（光学专业论文）高功率半导体激光器腔面镀膜研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 渔壑垫臼期：泌吐年月1 3 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电孑科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：遗瑟殛导师签名 日期：z 年6 月f 3 日 趋 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 摘要 随着半导体激光器泵浦固体激光器技术的应用及发展，要求有更高功率的 泵浦用半导体激光器，而激光薄膜的性能也一直是限制向更高能量或更高功率 发展的瓶颈之一。所以制备低光学损耗的高性能激光薄膜有较大的科学和应用 价值。我们的工作就是设计并制备适用于8 0 8 n m 波段的高功率准连续的量子阱 激光器的高反射膜和输出半反射膜，保证激光器有良好的输出特性。 我们通过理论和实验总结出：研制高性能激光器腔面薄膜的关键在于优化 膜系设计和低光学损耗的薄膜材料，主要工作从以下几点展开： 1 、根据激光器的波长、功率等特性，选取了几种适宜的常规薄膜材料和一 种混合膜料；提出了薄膜的设计要求：吸收、散射损耗小，激光损伤阈值高， 以及高反射膜和输出半反射膜的反射率要求。 2 、从薄膜理论出发，设计了非规整单层s f d ，膜和双层g z r d ，s f 0 ：a 输出半 反射膜：分析了高反射膜系中的驻波场分布和吸收散射等光学损耗，将g ( l h ) 5 a 和g ( m r 础两种反射膜系进行了比较。 3 、利用现有的国产蒸镀设备，采用真空热蒸发成膜技术，在膜料加工，基 片加工和镀制工艺上都对降低腔面薄膜的光学损耗进行了探索。并结合理论分 析和分光光度计等测试手段，经过分析比较，最后确定采用双层g z r d 2 5 j 0 。a 作 为输出半反射膜。而高反射膜系，经过对比混合膜料和常规膜料所成薄膜的反 射率和表面形貌等，发现混合膜料无论是从成膜的微观结构、反劓率还是薄膜 缺陷等方而均优于常规的单一组分的氧化物材料，所以采用混合膜料和氧化硅 交替沉积的g ( 眦) 5 出膜系。 我们通过反复实验，镀制出反射率达到9 9 5 0 1 的高反射膜系和反射率达 1 0 0 8 的双层g z r s i ( ) ，a 的输出半反射膜，符合我们的设计要求，同时也能实 现工艺上重复性和可靠性较好的批量生产。并且应用到单管激光器卜，在其中 心波长附近输出特性良好，达到了比较满意的效果。 关键词：半导体激光器高反射膜输出半反射膜反射率混合膜 a b s t r a c t w n ht h ea p p l j c a t i o na n dd e v e l 。p m e n to ft h ct e c h n o j o g yo fs e n l i c o n d u c t o r p u m p i l 喈s o l i dl a s e r ，t h ch i g h c 。p ( ) w e rl a s e ri sn e e d e ds i m i l l t a n e i ty t h ep e r f b r m a n c e o i1 1 1 et h i nn l mi sa l s oo n eo ft h eb o t t l e n e c k so n h ed c v e l o p m e n to f l l 培h e 卜p ( ) w e r ( ) r h i g h e 卜e 1 1 c i 窑yl a s c r s s ot h em a n u a c t u r e ( ) f 、h 嘻h q u a l j yl a s e rf l l m sw i t hj o wo p t i c a j l o s s p l a y si l n p o n a n tr o l e i nt h cn e l do f1 a s e r l e c h n o i 【) g y 0 l l rj ( ) bf b c u s e do n d e s i g n i l l g a n dd e p o s i t i n go fh i g h r e n e c t i v i l ynj m s y s i e m a n d h a l f - r e n e c t i v i t y 【】l l t p l l 岫 g 川ms y s t e mw i t hl o wo m i c a l 一j o s ea p p l i e dt ot h eh 追h p o w e rq u a s i c w q u a l l t u ml a s e 】e m i t t m ga t8 0 8 n m ，t om a k es u r e t h a tt h el a s e rh a sa g o o do u t p u t p r ( ) p e n y t h ct h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o nc o m et ot h ec o n