基于MOPA放大与相干合束的高功率半导体超短脉冲激光研究

Semiconductor lasers have the advantages of small volume, variety wavelength, high efficiency and long lifetime, however, it is hard to realize high pulse power emission for semiconductor lasers as a kind of ultrashort pulse laser. To solve this big issue in the field of semiconductor lasers, the technical proposal based on the master oscillator power amplifier (MOPA) and coherent beam combining (CBC) is proposed in this project. The picosecond optical pulse emitted from the seed lasers were split and amplified, then formed one high-power laser beam by CBC. The amplify dynamics and improvement mechanism of power in ultrashort pulse lasers will be investigated deeply, and obtain the control approach for the phase and intensity. Develop the ultrashort pulse seed lasers with low amplified spontaneous emission (ASE), obtain the fabrication method for semiconductor optical amplify (SOA) with high saturated power, grasp the CBC way for pulse lasers and then achieve the laser with the pulse duration <1ps and pulse energy >10 nJ. If the proposed approach for the high power ultrashort laser were demonstrated, more high-power picosecond and femtosecond lasers with variety wavelength, smaller volume and lower cost would be produced and a new revolution would be expected in the field of ultrashort pulse lasers.

半导体激光器体积小、波长丰富、效率高、寿命长，但作为超短脉冲光源，一直难以实现高功率输出。针对这一半导体激光器领域难题，本项目提出基于主振荡放大(MOPA)与相干合束相结合的技术方案，即通过半导体激光种子源产生皮秒脉冲，分路后经多级光放大再进行相干合束，从而实现高功率输出。通过深入研究超短脉冲激光放大增益动力学机理及饱和输出功率提升机制、超短脉冲激光相位和强度控制方法，在突破低放大自发辐射效应皮秒种子源制备技术的基础上，研制出具有干净脉冲输出的种子源激光，获得高饱和功率半导体光放大器制备方法，掌握脉冲激光相干合束技术，从而实现脉冲宽度<1ps，脉冲能量 >10nJ的激光输出。如果本项目提出的方案获得突破，将会为超短脉冲激光领域提供更多波长、更小体积、更低价格的高功率皮秒、飞秒激光器，并对超短脉冲激光的应用和发展带来新的变革。

半导体激光器体积小、波长丰富、效率高、寿命长，但作为超短脉冲光源，一直难以实现 高功率输出。针对这一半导体激光器领域难题，本项目提出基于主振荡放大(MOPA)与相干合束相结合的技术方案，即通过半导体激光种子源产生皮秒脉冲，分路后经多级光放大再进行相干合束，从而实现高功率输出。通过深入研究超短脉冲激光放大增益动力学机理及饱和输出功率提升机制、超短脉冲激光相位和强度控制方法，基于 MOPA 放大和相干合束技术，提出了一种基于外腔的简单、有效的实现谐波锁模（HML）的方法，利用锥形激光器波导侧壁的锯齿微结构作为反射器反射由输出耦合镜反馈回到腔内的脉冲激光，并在锥形区域发生相干耦合，实现了稳定的一到三阶谐波锁模，研制出皮秒脉冲输出的半导体激光种子源，激光脉宽为3.4-6 ps，平均功率49 mW，最大峰值功率达到15W； 针对半导体光放大器（SOA）中放大的自发辐射（ASE）严重影响放大器放大效率的问题，提出基于锯齿微结构的半导体光放大器结构，获国家发明专利授权，实验研究优化了锯齿微结构的形状，获得高饱和功率半导体光放大器制备方法，饱和放大功率较传统锥形放大器提高30.5%；基于MOPA放大和光栅色散调控方案，实现965nm飞秒脉冲半导体激光器，峰值功率1500W，重复频率579MHz，核心专利获国家发明专利授权。所实现的飞秒半导体激光器功率大于目前同波长国际最高功率值(1400W)。提出束腰劈裂载偏振合束方法提升半导体激光的光束质量，已在近红外波段获得验证，获美国专利授权。发表论文16篇，申请和授权专利8件，其中美国专利3件。培养研究生7人，参加国内外会议6次。