb o t ht h es e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n d t h es o l i d s t a t ed i s kl a s e r s o nt h eo n eh a n d ，i t se m i t t i n gw a v e l e n g t h sc o v e rf r o mv i s i b l et o n e a ri n f r a r e dr e g i o nb yu s i n gt h ew e l l d e v e l o p e ds e m i c o n d u c t o rb a n de n g i n e e r i n g ；o nt h e o t h e rh a n d ，i th a st h ea d v a n t a g e so fs o l i d s t a t el a s e r s ，i e ，t h eh i i g ho u t p u tp o w e ra n dh i g h b e a mq u a l i t yc a nb eo b t a i n e di nt h es a m et i m e ，a n dt h ei n t r a - c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n g ， t u n a b l e o p e r a t i n ga n dp a s s i v e l ym o d e - l o c k i n gc a na l s o b er e a l i z e dc o n v e n i e n t l y s e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r sh a v em a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n ss u c ha sf r e q u e n c yt r a n s f o r m ， o p t i c a lc l o c k , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，l a s e rd i s p l a y ，b i o c h e m i s t r ya n a l y s i s ，l a s e r s p e c t r o s c o p y ，a sw e l la sl a s e rm e d i c i n e i naw o r d ，i ti sr e a l l ya n o v e ll a s e rr e s o u r c ew i t h m u c hp r a c t i c a l i t y t h es t u d i e so fs e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e ra r ed e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i nt h e o r y d o m a i n , r e s e a r c h e sa r em a i n l yf o c u s e do nt h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed y n a m i c so f p a r a m e t r i c o s c i l l a t i o na n df r e q u e n c yd o u b l i n g ，a n dt h et h e r m a lm a n a g e m e n to f s e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r i ne x p e r i m e n t ，i n v e s t i g a t i o n sa r ea b o u tt h eh i i g ho u t p u tp o w e r , t h en e we m i t t i n gw a v e l e n g t h s ，t h et u n a b l eo rs i n g l e - f r e q u e n c yo p e r a t i n g ，t h eh i g h r e p e t i t i o nr a t e sa n du l t r a s h o r tm o d e l o c k e dw o r k i n g ，a n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h em a i nw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o i l o w s ： 1 t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es u r f a c e e m i t t i n g p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r u mo f t h es e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r s f i r s t l y ，b a s e do nt h eb a n d o f f s e tr a t i oo ft h eh e t e r o s t r u c t u r e ，a l o n gw i t ht h eb a n ds t r u c t u r e ，t h em a t e r i a lg a i na n dt h e a b s o r p t i o nt ot h eb u m p i n g ，g a i nc h a r a c t e r i s t i c so fi n g a a sq u a n t u mw e l l sw i t hg a a s ， a i g a a sa n dg a a s