高功率、低发散角量子点纵向光子晶体激光器的研究

传统大功率半导体激光器光束垂直发散角高达30 以上，水平发散角达10 ，因此光束质量差，亮度低，无法作为大功率直接光源广泛应用于激光加工、军事国防等领域。造成的主要原因是器件结构不对称，激光腔狭窄。本项目研究一种新型的纵向光子晶体激光器，该器件底部为布拉格反射波导，上部为全反射波导，该器件可将激光腔扩大到10μm以上，把激光光束发散角压缩到10 以下。本项目提出采用InAs/GaAs量子点材料作为增益介质，利用量子点优异的载流子限制作用和横向载流子扩散抑制作用，同时结合纵向光子晶体波导对光束发散角的压制作用，将激光光束垂直和水平方向发散角降低到5 以下。利用量子点低的波长温度敏感性和量子点器件高量子效率、低阈值等特点，实现大功率激光输出(脉冲工作>10W，连续工作>2W)。该技术的突破，有望解决大功率半导体激光器亮度低、光束质量不佳的缺点，并可望大大拓展大功率半导体激光器的直接应用领域。

建立了量子点纵向光子晶体激光器理论设计模型，该模型已经将量子点中载流子声子辅助弛豫、俄歇辅助弛豫考虑在内，结合全路径速率方程模型进行阈值等特性模拟，可揭示载流子动力学对量子点光子晶体激光器性能的影响，发现光子晶体谐振腔品质因子Q的提高，可以有效降低阈值，但当Q值高到一定程度已以后(7000)，Q值影响已经不大，继续增加Q反倒会降低其他特性。.设计并生长完成量子点激光器外延片，制备了量子阱布拉格反射波导纵向光子晶体激光器，单管器件最高连续功率4.6W，脉冲功率>11W，电光转换效率31%，并可在不同工作电流下一直保持圆形光束出光，最小发散角~4.9度×4.1度，95%能量垂直发散角9.8度，为目前国际同类器件最好水平, 直接光纤耦合可实现近90%耦合效率，如果加一个简单的透镜则可以实现95%以上的效率，而同等条件下传统边发射激光器的耦合效率仅为75%左右。相关结果发表在IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron.，并入选了中国激光杂志社“2015中国光学重要成果”。我们的成果有望解决半导体激光器发散角大、椭圆出光、光纤耦合效率低的缺点，并获得实际应用。.提出了一种鱼骨形侧向滤波结构, 可有效控制宽条纵向光子晶体激光器侧向模式，并改善出光功率。应用于宽条纵向光子晶体激光器，证明了侧向发散角22%的改善，用于2微米GaSb基边发射激光器，证明了其侧向发散角(95%能量定义)可改善56.4%。我们的结构不仅能够改善光束质量，而且能够提高功率，这比传统的锥形波导结构 (Taper waveguide)虽然提升侧向光束质量、却牺牲功率要优越，而且不存在锥形波导散光、快慢轴远场不同位置等缺点。此外，我们的结构跟传统半导体边发射激光器的制备工艺完全兼容，可实现大规模低成本制备。.项目执行期间共培养研究生8名，博士后1名，共发表论文30篇，其中国际刊物23篇，SCI 19篇，EI 21篇，授权国家发明专利1项，受理发明专利申请7项。