c l u s i o nt 1 1 a t 【h e k e yt e c h n o i ( g y 【) rd e v e i o p i n gh i g h p e r b r m a n c e 疗1 1 1 1 so nt h ec a v i t yi - a c e t s ( ) rc h c i a s c l e sn 1o p t n l l i z a t i o no f t h e _ e 1 1 1 ns y s t e md e s i g na n dd e v e l o p i n g 矗l mm a t e r i a l sw 1 i h 1 ( ) wo p f j c a ) s st h em a j nw o r k1 s l o w e ( 王： l ：a c c o d m gt ot h cp r o p c n yo fl a s e rs u c ha sw a v c l e n g t h ，p o w e ra n de t c ，s e v e r a l k i n d so f p i o p e rc o n v e n t i o n a l 打h nn l a c er i a i sa n d 。1 1 ek i l l do f n l j x e df i l mm a t e r 】a lh a v e i ( ) h ec 1 1 ( ) s e nt h er e q u c s to fl h ed e s i g no h h cn l n sp u tf o r w a r dt h a t ：t 1 1 el o w a h s 【) r p l 1a n ds c a t t j l l gl o s s ，t h eh i g l l1 a s c rd a m a g el h r c 幽0 1 d 。a n dt h er c q l l e s tl o rm c 】e f l c c i 】v 1 t yo f t h eh i g h r e n e c t i v l t y 1 ms y s t e n la n dh a l f _ r e n e c t i v i t yo u t p u 【t i n gn i m 2 c c ( ) f d i n g ol h et h e o r yo fl h i n 一 】r o p t l c s ，w ed e s i g n c dh a l f - r c n e c t i v i t y 叭】lp l m m gf i l mm a d eb ys i n 9 1 e 一】a y e ri r r c g u l a rs j d 2a n db yb i l a y e rg z r ( ) ! d 2 爿 a im cs a m c1 j m cw ca n a l y z c dt 1 1 ed i s t “h l t i o no fs t a l l d i n g w a v ef j e l da n dm e a b s t ) 】1 p t l ( ) na 九ds c a t t l n go p t i c a l i o s so fh l g h r e n e c t i v ic yf i l n s y s 【e 1 1 1 ，a n dc o l l l p a i c d t 1 1 cd m b c 】1 c eb e t w e e nt w o 行1 ms y s t e m so fg ( 上) 、 a n dg ( f 儿) 、，埘 3w l t ht h en a l i v ee q u i p m e 卅sa n di e c h n o l o g yo fv a c m s u b l i m a t i o r lw ch a d r e s c a l c h e do nh o wt od e c r e a s ct 1 1 co 口t i c a l l o s so ft h e6 l mo nt h ef a c e t si nm a c e n a 】 e 阳i a f 1 ，sl f b s t r a c ep f o c e s s j n ga n d 川i nd e p ( ) s i f l n gp r o c e 鹤c o m b i n i n gl 】cl h e o r y a 1 1 da 1 1 a l y z m 苎w i t hs p e c t r o p h o t o m e l e r b 卜l a y e rq u a r t e r ( ；办d ! 一j d 2 卅 i sc h o s e na s h i i | l 】e 1 e c t 】v j t yo l 【t p u t t l n gf i l ms ys t e n la tl a s t t h eh l g h r e n e c t l v i t yn 1 1 t 1s y s t c ml s ( j ( ，) 、，l 4 n j n ls y s t e l l lw h i c hi s c o i n p o s c db ym l x e dn l a t e n a 】a n ds i l i c o 】1 。