pb a r r i e r sa r es t u d i e di nc o m p a r i s o n t h e n ，a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a l g a i no fq u a n t u mw e l l s ，s i n g l e - w e l l s ，d o u b l e - w e l l sa n dt r i p l e - w e l l si nt h e a c t i v er e g i o no f alp , ms e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e ra r e o p t i m i z e d a tl a s t ，u s i n g t h e l o n g i t u d i n a l c o n f i n e m e n tf a c t o ra n dt h e s p o n t a n e o u s e m i s s i o nr a t e ，t h e s u r f a c e e m i t t i n g p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r aa r es i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t s 2 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h eh i g ho u t p u tp o w e rs e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r s f i n i t e e l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c e so fs u b s t r a t et h i c k n e s sa n dd i a m o n d h e a t s p r e a d e ro nt h eh e a td i s s i p a t i o no fs e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r s am a x i m u mo u t p u tp o w e r i a b s t r a c t o f8 8 0 m wi sr e a c h e dw h e na0 3 m mt h i c k n e s sd i a m o n di su s e da st h eh e a ts p r e a d e r t h e i n f l u e n c e so ft h ed i a m o n dh e a ts p r e a d e r , t h et r a n s m i s s i o na n dt h ec u r v a t u r er a d i u so ft h e o u t p u tc o u p l e r , t h es p o to ft h ep u m p i n g ，a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h eh e a ts i n ko nt h e o u t p u tp o w e r a r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 3 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ei n t r a - c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n go ft h es e m i c o n d u c t o r d i s kl a s e r s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a rc r y s t a lk n b 0 3 ，k t p ，b b o ，b i b oa n dl b o a r ec o m p a r e da n da5 m m l e n g t hl b oi sc h o s e nt ou s ei nt h ee x p e r i m e n t t h em a x i m u m o u t p u tp o w e ro ft h ef r e q u e n c y - d o u b l e dl a s e ri s12 m w a t5 4 0 n mw a v e l e n g t h t h eo u t p u t b e a mi sag a u s sl i g h ta tt e m o om o d e ，a n dt h e t r a n s f o r m i n ge f f i c i e n c yo ft h e f r e q u e n c y - d o u b l i n gi sa b o u t3 0 4 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h et u n a b l e ，h i g hb e a mq u a l i t ya n dn a r r o wl i n e w i d t h s e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r s b yt h eu s eo fa4 0 p mt h i c k n e s ss i l i c o ne t a l o na st h et u n i n g e l e m e n ti nt h ec a v i t y ，t h em a x i m u mo u t p u tp o w e ro f110 m wa n dt h et u n i n gr e g i o no f a b o u t10 n ma r eo b t a i n e d t h el i n ew i d t ho ft h