高功率单频电泵浦垂直外腔面发射半导体激光器研究

The objective of this program is to carry out research on high-power single-frequency electrically-pumped vertical-external-cavity surface-emitting lasers (EP-VECSEL), which will be essential for the applications such as fiber laser pumping, laser imaging, LIDAR, and LASIR. We proposal a new design scheme which is based on the phase-conjugate resonant cavity to realize both narrow laser frequency linewidth and high beam quality. We will build the theoretical model for the design of the epitaxial structure combined with the external cavity. Through appropriate optimization of the structural paremeters of epitaxy and phase-conjugate cavity, EP-VECSEL devices with both high output power and single frequency operation will be developed. Also, to enhance the stability of the high-power single-frequency operation, technologies such as reverse order epitaxial growth, substrate removal, and high thermal conductive bonding will be utilized to control the devices' thermal behavior. To achieve uniform current density distribution in multi-layer structure, additional current spreading layer will be introduced to the epitaxial structure. The theoretical model which will be built in this program, combined with the optimized epitaxial growth technology and device fabrication processes, will be the theoretical and technical basis for development of high-power single-frequency EP-VECSEL devices.

研究高功率单频电泵浦垂直外腔面发射半导体激光器（EP-VECSEL），满足我国光纤激光泵浦、激光成像、激光雷达、激光气体检测等应用领域中对于高输出功率、窄激光频率线宽、高光束质量的面发射半导体激光光源的迫切需求。我们提出基于相位共轭谐振腔结构实现窄激光频率线宽、高光束质量的设计方案，建立芯片结构与外部谐振腔相结合的理论模型，优化材料及谐振腔结构并研制高功率单频EP-VECSEL器件。同时为提高器件高功率单频工作的稳定性，采用反向生长、衬底去除及高导热衬底键合以实现对器件的热行为精确控制，并在外延结构中引入电流扩散层来实现均匀的注入电流分布。完善建立的理论分析模型，并优化材料生长技术及器件制备工艺，为获得自主知识产权的高功率单频EP-VECSEL器件打下理论和技术基础。

本项目主要针对光纤激光泵浦、激光成像、激光雷达、激光气体检测等应用领域中对于高功率、窄线宽、高光束质量面发射激光光源的迫切需求，研究高功率单频电泵浦垂直外腔面发射半导体激光器（EP-VECSEL）。在理论设计方面，建立了包括DBR反射镜与多量子阱有源区的芯片结构与相位共轭外部谐振腔相结合的理论模型，能够同时对材料与谐振腔结构进行优化，获得单频激光输出，采用腔模-增益失配材料结构，提高器件在温度升高时的增益，并保持阈值电流的稳定性，获得高转换效率；在器件制备工艺方面，采用反向生长结合衬底去除技术，实现了对于器件温度特性的精确控制，并解决了电子束曝光制备相位共轭反射镜的关键问题，最终研制出具有高转换效率、高输出功率的单频EP-VECSEL器件。. 项目主要完成情况如下：.（1）建立了EP-VECSEL器件的理论设计模型，能够有效分析器件及外谐振腔参数对单频激光性能的影响，并保证其单频工作的稳定性；解决了高功率单频EP-VECSEL涉及到的关键器件工艺，主要包括衬底去除工艺和相位共轭反射镜制作工艺； .（2）研制出EP-VECSEL单管基模最高连续输出功率0.6 W，激光频率线宽1.135 MHz，最高电-光转换效率36 %，输出波长979nm；.（3）项目执行期间，协助培养博士1人，硕士1人；.（4）在高功率单频EP-VECSEL结构设计、材料生长及器件研制方面获得丰富的理论与技术积累，在项目执行期间申请发明专利9项，其中授权3项，发表SCI、EI收录文章13篇，其中项目负责人作为通讯作者的论文“High-peak-power vertical-cavity surface-emitting laser quasi-array realized using optimized large-aperture single emitters”(J.J. App. Phys., 53, 070303, 2014)发表后受到美国《Semiconductor Today》的正面评价。在项目执行期间，项目负责人获2015年吉林省技术发明一等奖（排名第五）。