高性能微结构半导体激光器研究

半导体激光器是目前电光转换效率最高的器件，因现有结构的弱光场调控能力，导致光束质量差、腔面灾变阈值低等固有性能瓶颈的存在，限制了其在更多领域中的直接应用及功能扩展。近年，在半导体材料中应用人工微结构理论和技术的研究逐渐深入，而利用其从单芯片层次突破半导体激光器的性能瓶颈，成为值得深入研究的方向和研究热点。本项目针对半导体激光器的性能瓶颈，运用微纳光电子学从量子调控的角度，探索光子晶体及表面等离子体等微结构在传统半导体激光器中的应用。深入挖掘光子隧穿、光子能带、慢光和电磁感应透明等效应的物理本质，以及与量子限制结构组成光电联合调控体系下的作用机制。目的是利用新的模式调控机制，改善快慢轴发散角一致性，提高腔面灾变阈值水平，简化光束整形，探索出大功率高性能半导体激光器的新结构、新原理和新工艺。实现高性能半导体激光器波长为800nm-1100nm，快慢轴发散角小于10度，呈近似圆形光斑输出。

半导体激光器是目前电光转换效率最高的光源，是光纤激光和固体激光器的理想泵源，但是传统半导体激光器存在椭圆形光斑，光束质量差等瓶颈问题，限制了其在更多领域中的直接应用及功能扩展。本项目探索光子晶体及表面等离子体等微结构在传统半导体激光器中的应用，深入挖掘光子能带和电磁感应透明等效应的物理本质，利用新的模式调控机制，改善快慢轴光束质量，从芯片层次改善光束质量，探索出新结构、新原理和新工艺，实现快慢轴发散角小于10°，似圆形光斑输出。.1.研制出976nm波段光子晶体激光器，单管连续功率6.93W@8A，垂直发散角9.6°，水平发散角6.9°；单管连续功率9.56W@10A，垂直发散角13.1°， 水平发散角7.72°，最高电光转换效率55.2%，最高连续输出功率11.45W@12A。.2.研制出锥形光子晶体激光器，单管连续功率3W，垂直发散角<16°，水平发散角<4°，小电流下M2因子<2，近衍射极限输出。.3.首次研制出905nm波段光子晶体激光器，采用准周期组分渐变光子晶体激光器结构，提高限制因子和模式稳定性，单管连续功率5.75 W，准连续功率10.3 W，水平发散角10.5°，垂直发散角5.7°，相比周期光子晶体激光器的包含95%能量的垂直发散角降低了50%。.4.研制出集成相位调制光子晶体激光器，水平发散角2.4°，仅为衍射极限的2.7倍；研制出斜侧壁倾斜波导光子晶体激光器，水平发散角1.65°；研制出侧向光子晶体双锥形激光器，单模1.12 W，水平发散角2.1°，边模抑制比27 dB。.5.探讨了电磁感应透明(EIT)效应在光子晶体激光中的可能应用。研究了一种平面固态EIT材料对透射效率、品质因子的影响，通过对固态EIT材料的色散特性进行调节实现具有高品质因子的光隧穿，利用该隧穿模式三维电磁场局域增强的特性降低激光器阈值和提高激射效率。.6.发表SCI论文31篇，EI论文9篇，会议论文8篇,发表论著2章节，申请专利10项，授权专利6项，培养研究生14名。.研究成果可广泛应用与光纤和固体激光器的泵源，激光雷达、激光引信、激光通信等领域,推动下一代高性能半导体激光器的研发与应用。