el a s e ri sa b o u t0 0 7 r i m ，a n dt h em 2f a c t o ri s a b o u t1 0 3 ，w h i c hm e a n sa ni d e a ln e a rd i f f r a c t i o n - l i m i t e db e a m c o m b i n e dw i t h c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a i na n dt h ee t a l o n ，t h et u n i n ga b i l i t yo ft h el a s e ri sa n a l y z e da n dt h e r e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t s 5 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ec o m p a c t , t e m p e r a t u r es t a b l e ，h i g hr e p e t i t i o nr a t e u l t r a s h o r tm o d e - l o c k e ds e m i c o n d u c t o rd i s kl a s e r s b yu s i n gas e s a ma st h e m o d e - l o c k i n ge l e m e n t , 1 5 g h za n d3 0 g h zr e p e t i t i o nr a t e sa r ep r o d u c e dw h e na10 0 m m a n d5 0 m mo u t p u tc o u p l e ra r eu s e dr e s p e c t i v e l y t h em a x i m u ma v e r a g eo u t p u tp o w e ro f 3 0 m wi so b t a i n e da t3 0 g h zr e p e t i t i o n t h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h em o d e l o c k e d l a s e ri sd e m o n s t r a t e db yt h er e d s h i f fr a t eo fa b o u t0 0 3 5 n m ko ft h el a s e rw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r ea n dt h er e d s h i f fr a t eo fa b o u t6 xl0 一n m 0 ( w c m 之) o ft h e l a s e rw i t h i n c r e a s i n gp u m pp o w e r k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o r d i s kl a s e r ；c h a r a c t e r i s t i c so f g a i n ；s u r f a c e - e m i t t i n g p h o t o l u m i n e s c e n c e s p e c t r u m ；h e a ts p r e a d e r ； b e a m q u a l i t y ；i n t r a - c a v i t y f r e q u e n c y - d o u b l i n g ；t u n a b l e ；n a r r o wl i n e w i d t h ；r e p e t i t i o nr a t e ；p a s s i v e l ym o d e - l o c k i n g i v | i 录 鼍曼曼! 曼曼曼詈曼量曼! ! 量! 曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇! 皇曼曼曼i _ ：i i i - , ! 曼曼曼 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 2 半导体薄片激光器研究的发展现状一3 1 2 1 理论研究3 1 2 2 实验研究：高功率3 1 2 3 实验研究：频率扩展3 1 2 4 实验研究：可调谐运转4 1 2 5 实验研究：锁模运转4 1 2 6 实验研究：应用开发4 1 3 论文的丰要工作4 第2 章半导体量子阱能带结构7 2 1 半导体量子阱能带理论中的几个近似7 2 1 1 绝热近似8 2 1 2 单电子近似8 2 1 3h a r t r e e 近似8 2 1 4h a r t r e e f o c k 近似一9 2 1 5 能带近似9 2 1 6 慢变包络近似9 2 1 7 有效质量近似9 2 2 k p 微扰方法1 0 2 2 1k p 微扰方法! 10 2 2 2 能带结构一l l 2 3 应变对量子阱能带结构的影响1 6 2 3 1 应变及其描述17 2 3 2 应变对能带边的作用：1 8 2 4 能带偏置18 2 4 1 带边计算1 9 2 4 2 能带偏黄比2 0 2 54 4 季几6 6h a m i i t o n i a n 21 2 5 14 4h a m i l t o n i a n 2l 2 5 26 6h a m i l t o n i a n 2 3 2 6 本章小结2 5 第3 章半导体薄片激光器增益特性及面发射谱2 7 3 1 增益特性2 7 3 1 1 带边偏置比模型的选择2 7 3 1 2 能带结构的计算3 l 3 1 3 增益特性3 4 3 2 基于增益特性的量子阱优化设计3 7 v 3 2 1 单量子阱3 8 3 2 2 双量子阱4 3 3 2 3 三量子阱4 5 3 3 面发射谱4 9 3 - 3 1 边发射谱5 0 3 3 2 纵向限制测子5 0 3 3 3 面发射谱及其模拟5 l 3 4 本章小结5 6 第4 章高功率半导体薄片激光器5 7 4 1 半导体薄片激光器的热管理5 7 4 1 1 基质刻蚀一5 7 4 1 2 散热窗口6 2 4 2 高功率半导体薄片激光器的实验研究6 6 4 2 1 外延片性质6 6 4 2 2 散热窗口的作用6 9 4 2 3 输m 耦合效率的影响6 9 4 2 4 输出镜f 伯率半径的影响一7 3 4 2 5 热沉温度的影响7 4 4 2 6 泵浦光斑大小的影响7 5 4 2 7 输出光谱特性7 6 4 3 本章小结7 7 第5 章腔内倍频半导体薄片激光器7 9 5 1 角度相位匹配7 9 5 2 非线性品体的选择8 l 5 3 腔内倍频8 4 5 4 激光器腔型设计8 5 5 5 倍频实验结果8 7 5 5 1 外延片性质一8 7 5 5 2 光束质量。