基于高阶模式耦合的高功率、低垂直发散角半导体激光器研究

Diode lasers is a widely used laser light source for a wide range of applications including materials processing, communication, defense, display, pumping sources and medicine. However, traditional diode lasers with large vertical divergence angle cannot be used effectively and this is the current technological problem. Meanwhile, the key point is how to obtain low vertical divergence angle at high output power. In this project, coupling of the high-order modes with the method of embedding passive waveguides on the transverse broad-area waveguide structure is proposed. The new diode lasers can decrease or restrain high-order modes lasing and realize high power output. It is expected to obtain the vertical far field with fundamental mode (vertical divergence angle<10º) at the range of 980 nm, and achieve high power output (>10 W in continuous wave ). The research will focus on the physics and mechanism of high-order modes excitation, phase matching between high-order modes in waveguide and modes in passive waveguide, high gain quantum well optimization, designing of asymmetric waveguide structure, the component gradient and doping between epitaxial layers. At the same time, the diode lasers with high power and low divergence angle is realized through the optimization of process and packaging. Therefore, increasing the advantages of diode lasers is expected.

半导体激光器是一种被广泛使用的激光光源，包括材料加工、通信、国防、显示、泵浦源及医疗等。但是大的垂直发散角不利于激光的有效利用，是目前的技术难题所在。同时在保持高功率输出下如何获得低垂直发散角也是研究的热点和重点。本项目提出在横向宽区波导结构的基础上利用嵌入无源波导的方法对高阶横向模式进行有效耦合，抑制高阶模式激射，同时实现高功率输出。预期在980 nm波长范围获得基横模工作的垂直远场（垂直发散角<10º），实现高功率（连续>10 W）输出。本项目将针对宽区波导中的高阶模式激射行为、波导中高阶模与无源波导的模式相位匹配、高增益量子阱优化、非对称波导结构设计、外延层的组分渐变和掺杂等进行研究。同时通过工艺和封装的优化实现高功率、低垂直发散角的半导体激光器，为其应用领域拓展奠定基础。

半导体激光器是一种被广泛使用的激光光源，包括材料加工、通信、国防、显示、泵浦源及医疗等。但是大的垂直发散角不利于激光的有效利用，是目前的技术难题所在。同时在保持高功率输出下如何获得低垂直发散角也是研究的热点和重点。本项目提出在横向宽区波导结构的基础上利用嵌入无源波导的方法对高阶横向模式进行有效耦合，抑制高阶模式激射，同时实现高功率输出。针对宽区波导中的高阶模式激射行为、波导中高阶模与无源波导的模式相位匹配、高增益量子阱优化、非对称波导结构设计、外延层的组分渐变和掺杂等进行研究。最终在980nm波长范围获得基横模工作的垂直远场（垂直发散角9.5°），在未镀膜情况下最大输出功率3W，斜率效率0.8W/A，最大光电转换效率51.2%，较好地完成了预期目标。此外，利用外延结构设计经验，成功设计了可调谐碟片激光器增益芯片，在960nm波段的连续调谐范围达到45nm，为国际上同类可调谐激光器所报道的最大调谐波长。本项目为高功率、高光束质量半导体激光器的实现及应用提供了一种新途径，有望推动该领域的快速发展。在本项目资助下，共发表学术论文7篇，申请国家发明专利2项，培养硕士研究生3名。