空心光束抽运垂直外腔面发射半导体激光特性研究

光抽运垂直腔面发射半导体激光（OPS-VECSELs）技术是激光技术领域的前沿课题。常规光抽运的光源采用高斯光束造成抽运吸收区和激射区相重叠，热效应严重。对OPS-VECSELs进行有效的热管理是提高其输出特性的关键问题，本课题提出以空心光束作为抽运光，使抽运区与激射区中心相分离来降低VECSEL芯片激射区的热效应和微应变，可提高光光转换效率和最大输出功率并改善输出光束质量和输出光谱稳定度。通过建立空心光束抽运VECSEL芯片的热力学模型，理论研究其参数对输出激光特性的影响；设计并搭建一套空心光束抽运VESCELs的实验装置，通过对输出参数的测量与理论计算模型进行分析比对来优化空心光束与耦合光学系统参数，获得高效率高输出功率高光束质量的空心光束抽运VESCELs器件。本课题的研究将丰富OPS-VECSELs的理论，对OPS-VECSELs的应用具有重要意义。

本课题围绕空心光束抽运垂直腔面发射半导体激光特性的研究，设计和制备了量子阱应变对称补偿的面发射半导体增益介质（VECSEL芯片），研究了VECSEL芯片的减薄抛光、焊接及键合的工艺过程。从光泵浦VECSELs的废热产生机理出发，建立了光抽运垂直腔面发射半导体激光器的热力学模型，采用有限元分析方法，研究了不同芯片封装方式、不同布拉格反射镜结构及不同的抽运光束分布情况下光抽运VECSELs的热特性。建立了双反射带反射镜结构VECSEL芯片有源区内部热载荷的分布方程，分别对比研究了单、双反射带反射镜反射率和厚度相同情况下VECSEL芯片的热特性；建立了空心光束的数学物理模型，深入研究了空心光束抽运VECSELs的热力学特性。搭建了普通高斯光束和空心光束抽运垂直腔面发射半导体激光器实验装置，通过实验验证，在有效抽运功率抽运情况下，采用普通高斯光束和空心光束抽运垂直腔面发射半导体激光器分别获得3.62W和4.75W最大激光输出功率，相对于普通高斯光束抽运垂直腔面发射半导体激光器，最大输出功率提高了31.21%。在抽运功率增大到28W时，空心光束抽运下器件输出功率未出现热翻转效应，即在进一步提高空心光束抽运功率，器件的最大输出功率还有提高的可能。项目实施过程中，发表SCI学术论文14篇，国内期刊论文8篇，申请国家发明专利6项（授权1项），培养博士生4人，硕士生7人。