8 9 5 5 3 输出功率9 0 5 6 本章小结9 1 第6 章可调谐半导体薄片激光器9 3 6 1 标准具9 4 6 2 可调谐运转一9 7 6 2 1 输出功率9 8 6 2 2 输出光谱9 9 6 3 激光器调谐范围理论分析1 0 0 6 4 光束质量1 0 1 6 4 1 窄线宽1 0 1 6 4 2m 2 因子1 0 1 6 5 本章小结1 0 3 v i r i 录 第7 章被动锁模半导体薄片激光器一10 5 7 1s e s a m 被动锁模10 6 7 1 1s e s a m 简介l0 6 7 1 2 锁模机制1 0 9 7 1 3 锁模条件1 1 3 7 1 4 脉冲宽度1 1 5 7 1 5 重复频率ll5 7 2 锁模运转1 1 7 7 2 1 1 5 g h z 重复频率1 18 7 2 23 0 g h z 重复频率1 2 l 7 3 输出功率1 2 2 7 4 温度稳定性一1 2 4 7 4 1 热沉温度升高情况1 2 5 7 4 2 泵浦功率增大情况1 2 5 7 5 本章小结1 2 7 结j 沦12 9 参考文献1 3 3 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目1 4 7 致谢1 4 9 v 北京工、i k 人学理学m 士论文 第l 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 自1 9 6 0 年第一台激光器实现以来，对新型激光器件的研究一直是激光研究领域 方兴未艾的课题之一。而近几年发展起来的半导体薄片激光器( s e m i c o n d u c t o rd i s k l a s e r s ，s d l s ) ，或者称光泵浦垂直外腔面发射激光器( o p t i c a l l yp u m p e dv e r t i c a l e x t e r n a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r s ，o p v e c s e l s ) b - 6 i ，尤其为新型激光器件研 究领域的亮点和热点。 半导体激光器技术支撑着光电子技术的发展和未来，支撑着人类即将步入和赖 以生存的信息化和智能化时代。半导体激光器有诸多的优点，它体积小、重量轻、 转换效率高、波长范闱广、增益带宽宽、可直接调制、可集成、可靠性高，闪而， 白2 0 世纪7 0 年代初实现室温连续运转以来，半导体激光器已成为光纤通信、光盘 存取、光谱分析和光信息处理等领域中不可替代的重要光源，并在光学测量、传感 器、自动控制、医疗等方面广泛应用。 然而，半导体激光器也存在一些不足：边发射型半导体激光器可提供较大发射 功率，单个激光器输出已达瓦( w ) 级，可是其输出光斑为椭圆形，光斑的纵横比 最差时可达1 0 0 ：1 ，以至于在一些应用中还须附加一套复杂的光束整形系统；垂直 腔面发射型半导体激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r s ，v c s e l s ) 能输出 网形t e m o o 模，但功率被限制在毫瓦( m w ) 量级。 激光二极管( l a s e rd i o d e ，l d ) 泵浦固体薄片激光器( d i s kl a s e r ) 1 7 】能获得 高输出功率和高光束质量。光泵浦与片式增益结构的结合被认为是获得高功率最有 效的方式之一，因为光泵浦可利用激光二极管阵列产生高强度的均匀泵浦，而片式 增益结构则具有准一维的热流分布，方便散热冷却，这些都为高功率运行提供了必 要的保证。 从半导体激光器的发展历史来看，在1 9 8 8 年而发射半导体激光器室温连续运转 成功后，日本n t tb a s i cr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s 的w b j i a n g a 等在1 9 91 年就把光泵浦用 于外腔面发射半导体激光器，当时是用n d ：y a g 激光泵浦而非l d 泵浦，工作温度 7 7 k ，输出1 9 0 m w 连续( c o n t i n u o u sw a v e ，c w ) 光1 9 1 。1 9 9 5 年j v s a n d u s k y 等报 道外腔面发射激光器在室温下运行，文章报道的功率5 0 0 m w 泵浦下输出2 0 9 w i l 。 1 9 9 6 年j d e l l u n d e 等人就外腔对面发射激光器横模的选择特性问题进行了研究j 。 北京工业人学耶学协士论文 鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼鼍! ! 曼曼! 皇曼曼皇鼍! ! 曼! ! 曼i ! 曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼鼍量曼量曼皇曼! ! 曼! ! 曼曼曼曼曼! 詈 1 9 9 7 年，m a r kk u z n e t s o v 等人首次成功地把光泵浦固体薄片激光器的概念和技 术手段引入半导体激光器，提出半导体薄片激光器的概念，为s d l s 作了实验及理 论上奠基性的、开创性的工作，并首次获得基横模近衍射极限的优质圆形光斑及高 功率( o 5 w ) 输出。 半导体薄片激光器s d l s 主要具有以下的优点： s d l s 具有半导体激光器的优点：发射波长覆盖了从可见光到近红外范围的j 阔波段，可根据需要自行设计；量子阱半导体能带工程支持设计出完美的激光器性 能如低阈值、高转换效率等；既能输出面发射激光器的优质圆形t e m 0 0 高斯模，也 能获得可与边发射激光器相媲美的高功率。 