x 】d e a h c ln 札1 v e l vd e d o s i t e d 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 t 1 r o u g h t h e r 。p e a t e de x p e r i m e n t s ， w ed e p o s i t e dt h eh i g h r e n e c t i v i t yf i h l l s y s t e mw i t ht h er e n e c t i v i t y9 95 叭m a d eb ym i x c dm a t c r i a l ，a n dh a l f _ r e n e c t i v i l v o u t p u t t i n g6 l mw i t ht h er e f l e c t i v i t y1 0 0 8 m a d eb yq u a r t e r6 l mo fg z ，0 ，s f 0 ，爿 i k l i a b i l i t ys a t i s f i e dt h er e q u e s to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n w i t ht h ea p p l i c a t i o nt ot h e l a s e lt h cp m p e r t yo fo u t p u tn e a rt h ec e n t e r 、v a v e l e n g t hi sg o o d ，a n dt h es a t i s 匆i n g e 圩e c ti sg a i n e d k e y w o r d ： t h e s e m j c o n d u c t o r 】a s e h i g hr e f 】e c d v et h i n 行h n s ，h a l f r e n e c t i v i t y o u t p u t t i n gt h i n 行l m s ，r e f l e c t i v i t y m i x e dl h i nn l m f 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 1 1 光学薄膜的发展回顾 1 1 1 薄膜概述 第一章绪论 所谓薄膜，简单讲是指厚度为半波长数量级而宽度与其厚度相比为无穷大 的膜层。薄膜可根据其电磁性能或光学性能大体分为导电体薄膜、半导体薄膜、 超导薄膜、介电体薄膜、磁性薄膜、光学薄膜、压电晶体薄膜等。许多层薄膜 的组合系统则称为膜系。 作为特殊形态材料的薄膜，已成为微电子、信息、传感器、光学、太阳能 利用等技术的基础，并广泛渗透到当代科技的各个领域。而且，特殊功能、特 殊用途的薄膜材料的开发本身就是高新技术的重要组成部分。为此，许多国家 对薄膜技术和薄膜材料的研究开发极为重视，称之为“腾飞的薄膜产业”。 1 1 2 光学薄膜的发展 传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分，通过在 各种光学材料的表面镀制层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或 反射光的光强、偏振状态和相位变化。薄膜可以被镀制在光学塑判、光纤、晶 体等各种材料表面上，它的光学厚度可以从几个纳米到几十甚至上百个微米。 光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性，成本又比较低，而且由于是镀 制在材料的表面，几乎不增加体积和重量，因此是改变系统光学参数的首选方 法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百 多年的发展过程中，形成了一套完整的光学理论一薄膜光学。 罗伯特波义尔( r o b e n b o y l e ) 和罗伯特胡克( r o b e r t h o o k e ) 各自独立发 现所谓的“牛顿环”现象，可以既是现代薄膜光学的萌芽【2 】。1 8 0 1 年，托马斯杨 ( t h o m a s y 0 u n g ) 阐述了光的干涉原理，并对这种效应作了第一个圆满的解释。 18 3 2 年，菲涅尔提出了反射与折射定律，至今仍被称为“菲涅尔定律”，它是研 究薄膜系统内干涉的基础。在18 7 3 年，詹姆斯克拉克麦克斯韦 ( j a i i 】c s c 1 e r k m a x w e l t ) 的巨著论电与磁问世了，这时分析薄膜光学问题所 必需的全部基本理论才告完成，因此2 0 世纪以前是薄膜光学发展的早期阶段。 而光学薄膜的真正发展是在1 9 3 0 年真空蒸发设备出现以后，光学薄膜的制备才 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 进入了工业化生产的阶段，接着在实验室里制造出了单层反射膜、减反膜、分 光膜和金属的法布里帕罗干涉滤光片1 3 j 。