相干大功率面发射半导体激光列阵的相关机理及应用技术研究

High power coherent semiconductor diode lasers are of interest for a variety of applications, including imaging system, laser radar, free space optical communications and pumping light source. The research and development on this kind of lasers are important. For traditional vertical-cavity surface-emitting lasers, there has a conflict between high power output and single mode output. Therefore, the question to be settled is that how the high power coherent surface-emitting lasers can be realized. Based on the good foundation of application units, the project is to carry out the coherent research of surface-emitting lasers with the structure of materials and devices, and to explore the new physical mechanisms and method. High power single-mode surface-emitting lasers with output in the 1-W range are constructed when photonic crystal or optical grating is induced in new structure edge-emitting laser with single-mode output. The kind of new structure coherent surface-emitting laser array can be realized by using passive phase-locked technology. In the electrically pumped vertical-external-cavity lasers, the single mode high power output can be obtained by using phase conjugate mirror as external-cavity mirror. Combing with active phase-locked technology, the external-cavity coherent surface-emitting laser array can be constructed. The representative index, including coherence is large than 0.8, laser array output power is large than 5W, beam quality is near diffraction limitation.

相干半导体激光器在小型化成像系统、激光雷达、空间光通信、高质量泵浦源等领域有广泛的应用，此类器件具有重要的研究意义和发展前景。对于传统的面发射半导体激光器，其高功率输出和单模、单频输出之间是一件矛盾的事情，因此如何获得相干大功率面发射半导体激光列阵是一个需要解决的难题。本项目在申请单位良好先期工作基础上，通过深入研究面发射半导体激光列阵的相干性与器件的材料和器件结构的关系，探索实现相干大功率面发射半导体激光列阵的物理机制、新原理和新方法。通过在新结构单模边发射半导体激光器中，引入光子晶体或者光栅等微结构形成面发射半导体激光器，实现单模瓦级输出，并采用被动锁相技术实现列阵单元的相干。在电泵垂直外腔面发射激光器中，引入相位共轭反射镜，获得大功率单频激光输出，并结合主动锁相技术实现大功率相干列阵。实现代表性指标，包括相干度>0.8，面发射激光器列阵连续输出功率>5W，光束质量达近衍射极限。

相干半导体激光器在小型化成像系统、激光雷达、空间光通信、高质量泵浦源等领域有广泛的应用，此类器件具有重要的研究意义和发展前景。针对垂直腔面发射半导体激光器，其高功率输出和单模输出之间的矛盾，本项目通过研究面发射半导体激光及列阵的相干性与器件的材料和结构的关系，探索实现高相干性大功率面发射半导体激光列阵的物理机制、原理和方法。在半导体激光器中，引入光子晶体或者光栅等微结构形成研制出新型半导体激光器，获得了单模高功率输出。近红外波段垂直腔面发射半导体激光列阵实现>=5W的连续功率输出，相干度0.81，发散角<=10º；9xxnm光栅复合系列半导体激光器实现>200mW的连续输出功率，边摸抑制比大于35dB；光子晶体结构半导体激光器实现了稳定的单横模激射。发表相关论文54篇（其中，第一标准24篇，第二标注5篇，第三标准8篇），授权发明专利13项（其中三项发明专利实现了技术入股转化），申请发明专利5项；获得省级技术发明一等奖1项，培养博士研究生8人，硕士研究生3人。使用位移泰伯效应曝光方法，实现无拼接误差的大面积制造光栅，在曝光过程中对光刻板无接触，特别适合批量生产光栅耦合半导体激光器产品。亚波长光栅在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中有重要的应用，可以替代VCSEL的全部或者部分DBR，对比分析了0折射率差的亚波长光栅（ZCG）和高折射率差亚波长光栅（HCG）反射率、反射带宽和模式选择性等光学性能，结果发表于Optics Communications（389, 35-41, 2017），文章发表之后，立即受到美国加州大学伯克利分校常瑞华教授研究组的关注，并在其2017年关于HCG综述（54页）中正面引用。