s d l s 同时具有光泵固体激光器的优点：灵活可设计的外腔结构能选出基横模、 圆形光斑、近衍射极限的高品质光束，也允许插入元件进行腔内倍频、调谐和锁模； l d 泵浦既支持高效率和高功率输出，又使激光器变得紧凑可小型化；薄片式增益 介质数微米( g m ) 短的吸收长度导致高效的泵浦吸收，准一维热流有利于增益区的 冷却，温度梯度沿光腔的轴向能最大限度地减小热透镜效应和退偏振效应1 1 2 ，这些 都有利于提高激光器功率。 s d l s 还具有自身独特的优势：半导体外延片结构简单，无p n 结，无电接触， 极大地简化了生长过程，既提高了外延片的可靠性，又消除了附加电阻上的热效应； 外延片用非搀杂的半导体材料生长，减小了自由载流子吸收导致的光损耗，而这种 搀杂层自南载流子吸收正是限制边发射激光器功率的重要因素之一；因为高反的布 拉格反射镜( d i s t r i b u t e db r a gr e f l e c t o r ，d b r ) 和低的输出耦合率，s d l s 腔内循环 功率是输出的2 0 5 0 倍，支持高效的腔内倍频( 与之相比，高功率边发射半导体激 光器腔内和腔外功率在同一数量级，用它进行非线性倍频效率要低) ；泵浦波长可 有选择地设计( 半导体激光介质有大于4 0 纳米( r i m ) 的泵浦吸收带，既可允许设 计选择泵浦波长，也确保了l d 宽带泵浦的高效吸收，消除了对单一泵浦波长的依 赖，还消除了对l d 温度变化所致泵浦波长漂移的敏感) ；可获得数十n n l 的波长 调谐范围：半导体外延片上泵浦光斑较大( 1 0 0 9 m 以上) ，高功率时产生光学损 伤的可能性减小了。 总的来讲，半导体薄片激光器综合了面发射半导体激光器能输出t e m 0 0 模圆形 光斑的优点和光泵固体薄片激光器能输出高功率的优点，还可方便地进行腔内倍频 和锁模运行及可调谐运转，是一种新型实用的激光光源，在光时钟、光通信、激光 显示、生化分析和激光医学等诸多领域有重要的应用。 2 筇l 章绪论 1 2 半导体薄片激光器研究的发展现状 1 2 1 理论研究 对s d l s 的理论研究，主要集中在以下几个方面：一是对有源区量子阱( q u a n t u m w e l l ，q w ) 增益特性的研究。考虑微观特性，从量子阱的能带理论出发，对量子 阱增益的材料特性、温度特性、载流子特性等进行研列1 3 。14 1 。二是对q w 结构优化 设计的研究。理论上设计优化量子阱的材料组分、势垒高度、构成形式等【l 孓1 6 1 。三 是研究s d l s 的热管理【l 卜1 8 j 。对有源区的热流分布及温度场进行数值模拟，对不同 的热管理方法如基质刻蚀和使用散热窗口进行比较研究等。四是研究s d l s 在锁模 过程中、腔内倍频过程中、以及参量振荡过程中的动力学特性等【1 9 - 2 0 1 。 1 2 2 实验研究：高功率 对高输出功率的追求一直是s d l s 实验研究的首要重点，网为能获得高功率是 s d l s 的主要特点之一。实验研究主要是利用不同的热管理技术，如基质刻蚀【2 卜2 2 j 、 毛细绑定散热窗口【2 3 。2 4 1 、以及采用多片增益结构 2 5 - 2 6 】，来延缓激光器的热熄灭，提 升s d l s 的最大输出功率。迄今为止，采用基质刻蚀的技术获得的最大输出功率为 单模2 0 w t 2 7 1 ；采用毛细绑定散热窗1 ：3 技术获得的最大输出功率为9 1 w 2 s l ；采用多 片增益结构获得的最大输出功率为7 0 w 1 2 引。 1 2 3 实验研究：频率扩展 s d l s 的频率扩展可分为两种，一是使用不同的增益材料，从s d l s 直接获得新 的频率振荡；二是通过倍频、和频及参量振荡技术，利用已有的s d l s 来获得新的 频率输出。使用第一种方法，目前已获得的代表性波段有6 7 0 n m 波段p 、8 5 0 n m p l j 波段、1 0 0 0 n m 波段 3 2 - 3 4 】、通信光纤零色散的1 3 0 0 n m 波斟3 孓3 6 1 、光纤最低损耗的 1 5 0 0 n m 波段 3 7 - 3 8 】、用于大气检测和其它生化分析的2 0 0 0 n m 波斟3 9 - 4 0 l 、以及5 0 0 0 n m 波段【4 1 4 2 1 。使用第二种方法，倍频已得到的波长有：4 6 6 m n 波段【4 3 删、5 3 2 n m 波段 4 5 4 7 1 、及6 5 0 n m 波段【4 8 1 ，和频已得到的波长有5 0 0 n m 4 9 1 ，另外，利用s d l s 作为泵 浦源的光参量振荡也已有报道1 5 。 3 北京t , l k 人学卵学博上论文 1 2 4 实验研究：可调谐运转 s d l s 中半导体增益片具有数十a m 的增益带宽，而外腔结构又允许方便地插入 滤波元件进行调谐，故而可调谐s d l s 也是s d l s 实验研究的主要方向之一。已有 报道的可调谐s d l s 主要有两类：一是直接在腔内插入单个滤波元件，如标准具 5 1 - 5 2 ，或者双折射滤波片【5 3 - 5 4 1 ，进行调谐运转；二是利用压电器件驱动s d l s 的一 个腔镜，通过改变激光器腔长来实现对输出波长的调谐【5 孓5 6 1 。 1 2 5 实验研究：锁模运转 s d l s 中半导体材料增益带宽的典型值超过5 太赫兹( t e r a h e r t z ，t h z ) ，理论 上能支持1 0 0 飞秒( f e m t o s e c o n d ，f s ) 以下脉冲宽度1 57 1 。s d l s 巾半导体量子阱材 料的另一个优点是它较大的增益截面，其它锁模同体激光器在吉赫兹( g i g a h e r t z ， g h z ) 重复频率上被动锁模产生的q 开关不稳定性【5 8 】在半导体激光器中却较弱。现 有报道s d l s 锁模运行的最高重复频率是5 0 g h z 5 9 】，研究采用了低饱和通量的量子 点( q u a n t u md o t ，q d ) 半导体可饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e r m i r r o r ，s e s a m ) ；最短脉冲宽度是1 9 0 8 1 6 0 j ，实验中利用了