高功率窄线宽二阶金属光栅表面发射分布反馈半导体激光器研究

研究自主创新的二阶光栅耦合表面发射分布反馈半导体激光器及其列阵，满足我国激光加工、激光显示、激光雷达等应用领域中对于窄线宽、近衍射极限的高功率半导体激光器的迫切需求，具有重要意义。我们提出基于二阶光栅表面发射分布反馈（SE-DFB）结构实现高光束质量、高光谱特性的半导体激光器的新方案。建立二阶金属光栅SE-DFB激光器的理论分析模型并优化二阶金属光栅的设计参数及线型的选取，研究提高SE-DFB激光器性能的理论机理和器件生长工艺，优化设计SE-DFB激光器的结构并研制高功率的单管和阵列。研究全息光刻和干法刻蚀技术实现二阶金属光栅制备的关键工艺，探讨光栅制作精度和质量对激光器性能的影响；采用曲面波前和参考平面波前的全息干涉技术，实现在GaAs材料上制作复杂线型光栅的突破。完善建立的理论分析模型，结合外延材料优化生长工艺，为获得自主知识产权的SE-DFB激光器打下理论和技术基础。

高功率半导体激光器及阵列（DLA）直接用于工业加工，具有高效节能、小型化、寿命长、柔性加工性能好等优点，代表着先进激光器的发展方向。与气体激光器和固体激光器相比，半导体激光器的光束质量有待进一步提高。如何提高半导体激光器的光束质量就成为高功率半导体激光器的一个亟需解决的问题。国内外科研人员进行了大量的有益探索和研究，如F-P腔空间滤波、温控、内部光栅反馈技术和外部光栅反馈等方法改善其光束质量和光谱特性。外部光栅反馈方案系统复杂、成本高；内部一阶光栅反馈方案制作在有源区或波导层，需要进行二次外延生长，工作难度大；F-P腔滤波和温控法存在着激光器的波长稳定性差的缺点。鉴于上述方法存在的问题，本项目提出表面发射分布反馈（SE-DFB）二阶金属光栅结构（二阶金属光栅的周期在波长量级，金属光栅半导体界面上可能存在表面等离子体增强效应），从而获得小发散角、窄线宽和波长稳定的高功率半导体激光器。.建立二阶金属光栅SE-DFB激光器工作的物理模型，利用COMSOL软件的亥姆霍兹模块，考虑了金属吸收系数的修正耦合模方程以及耦合模方程的边界条件，对SE-DFB半导体激光器的计算模型进行了优化。利用优化后的模型分别模拟了940nm SE-DFB半导体激光器的模式特性，优化了二阶金属光栅关键参数，得到了表面发射耦合系数、反馈耦合系数及占空比等参数对SE-DFB激光器的腔内光子密度、阈值增益、电光效率、发散角及光谱特性的影响规律；研究了槽深、槽宽和周期对半导体激光器输出模式、波长、线宽和发散角的影响。重点对全息曝光、电子束曝光及刻蚀工艺进行了研究，包括全息干涉光源的选取和光路搭建的优化，双光束干涉角度的选择和优化，电子束曝光工艺参数的选取和优化，光栅制造中涉及的光刻胶选择，显影条件的优化等，干法刻蚀工艺的优化等。通过工艺技术的攻关，得到了一套二阶金属光栅制备工艺及关键工艺参数。.研制出940nm 二阶光栅耦合DFB半导体激光器，光栅周期为287nm、DFB半导体激光器在1.5A时，连续输出功率达到718mW，光谱线宽为90pm。基于光栅耦合半导体激光器单管结构，通过合束技术研制出高功率半导体激光器，连续输出功率50.8 W，电光转换效率45%左右，斜率效率0.753W/A。光束质量Q为3.339mm•mrad。为百瓦级高功率、高光束质量半导体激光的研发提供了新的思路和技术支撑。