改善高功率半導(dǎo)體激光器相干特性的研究

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1、 改善高功率半導(dǎo)體激光器相干特性的研究 半導(dǎo)體激光器由于效率高、 壽命長(zhǎng)、使用方便及結(jié)構(gòu)小巧等特點(diǎn)在近幾年獲 得了迅速發(fā)展，目前它已占領(lǐng)了世界激光器市場(chǎng)的 70％。但對(duì)高功率半導(dǎo)體激 光器（如寬接觸 LD、LD列陣及長(zhǎng)條 LD）來(lái)說(shuō)，它們由于不能輻射近衍射極限的 光束而具有很低的空間相干性，且輻射的光譜寬度約 1 至 2nm，使其相干長(zhǎng)度只 有幾百微米。 這些特性限制了它們的應(yīng)用領(lǐng)域， 如與單模光纖的耦合、 泵浦其它固體激光 器、材料處理及二次諧波產(chǎn)生等。 本論文著重研究改善高功率半導(dǎo)體激光器相

2、干 特性的方法，該項(xiàng)研究是我們與德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)光學(xué)研究所合作開(kāi)展的。 論文首先對(duì)各種改善半導(dǎo)體激光器相干特性的方法如種子注入及外腔 技術(shù)等進(jìn)行了分析， 并綜述了其研究進(jìn)展。 在此基礎(chǔ)上對(duì)四種不同的改善半導(dǎo)體 激光器相干特性的技術(shù)方案進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究， 它們包括：（1）由普通反射 鏡構(gòu)成的 LD 外腔。 （2）LD位相共軛外腔。（ 3）利用標(biāo)準(zhǔn)具和衍射光柵的反饋?zhàn)⑷搿? （4）用互泵浦位相共軛的反饋?zhàn)⑷?。并取得了以下?dú)特的、有意義的研究 結(jié)果。 1 ．提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、工作穩(wěn)定可靠且

3、對(duì)快軸方向失調(diào)不敏感的半導(dǎo)體激光器外腔， 并用光射線(xiàn)傳輸矩陣分析法對(duì)該外腔的特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析討論。 首次提出了作者稱(chēng)之為該外腔二次反饋?zhàn)⑷氲男逻\(yùn)行模式， 對(duì)該新運(yùn)行方式在理論上進(jìn)行了分析，并在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。 對(duì)一個(gè) 1W半導(dǎo)體激光器的外腔實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng) LD 驅(qū)動(dòng)電流為 2 倍及 3.2 倍閾值電流時(shí)，在二次反饋?zhàn)⑷脒\(yùn)行模式下，獲得的光瓣寬度（ FWHM）分別為 0.43 及 0.63 ，對(duì)應(yīng)于 1.05 及 1.54 衍射極限， 光瓣遠(yuǎn)場(chǎng)位于 6～ 9。而在其 普通一次反饋?zhàn)⑷脒\(yùn)行模式下，獲得的光瓣寬度則分別為 0.52 及 1.12

4、的單 瓣輸出，對(duì)應(yīng)于 1.27 及 2.73 衍射極限，光瓣遠(yuǎn)場(chǎng)位于 3左右。 外腔對(duì) EM在快軸方向失調(diào)的容許度為 0.55 ，對(duì) EM位置失調(diào)的容許度為 70μm。如果使用一個(gè)在前腔鏡鍍有增透膜的半導(dǎo)體激光器，則在一次及二次反 饋?zhàn)⑷脒\(yùn)行時(shí)的外腔輸出功率可能會(huì)有非常大的提高。 該外腔二次反饋?zhàn)⑷脒\(yùn)行方式的優(yōu)越性有：可容易獲得高階模的放大輸出 （大于 30 階模），這原來(lái)只能用主激光器進(jìn)行注入鎖定的復(fù)雜系統(tǒng)才能獲得； 輸 出光瓣的 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文寬 度與普通外腔運(yùn)行相比要小得多等。 該方法將對(duì)半

5、導(dǎo)體激光器的研究起促進(jìn)作用。 2 ．對(duì) LD 的自泵浦位相共軛外腔進(jìn)行了全面深入的實(shí)驗(yàn)研究，包括 n： BaTIO。晶體中的自泵浦位相共軛建立過(guò)程、 位相共軛反射率、位相共軛光功率、 LD在位相共軛反饋?zhàn)⑷胂碌妮敵龉β首兓肮馐h(yuǎn)場(chǎng)分布變化等。 實(shí)驗(yàn)中當(dāng)選擇 LD 輸出的 10 階模進(jìn)行位相共軛反饋?zhàn)⑷霑r(shí)， LD外腔輸出 獲得了最佳的光束質(zhì)量， 光束輸出的大部分能量集中在寬度 JWHM）為 0 ．75”（即 1．83 倍衍射極限）的高斯分布內(nèi)。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)位相共軛光功率的飽和效應(yīng) （飽 和功率 smw左右），不足以使 Iw

6、 LD 實(shí)現(xiàn)空間單模運(yùn)行。 4 3 ．對(duì)一個(gè) 7W半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及輸出特性的測(cè)試，如光譜特性、輸出功率及輸出光束空間分布等。 在標(biāo)準(zhǔn)具反饋?zhàn)⑷雽?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 提出了 標(biāo)準(zhǔn)具加光柵反饋?zhàn)⑷氲姆椒?，在半?dǎo)體驅(qū)動(dòng)電流為 3 刀 A （自由振蕩輸出功 率為 1 ． 39W）時(shí)，獲得了單縱模輸出。 4 ．對(duì)一個(gè) 7W半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了普通的互泵浦位相共軛注入波長(zhǎng)鎖定 實(shí)驗(yàn)研究。但只當(dāng)激光器輸出功率僅為 462 mw時(shí)，其輻射波長(zhǎng)才被主激光器基 本鎖定，鎖定時(shí)的線(xiàn)寬為主激光器線(xiàn)寬的 1 石倍，且由于 ZK 光柵效應(yīng)，

7、波長(zhǎng)鎖 定的穩(wěn)定性較差。 首次提出了利用兩塊光折變晶體的互泵浦位相共軛反饋?zhàn)⑷藢?shí)驗(yàn)方案， 即利 用一塊 n ： BaTIO。晶體作互泵浦位相共軛器，而另一塊 CO ：BaTIO。 晶體作雙光束耦合位相共軛放大器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。 采用該實(shí)驗(yàn)方案， 激光器波 長(zhǎng)被完全鎖定時(shí)的輸出功率則達(dá)到 2 石 W，其線(xiàn)寬為主激光器線(xiàn)寬的 1． 4 倍， 同時(shí)其位相共軛反饋?zhàn)⑷牍β始安ㄩL(zhǎng)鎖定效果要比用一塊晶體時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更 穩(wěn)定。 該方法同樣也適用于長(zhǎng)條半導(dǎo)體激光器。 目前對(duì)改善由多個(gè)列陣組成的高功 率半導(dǎo)體激光器的相干特性尚未見(jiàn)研究報(bào)道。 5 ．所有四種實(shí)驗(yàn)方案對(duì)改善一個(gè)不具有雙瓣光束形式的半導(dǎo)體激光器門(mén)或 7W）的空間相干性均無(wú)效。 6 7 8