高光束质量光子晶体激光及大功率合束研究

Semiconductor lasers are currently the highest conversion efficiency light sources. However, there left some bottleneck problems to be resolved, such as poor beam quality and low single-chip laser output power. The breakthrough of such bottlenecks becomes one of most important issues in the world. Towards to the urgent needs of high performance laser source on advanced industrial manufacturing and national defense，This project proposed to investigate the new mechanisms of high beam quality semiconductor lasers with photonic crystal structures and the new method of high power beam combining. Specifically, the photonic crystal micro-structure will be introduced into the typical semiconductor laser, which will lead to the modulating of the electro-magnetic field distribution of lateral and transverse optical modes. Then it will be explored to the new mechanism of high beam quality and high power semiconductor lasers. Meanwhile, aiming to the high beam quality，high power and high efficiency, we proposed a new idea of beam combing in spectra and timing based on photonic crystal laser. The project goal is as the following: achieving laser bar wavelength of 800nm-1100nm, horizontal and vertical direction far-field divergence angle less than 10 degrees, out power higher than 100W; achieving the laser module with power higher than 600w, beam combining efficiency higher than 85% and beam quality of 6mm.mrad.

半导体激光器是目前电光转换效率最高的激光光源，但存在单管激光输出光束质量差和输出功率低的瓶颈问题，因此提高激光输出光束质量和发展合束新方案是目前广受关注的重要研究方向。面向先进工业制造及国防等领域对高性能激光光源的紧迫需求，本项目提出研究高光束质量光子晶体激光新机理及其大功率合束新方法。在半导体激光器中引入光子晶体微结构,调控横向和侧向光场的模式分布,探索实现高光束质量高功率激光输出的新机制,同时我们提出光谱合束与时序合束相结合，开展基于光子晶体激光的新合束方法研究，达到高光束质量、高功率、高效率激光输出的目的。探索实现激光输出波长为800nm-1100nm、激光bar条的水平与垂直方向远场发散角小于10度、输出功率大于100W的新结构和新机理；探索实现功率大于600W、合束效率大于85%、光束质量达到6mm.mrad的合束新方案。

本项目面向先进工业制造及国防等领域对高性能光源的紧迫需求，主要围绕高光束质量低发散角光子晶体激光器、光谱合束技术和时序合束技术开展研究,取得主要成果如下：.1).提出采用准周期和组分渐变光子晶体结构和锥形复合腔结构相结合，调控快慢轴方向光束质量，实现M2因子小于2，亮度126.8MW/(cm2.sr)；提出侧向高阻复合结构光子晶体激光器，解决大电流M2快速恶化问题，实现连续功率10.17W@10.5A，亮度102.1MW/(cm2.sr)，垂直发散角<15度。.2).光子晶体激光单管连续功率突破30W，效率大于60%。在10 W、 20 W、30 W下功率密度较商用大光腔激光器分别提高1.49、2.02和2.31倍，显著从芯片层次提高了功率密度；突破腔面钝化镀膜和巴条封装技术，有效解决巴条可靠性和封装smile效应，单巴条连续功率突破100W，发散角小于10度。 .3).研制出基于双光栅结构的光子晶体外腔光谱合束激光模块，整体光谱宽度约17nm，单个谐振腔输出功率327W，偏振合束后输出功率613W，光束质量5.516mm.mrad。在70A时，BAR条无外腔下输出功率约为47.26W，在外腔光谱合束时，BAR条输出功率约为45.75W，光光转换效率96.8%。.4).提出了单电机4束激光时序合束方案 ，解决多电机同步控制难题，降低了时序合束转盘尺寸，保证了6000转/分高速下的转盘稳定性问题，对机械转盘合束系统时序合束进行验证，合束效率高达99.3%；开展了电光时序合束技术研究，利用光谱合束模块对电光时序合束技术进行验证，电光时序合束效率达92%。.在执行项目期间，总共发表论文40篇，其中SCI收录论文33篇，EI收录论文7篇；培养博士生8人，硕士生2人；申请发明专利18项，其中授权专利3项，获中国专利金奖1项，获中国专利优秀奖1项，获中国科学院科技促进发展奖1项。本项目成果低发散角光子晶体激光相关技术获2000万元专利技术使用费和1400万元产品开发费，投资超过2亿元成立潍坊先进光电芯片研究院负责该技术转化和推广应用。本项成果光子晶体激光和光谱合束模块有望在光纤激光器和固体激光器泵源、激光雷达、微小卫星、光纤陀螺仪、激光加工、国防等领域广泛应用。