从2 0 世纪4 0 年代开始，薄膜光学进 入全面发展时期，相继提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方法，1 9 5 6 年瓦施 切克发表了第一本薄膜光学专著薄膜光学。到了6 0 年代，激光、空问技术 和光谱技术的飞速发展对光学薄膜提出了更高的要求，比如激光器中的高反射 镜等，同时电子计算机的推广使得光学薄膜的计算和分析有了良好的工具，因 此推动了光学薄膜的飞速发展。1 9 6 9 年麦克劳德( m a c l e o d ) 用干涉矩阵解释和 计算光学薄膜，出版了他的专著薄膜光学滤波器( t h i nf i l mo p t j c a lf i l t e r s ) 。 接着在1 9 7 6 年尼特尔( a n i t t l ) 发表了他的专著薄膜光学( o p t i c st h i nf i l m s ) ， 在理论上全面的讨论了薄膜光学的一些问题【3 l 。1 9 8 6 年，麦克劳德再版了他的 专著，提出了用导纳图方法来分析膜系的特性，并且用它来解释膜系监控的一 系列问题。这些专著都从理论上、实验上全面讨论了薄膜光学的一些问题，形 成了一套完整的从光学薄膜特性计算、设计、监控、测试到结构特性、稳定性、 光学损耗、抗激光损伤特性等分析手段。 现代科学技术特别是激光技术和光纤通信技术的发展，对光能的应用要求 越来越高光学薄膜不仅用于纯光学器件，它在光电子器件，太阳能电池上也 得到广泛的应用。薄膜的应用正在摆脱传统光学的领域，其使用已经渗透到工 业应用的多个方面，如通信、建筑、防伪、医疗、窄间技术等，特别是在电子 工业领域占有极其重要的地位。现在，成膜技术在电f 元器件、集成光学、电 子技术、红外技术、激光技术以及航天技术和光学仪器等各个领域都得到广泛 应用 川。 在激光技术中，应用广泛的有诸如激光器的反射膜，激光材料的增透膜， 倍频及参量放大器薄膜和薄膜偏振镜等。在国内，浙江大学和上海光机所合作 研究了波长为3 5 0 n m 、3 0 8 m 、2 4 8 m 、1 9 3 n m 四种准分子激光反射镜的制备技 术。采用电子束蒸发制各的准分子激光反射镜在上述波长处的反射率分别达到 9 9 7 、9 9 5 、9 8 、9 6 。激光器用减反膜也取得了很大的进展，中国工程 物理研究院物理与化学所用s 0 1 一g e l 法成功研制出紫外激光彤0 ，减反膜，在波 长3 5 0 n m 处的透过率可以达到9 8 以上，紫外区的最高透过率达到9 9 以上【4 】。 高功率半导体激光器腔砥镀膜研究 1 2 高功率半导体激光器腔面薄膜的发展 1 2 1 高功率半导体激光器概述 半导体激光器是一类电流激励的理想光子源器件。与固体及气体激光器相 比，其单色性和方向性较差，但因为自身的许多独特优点，如：体积小，重量 轻；供电功率小，转换效率高：能通过注入电流进行直接调制；可靠性高，工 作寿命长；发射波长覆盖范围宽等，使其发展速度之快，应用范围之广，发展 潜力之大都是目前其它激光器无法比拟的。 而高功率半导体激光器以它的功率高，寿命氏，稳定性好，供电简单等优 点，一出现就受到广泛的关注。它在激光测距、激光雷达、激光加工等军用、 民用领域都有较大的应用前景。其中高功率的阵列准连续量子阱激光器作为高 功率半导体激光器中的个重要研究方向，器件具有重复频率高、功率密度大 等特点，既可以弥补连续型阵列器件峰值功率不高的缺点，又具有较高的平均 功率，在高功率阵列二极管激光器的研究和应用方面具有重要的地位，将会对 国家现代化建设和国防现代化水平的提高起到重要的推动作用。 其中，在o 8 卜0 9 8 脚波段范围内的激光器，在诸如泵浦n d y a g 固体激光 器或掺e r 光纤放大器和医学治疗方面有广泛的应用【7 】o8 0 8 n m 波段的半导体激 光器由于发射波长与一些固体激光器的吸收带相匹配，并具有很高的泵浦效率， 被公认为是泵浦固体激光器最理想和最重要的光源，已成为国际l 二激光器的发 展热点之一。高功率半导体激光器泵浦固体激光器( d p s s l ) 所以被认为是固 体激光器的一次革命，能显示出很强的生命力，原因在于它综合了半导体激光 器与固体激光器的优点。半导体激光器体积小、重量轻、直接电注入使其有高 的量予效率，可以通过调整组分和控制温度从半导体有源层材料中得到与常用 的固体激光器泵浦相匹配的波长。但它的光束质量较差，横模特性也不尽理想， 很难直接用于对光束质量要求高的应用。而固体激光器输出的光束质量较高， 有很好的时间和空间的相干性。光谱线宽与光束发散角均比半导体激光器小几 个数量级。此外，半导体激光器可用来泵浦含有不同激活离子的固体激光材料， 丰富了相干光源的谱线。因此，d p s s i 不只是激射波长的变换、多次能量的变 换，而是伴随着激光光束质量的改善、光谱线宽的压缩向j 赋予更高的应用价值。 1 2 2 高功率半导体激光器腔面镀膜概述 随着半导体激光器泵浦固体激光器技术发展及其应用的拓展，要求有更高 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 功率的泵浦用半导体激光器。而激光薄膜的性能一直是限制向更高能量或更高 功率发展的瓶颈之。 以8 0 8 1 1 m 高功率半导体激光器未镀膜的解理而为例，若有源层材料为 刎。