光泵浦VECSELs設計理論、制備工藝與實驗研究.pdf

1、光泵浦VECSELs是一種以半導體增益結構材料為激光介質的半導體激光泵浦半導體增益介質的全固態(tài)激光器。它結合了半導體泵浦固體激光器和傳統(tǒng)電泵浦VCSELs的構造方法，具有高輸出功率、高轉換效率、高光束質量及寬光譜調諧范圍等優(yōu)點。正是由于這些突出優(yōu)點而使得光泵浦VECSELs在高速激光打印、光信息存儲、激光通信與目標探測、刑事偵查、生物化學與材料分析、臨床醫(yī)療及影像顯示等諸多領域具有廣泛的應用前景。
　　本文在綜述光泵浦VECSEL

2、s的產生和發(fā)展過程的基礎上，詳細介紹了光泵浦VECSELs的基本原理和典型結構，系統(tǒng)闡述了VECSEL芯片制備的材料體系，對其中的核心部件-半導體增益介質VECSEL芯片的設計理論和設計過程開展了深入研究;基于VECSEL芯片的設計結構和光泵浦VECSELs的工作特性，研究了VECSEL芯片的外延生長和芯片封裝制備工藝;基于有限元計算分析方法，深入研究了光泵浦VECSELs的熱特性;基于速率方程理論，建立了光泵浦VECSELs的理論模型

3、，分析了光泵浦VECSELs諧振腔結構，開展了光泵浦VECSELs的實驗研究。
　　從半導體能帶理論出發(fā)，介紹了不同半導體材料設計和生長過程中的晶格失配度及厚度加權和零應變平衡方法。給出了半導體增益介質VECSEL芯片的典型結構，基于多光束干涉理論和光學傳播矩陣，建立了布拉格反射鏡反射率和反射鏡帶寬的方程，分析了反射鏡對數(shù)和材料折射率差對布拉格反射鏡反射率的影響;采用((HL)DH)N排列形式，設計了808nm和980nm雙反射帶

4、反射鏡，分別獲得99.991％和99.959％的反射率。研究了In組份、P組份和量子阱寬對輸出波長的影響，從模型固體理論出發(fā)，結合k.p理論、Pikus-Bir理論和駐波條件，提出一種應變量子阱對稱補償方法，通過在InGaAs量子阱兩側對稱生長GaAsP材料層實現(xiàn)對量子阱壓應變的良好補償，設計了13周期應變對稱補償InGaAs量子阱結構的980nmVECSEL外延片。給出了VECSEL芯片制備工藝過程，基于分子束外延生長技術，開展了98

5、0nmVECSEL外延片的結構生長，經過對所生長VECSEL外延片的性能參數(shù)進行測試，結果表明達到了預期的設計要求。采用機械拋光和化學腐蝕相結合的減薄方式，研究了VECSEL外延片減薄工藝，研究了VECSEL芯片和散熱片金屬化及銦焊封裝工藝。
　　從光泵浦VECSELs的廢熱產生機理出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的熱分析模型。從速率方程理論出發(fā)，建立了光泵浦VECSELs的理論模型，給出了光泵浦VECSELs的閾值條件和輸出功率

6、特性，并進行了數(shù)值模擬?；诘葍r腔分析方法，建立了光泵浦VECSELs的諧振腔模型，給出了VECSEL芯片和輸出鏡表面的基模光斑隨諧振腔腔長的變化情況。首次建立了雙反射帶反射鏡結構VECSEL芯片有源區(qū)內部熱載荷的分布方程，分別對比研究了單、雙反射帶反射鏡反射率和厚度相同情況下VECSEL芯片的熱特性，結果表明雙反射帶反射鏡結構VECSEL芯片的熱特性明顯優(yōu)于單反射帶反射鏡結構VECSEL芯片的熱特性。
　　針對VECSEL芯片封

7、裝方式差異對芯片熱特性的影響，提出VECSEL芯片雙面鍵合散熱片封裝工藝及方法，研究了雙面鍵合散熱片結構VECSEL芯片的熱特性，并從實驗上進行了驗證，結果表明雙面鍵合散熱片芯片封裝方式有效改善了激光器的熱特性。開展了泵浦光入射方向、芯片熱管理方式、芯片工作溫度等差異的實驗研究，在工作溫度為10℃時，最大獲得了4.6W978nm光泵浦VECSELs激光輸出，光光轉換效率達到29.7％。為了從泵浦光束分布的角度來提高對光泵浦VECSELs

8、的熱管理，首次將環(huán)形光束的應用引入到激光器的泵浦領域，深入研究了環(huán)形光束參數(shù)對VECSEL芯片熱特性的影響，通過光泵浦實驗，在室溫下獲得4.64W激光輸出。研究結果表明:在同等工作條件下，與高斯光束泵浦VECSELs相比，環(huán)形光束泵浦VECSELs的閾值較高，但其出現(xiàn)熱翻轉效應相對延遲，允許注入更大的有效泵浦功率，最大輸出功率相應得到提高。研究了光泵浦VECSELs聲光調Q激光器的輸出功率特性，通過在腔內置入倍頻晶體開展了連續(xù)運轉和準連