g q 一。爿s ，因为半导体材料都是高折射率材料，其折射率一般都大于3 ，这样， 当器件在空气中应用时，其输出光的腔面往往具有较高的反射率，从而会损失 掉一部分输出的光功率，那么要实现高功率输出就会有困难。而且在空气中解 理后容易形成较薄的腔面氧化层，而且还有碳等的沾污，这些沾污破坏了器件 和衬底的表面结构严重影响器件的许多特性，降低器件的使用寿命。并且， 半导体激光器的工作波长一般由掺铝量来调节，在光能量密度很大时，腔面有 源区的铝极易被氧化，导致激光器的功率下降等。解决它们的办法是：在激光 器的两个腔面淀积薄膜。腔面镀膜可以起到保护腔面、防止氧化、提高可靠性 的作用，进一步提高输出功率，也可以改善激光器光电性能 8 。比如，利用高 反射膜可以降低阈值电流( i t h ) 、提高器件的量子效率，而应用增透膜可以实现 提高量子效率和电一光转换效率，小范围的波长调整等作用。由于氧化物薄膜 的硬度、附着力和化学性质都非常的好，目前半导体激光器腔面镀膜很多都采 用氧化物介质膜作为高反射膜和减反射膜体系o 】。 激光技术近年来的发展，对激光薄膜的要求越来越高。例如，激光反射膜， 要具备吸收小、散射少、反射功率大和耐激光破坏阂值高等优点。为了达到这 些目的目前人们一般从新工艺技术、薄膜材料和合理设计膜系3 个方面来实 现。为了改善薄膜的微结构，近年来在电子束蒸发法的基础卜发展了很多镀膜 的新工艺方法，离子辅助蒸发法( i a d ) ，在i a d 基础l 发展起来的离子束溅射 法( i b s ) ，溶胶一凝胶( s o l g e l ) 等。薄膜材料也由原来的几种猛增到数十种， 不但物理和化学性能稳定，而且光谱也逐渐的涵盖紫外、可见、近红外直至远 红外。除了传统的薄膜材料外，近年来，对混合膜料也有了进一步深入的研究。 而光学薄膜膜系优化设计则是膜系设计的一个新里程碑，其本质是依据最优化 原理和方法而借助计算机强有力的手段，对某项光谱特性要求，在规定的各 项设计限制条件下，优化设计参数，得到距离目标光谱特性最近的设计结果。 目前国内从事半导体激光器镀膜研究的主要有中国科学院上海微系统与信 息技术研究所信息功能材料目家重点实验室，中图科学院半导体研究所光电子 器件困家丁程研究中心和长春光机学院高功率半导体实验室等。原有报道的最 高的反射率，在正入射时为9 99 3 。上海光学精密机械研究所采用离了束溅射 技术，成功制备了低损耗超高反剁率薄膜，测试结果均属国内最好的，针对激 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 光器的工作波长，其反射率稳定达到9 9 9 9 以上，透过率小于1 l o，获得的 反射效果可以彻底消除由于薄膜吸收或透过所引起的腔镜在高能量下的受热变 形。 国外制备高功率激光器反射膜主要也还是物理气相沉积方式，除了传统的 电子束镀膜方法，国外几个以惯性约束核聚变为目标的高功率实验室已将溶胶 一凝胶( s 0 1 一g e l ) 制备光学薄膜列为关键技术，并已经用来制备高强度激光薄膜。 有些已经用s 0 1 g e l 沉积增透膜以代替传统的沉积方式i 。 1 3 课题背景及论文的主要内容 我们的工作就是设计并制备适用于高功率量子阱激光器的高反射膜和输出 半反射膜，保汪激光器有良好的输出特性。所针对的半导体激光器是在8 0 8 n m 波段的准连续量子阱列阵激光器，占空比在2 0 以上，属于军品研究项目。量 子阱是指窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。如果窄带隙与宽带隙 超薄层交替生长就能构成多量子阱。量子阱结构已成为当代大多数高性能半导 体光电子器件的典型结构。而高功率的量子阱激光器，本身就具有内部损耗小， 总的电一光转换效率高，阈值电流低等特性，因此要激光器能有更稳定的光输 出、比较长的寿命和良好的工作特性、达到一个最佳的输出功率，我们需要对 激光器腔面分别镀制高反射膜和输出半反射膜。 为了保证激光器性能的进一步提高，必须提高薄膜本身的光学性能、机械 性能和抗激光损伤能力，我们在膜料的选取、膜系的设计和镀膜工艺等方面进 行了适宜工艺生产的探讨及优化选择。本论文研究内容主要有两大部分： 第一部分，通过分析薄膜内的电场分布和吸收散射损耗等设计合理的高反 射膜系和输出半反射膜，经过各项指标的比较和反复实验，高反射膜系采用了 g ( 上呦5 删结构，增透膜则采用g z r 。，s f o ，爿双层规整膜系。选取适宜8 0 8 m 波 段的常规膜料，并应用现有的蒸镀设备经过实验摸索出较优的蒸镀 ：艺参数， 实现高反射膜系和输出半反射膜的蒸镀。 第二，探索着用固相混合的混台膜料制各高反射膜，并与常规膜料所镀薄 膜进行比较，在两者中选取各项特性最优的膜料应用到激光器上，达到成膜后 保护腔面和提高器件量子效率等作用，保证激光器输出特性良好。 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 第二章：高功率半导体激光器腔面镀膜要求及膜材料的选取 2 1 薄膜设计要求 小功率半导体激光器仅依靠芯片本身的解理面的谐振就能得到所需的输出 功率。然而，为了使高功率半导体激光器能在最佳条件f 工作，减少闽值电流 和1 作电流，减少产生的热功率，需要对喈振腔的反射率做仔细设计。理想的 反馈应该是半导体激光器的后腔面的反射率为1 ，而前腔面( 输出面) 的反射率 根据增益区的长度、内量子效率等选择一个最佳反射率。已经镀膜的激光器发 出的激光由后腔面到达前腔面，得到一次增透，被反射光到达后腔面可得到一 次反射，再经增透，如此往复最后从前腔面输出，进一步提高了激光输出功率 与外微分量予效率。 本实验方案中，我们对激光器上用薄膜的设计主要考虑的因素有： 1 、薄膜性能上的要求。高的激光损伤阈值和少的吸收和散射损耗。薄膜要 能经受住高功率激光的轰击而保持薄膜特性良好，保证在高功率激光器上应用 时，激光器有稳定的特性和较长的使用寿命。我们希望通过选择合适的薄膜材 料，工艺上参数的严格控制和后期处理来实现要求。 2 、反射率上的要求。因为我们所针对的半导体激光器其重要特性和参数不 能直接用来作为我们薄膜设计的依据，但足根据我们对8 0 8 n m 高功率半导体激 光器一般特性的了解和设计部门的要求，我们的高反射膜设计上的反射率要求 足尽可能的高，接近于1 ，而增透膜设计上的反射率在1 0 左右，因为其反射率 比一般的增透膜要高，我们称其为输出半反射膜。反射率的要求需要通过合理 的膜系设计，膜材料的选择和镀膜工艺的优化等方面来实现。 3 、工艺生产上的要求。我们所作的工作主要就是应用现有的蒸镀设备和条 件，制备出性能优良的溥膜并应用到高功率半导体激光器卜，并能满足进一步 的批量生产。因此，还要考虑工艺生产t 的可行性：需要薄膜工艺上的操作容 易实现；薄膜能够进行批量生产；制备薄膜的q 重复生产性高等。 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 2 - 2 薄膜材料的选择 2 2 1 基片的材料 接触层 限制层 有源层 限制层 图2 1 激光器阵列条的结构示意图 图2 1 是普通半导体激光器阵列条的一个简单的结构示意图，包含外延生 长层的基本结构。我们知道，半导体激光器的结构特点就是解理面直接作为谐 振腔，可得到功率输出。由图2 l 可以看出，我们是要在前后两个腔面镀膜， 即在两个腔面分别镀高反射膜利输出半反射膜。因为主要的出光部位是有源层 和波导层，所以我们在作计算和操作中般把有源层材料作为镀膜的衬底( 我 们也称之为基片) 。对于8 0 8 n f n 阵列量子阱半导体激光器来讲，常采用i n g a a s p 、 a l g a a s 等材料来作为有源层。由于i n g a a s p 、a l g a a s 等半导体材料本身比较脆， 以俐。g 日。爿s 为例，要通过源材料的掺杂或外延生长来获得，要控制各组分的 比例和掺杂浓度，又要在这些材料f ：蒸镀薄膜进行实验并米测试其性能相对来 讲有困难，所以我们采用半导体材料g a a s 来作基片材料来进行实验。不仅是因 为g a a s 本身也是很多半导体激光器的有源层材料，而且其性质和前面的材料相 近，折射率相差不大，并且要获得高质量的g a a s 材料相对比较容易。 2 2 _ 2 薄膜材料的选择 应用到激光器系统的薄膜，其光学性能，抗激光损伤能力和其它优良特性 要求的实现，不仅需要设计一个合理的膜系，而且与镀膜工艺有关。具体地说， 是与镀膜方法、膜层材料、镀膜前后的处理手段等密切相关“”1 。 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 镀膜工艺中的一个重点就是选择合适的膜利。首先，要求膜料在所使用的 波长范围内是透明的，并且有恰当的折射率：其次，在尽可能满足反射率实际 要求的同时使其具有良好的附着力、机械牢固性能，化学稳定性，导热性，抗 潮湿，能经受一定腐蚀。最后，要考虑薄膜材料和基片材料之间、薄膜材料之 间的热膨胀系数是否匹配，否则会使薄膜产生应力，影响成膜质量。而制备多 层高反射率薄膜时还要考虑高低两种折射率膜料之间的折射率匹配，因为要达 到某个确定反射率值主要依赖于两种材料的折射率之比。 高功率半导体激光器的工作电流较大，在大的功率输出下，作为谐振腔面 的自然解理面将承受很高的功率密度，特别是如果有源区材料含铝，由于铝的 氧化会加速腔面的破坏。所以对高功率激光系统中所需要的各类薄膜，除了对 光学性能有一定的要求外，还希望薄膜具有尽量低的损耗和尽量高的抗激光强 度。所以对薄膜性能的要求比一般激光器系统的就要高。 2 2 21 输出半反膜材料的选择 目前，常用的增透膜的材料有力0 ，、 农e 、爿，q 、乃0 ，、厶s 和所q ， 我们选用爿，q ，乃0 ，和s i d ，作为我们输出半反射膜的膜料。 堙一膜属于软膜系列，即薄膜基体结构比较脆弱，故其膜体激光损伤阈值 较低，我们一般在高功率激光器上不采用。 爿，0 ，结构敛密，在高温下不易分解，红外区域透射性能好，常用在s l d 等器件中作为增透膜材利是。种良好的光学介质膜材料。 s f q 用作激光器件的单层增透膜，国际上多采用化学沉积的方法，最具代 表的就是溶胶一凝胶( s 0 1 g e l ) 技术，并已经用来制备高强度激光薄膜。作为低 折射率材料的s f d ，形成的薄膜是一种无定形结构，呈均匀的微粒生长。研0 ，热 膨胀系数l 7 1 = o 5 6 1 06 1 ，比g 口爿j ( 工三r = 5 9 1 0 6 1 】) j 、， 其透明波段为o 2 9 朋2 ，折射率在1 4 5 1 4 8 ，易蒸发，放气量小，虽然膜层 极其牢固，但可被碱略微腐蚀。 乃0 ，是一种白色结晶粉末，对大部分氧化物来说是稳定的。乃o ，是一利t 具 有很大发展潜力的薄膜材料，无论是在结构材料还足在功能材料领域。乃q 作 为薄膜材料得到广泛应用的原凶是氧化锆优异的热学和力学性能：第，稳定 的西0 ：具有很低的膨胀系数，其热膨胀系数与g 。爿，爿s 相近：第二，氧化锆 的热导率在一个很宽的范围内变化很小。稳定的乃0 ，还具有抗酸和抗碱的性能， 并且是。种良好的电绝缘材料。 高功率、“导体激光器腔证镀膜研究 2222 高反射膜材料的选择 常舰膜料 作为高反射膜的材料，钊对8 0 8 n n ) 高功率量予阱激光器的腔面镀膜，国际 上j 采用以研为高折射率材料，爿，0 ，或s i o ，为低折射率材料组合的s 蛾， s ，j ，4 f 、幔川膜系。但实验发现，作为高折别率材料的s i 膜在8 0 8 n m 附近有较强 的吸收，会导致器件的阈值电流增加，量子效率降低，电光转换效率降低。而 含由h 的非晶硅( a 。s i ：h ) ，在硅表面上能与s i 的悬挂键结合，s i h 键比s i s 1 键键合更强，可消除界面态，存8 0 8 n m 波长附近吸收明显降低。所以，要得到 性能良好的膜系，必须采用在，气氛中制备五圭膜。这就剥实验设备以及工艺提 出卜一定的要求，对我们来说实现起来有困难。 国内还有用成o ，和o “组合的高反射膜系。金在近红外区有很高的反射率， 而目化学稳定性好，不易被氧化和不受大气污染，能保持很高的反射率，但是 令比较昂贵，大大增加了激光器的成本。还有的金属薄膜就是用爿譬来作为高折 刺率材料的，它相对廉价并且很容易蒸镀，膜层少，膜系结构简单。但是和半 导体利料基j | 自郇忖若性比较差，机械强度和化学稳定性也不好，所以常用在可 以胶合密割的场合。 本实验根据现有条件和实际生产的需要，我们采用的均是氧化物薄膜。在 。l 似i 和近红外波段的激光系统中，目i u 已经找到了些较好的高温氧化物材利， 如，f ( ) ，z ，d ，7 a ，( ) 、，只d 、，口( ，等，它1 f 和所d ，匹配，可以制成性能 满”要求的高反射膜、减反射膜、偏振分光膜等一系列激光膜层。所以，常枷 】c ：! 制的俺折射牢剌利我制采用z j 一( ) ，( 氧化锆) ，砌。( ) 。( 氧化钮) ，n ( = ) ，( 氧化 铁j 州( ) 、( 氧化饴) 弓所( ) ，匹配。 从y j ( ) ，的折射率t 22 5 2 3 ) 来看，作为高折射率材制是比较合适的。从 心力肌配米考虑，薄膜的应力，f i 仅使暴片发! | j 形变，而且使膜层的散射增大， 阿i 以选择膜判的又孙准是保证反射膜系有尽可能低的应力，这意味着高低折 刑率两种材利的应力应充分的小，而目应力性质要相反，咀便减小积累应力。 7 w ) ，膜呈现压应力，这就为减小反射镜的应力创造了条件。研究还表明：力( ) ，膜 的填充密度较高，可望接近于i ，可以自效的抑制体积散射。但n ( ) ，膜的主要缺 点妊：消光系数较大，明显地依赖于真空室中的氧气压强，体积吸收较大。 ，( ) 是我们选取的删利j h 奠材利- j 折射率最高的( 23 ) ，后面我们在膜系设 i 1c l t 会讲到，高、低折射率材利的折荆率相差高，那么用很少的层数就能实现 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 我们反射率上的设计要求，这对简化操作工艺很有利。并且：。5 材料适丁电子 枪蒸发，膜层牢固，抗化学腐蚀。 均吼也是种白色粉末，有，1 0 ，s j 0 ：高反射膜系应用到1 0 6 4 n m 高功率 激光器上的报道。但是其折射率较低( 1 9 ) ，要达到预期的反射率要求，就要增 加一定的层数。适于电子枪蒸发，成膜致密、稳定。 混合膜料 正如前面所讲的，激光薄膜必须具有吸收小，散射少，反射率高和耐激光 破坏阂值高等优点。为了达到这一日的，人们在改进实验设备上花了很大的功 夫和代价，但是收效不大。近年来，转向对膜材料及混合膜的广泛研究。 七十年代初，j m p e a r s o n 等人用透射电子显微镜得到薄膜剖面的显微照 片，揭示了大多数介质薄膜的结构是具有很大内表面和空隙体积的柱状结构， 柱状方向是沿着薄膜的生长方向而垂直于薄膜的界面，柱体的形状和大小随不 同材料而异，且与薄膜制备工艺，淀积条件密切相关。柱状体间有孔隙，因此 薄膜的填充密度要小于1 。另外不少中外学者又提出并证实了与该理论相近的薄 膜孑l 洞模型”或“柱状体+ 空洞”结构”j ”】。 研究表明，薄膜的这种结构是决定薄膜性质特别是薄膜的光学损耗性能的 主要凶素。首先，较小填充密度的膜层产生附加的表而粗糙度，同时也导致较 大的体积散射i 】8 】。另外，由于柱状结构和孔隙的存在，受环境大气湿度的影响， 水汽会由于毛细管作用而从膜层中吸入或渗出，引起填充密度变化，一方面导 致薄膜系损耗增加，另一方面造成折射率不稳定，引起一系列光学问题。所以， 改善薄膜的性质，特别是改善薄膜的吸收和散射损耗就必须从改善薄膜的微结 构入手。为此，人们研究了多种多样的方法，诸如中心辐射、激光照射、电了 束或离子束轰击等，但效果均不甚满意。 既然单一材料的薄膜是具有较大内表面和孔隙体积的柱状结构，则不同种 材料混合后形成的薄膜必定要大大改变原有的柱状结构。巴尔察公司首先对混 合膜料镀制的膜进行了研究，认识到通过混合可以提高膜层的填充密度【】”。不 同分子比( 原子比) 的多种氧化物材料均匀混合后，由于不同的分予( 原子) 之间要占据相互的几何位置，“填充”部分孔洞，特别是小孔径分子( 原予) 材料 必定要填充大孔径分子( 原子) 材料的空隙，凼而混合料薄膜的孔洞率或柱状 结构减小，填充密度随之提高。这样薄膜的微结构得到较大改善，使其均匀性 和致密度大人提高那么光的吸收和散射损耗必定大幅度降低。当然，混合料 高功率、 导体激光器脖面镀膜研究 的折射率也要发生相应的改变。目前混合膜料的研究主要是在乃( = ) ，或，7 刁、中掺 h ) ，( 氰化钇) 。屯子科技大学信息材料工程学院的蒋向东，张怀武等人，用劢，q l 7 7 限的混合膜料，在1 0 6 4 n r l l 波段和6 3 28 m n 波段镀制的高反射膜反刺率分别 达剑厂9 92 和9 9 9 6 。 我们采用的混合膜料是由西南物理技术研究所研制的由上“，o ，和n ( ) ，两种 材料混合的膜料，其中镧与钛的原子比是1 ：3 。也就是每1 0 0 克混合料中，上d ，q 山l85 克，n a 占8 l5 克。混合膜料常用两种方法获得：一种是气相混合，另 利r 是幽相混合，本文采用更为简便的固相混合方法，即将两种固体材料按一 h 二脒r ( 分子) 比均匀混合，k 制烧结成块，成为固相混合膜料，冈此蒸镀而 成的薄膜即为固相混合膜。 通过对混合料作的x 衍剁品相分析测试，分析结果表明：混合膜显现无定 形结构。我们知道，光学玻片和s z 0 ，膜料也是无定型结构，这是一个极其重要 的结论，充分配明了为什么混合膜致密性好，填充密度大。 椭偏技术用于测定薄膜厚度和光学常数，是一种适合于光学常数、多层膜 的各层厚度、表面和界面料糙度咀及栩料微结构的简单、有力利非破坏性的测 量厅范、口”i 通过测量被测对象( 样品) 反射出的光线的偏振状态的变化情况束研究 破测物质的性质。我们的混合膜利，用椭偏仪测得其折射率n 。“= 22 4 左也， 比较符合我们刘高折射率材料的要求。所以我们采用它作月。材料，与所d ，匹配 燕锉鬲反刺膜系。并与我们选择的常规膜料制备的薄膜进行比较。 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 第三章：高功率半导体激光器的膜系设计 3 1 薄膜特征矩阵的推导 研究薄膜系统光学特性，从理论观点来说，就是研究平面电磁波通过分层 介质的传播。因为我们是在激光器的解理面直接镀膜，所以，光线理想的认为 是垂直入射的，以后彳i 作特殊说明一般都认为对薄膜来说入射光线与薄膜成9 0 。 角。 百先我们先计算菲涅尔系数： 根据边界条件：在通过不同介质时，电矢量e 的切向分量是连续的，磁矢 量的切向分量在分解面的两侧也是连续的。在入射介质和介质中有正方向行 进和负方向行进的两种波，用符号分别表示为：( 下标以此类推) e je i h ；h i e ：e ih ：h i 由此我们可以写出 h l = h ；+ h i = h o 7 7 1 ( 七1 ) = 7 7 0 ( 尼e ；一七e i ) e - 2 昂+ 岳2 l f ，一，、 七e l = 七目+ 七e i = 七e o 、。7 其中 是表示平面波传播的单位矢量，叩是修正导纳，它类似于介质的光学 导纳，只有在光波段，即足够接近于1 的情况下，介质的光学导纳在数值上 j 等于介质的折射率。以下我们在数值上和表述上将用介质的折射率来表示它 的导纳而不做任何说明。在下面的推导过程中电向量和磁向量都是指它们的切 向分量，也不再指明卜- 标。将上面两式的模相除得： 即一= f 目一靠f 协+ 岳f 则振幅反射系数或称菲涅尔反射系数r = ( 等) = ( 一一1 ) ( 十”i ) ；同样透 射系扯( 争勘0 ( ”。 高功率半导体激光器腔面镀膜研究 在光学上，处于两个均匀媒质之间的均匀介质膜的性质特别重要，因此我 们将比较详细的研究这一情况，我们假定，所有媒质都是非磁性的( “= 1 ) 。 如图3 1 所示，单层薄膜的两个界面在数学上可以用一个等效的界面来表 示，膜层和基片组合的导纳是r ，由( 3 一i ) ( 3 - 2 ) 式可知，y 倍e 。，= ，。 e y 图3 1 ：单层薄膜的等效界面 单层薄膜的振幅反射系数为： b r = ( n 。一y ) ( n o + y ) ( 3 3 ) 因此只要确定了组合导纳y ，就可以计算单层膜的反射和透射，下面我们推 导组合导纳l ，的表达式。 在界面1 ，应用e 和的切向分量在界面两侧连续的边界条件写出： e o = e j + e i = e ：i e i 、 七e o = 尼e + 七f j io = h j + h i = h j + h i l 日o = h 1 ( t 一a 瓯) 对于另一个界面2 上具有相同坐标的点，只要改变波的位相因子，就可确定它 们在同一瞬时的状况。正向进行的波的位相因子应乘以e “，而负向行进的波的 位相因子应乘以e “，其中瓯= 兰三”，d ，c o s 鼠 由矩阵的形式可