GaN基外腔可调谐半导体激光器研究

GaN-based external cavity tunable semiconductor laser is a new-style optoelectronic device developed from the traditional edge-emitting laser diode. Such device possesses the characteristics of narrow linewidth, tunable lasing wavelength, and mode-locked ultrashort pulse laser, showing potential applications in high resolution spectroscopy, gas detection, biomedicine, ultra-fast optoelectronics, etc. Nowadays it has become a new research focus in the field of optoelectronic devices. However, due to its short-time development and the actual situation of technical applications ahead of the basic research, the research on many key scientific issues of GaN-based external cavity laser lags behind. The investigation of GaN-based external cavity laser is still in its infancy. In order to improve the device performance, this program will aim to develop GaN-based grating-coupled external cavity tunable semiconductor laser. In this program, research will be focused on the key scientific issues of GaN-based external cavity tunable laser, including the theory of mode oscillation, the mechanism of performance-control, and the principle of actively mode-locked technology. On these basis, this program is expected to enjoy a breakthrough on GaN-based external cavity semiconductor laser. High performance GaN-based external cavity broadband tunable semiconductor laser will be achieved through optimization of device configuration, careful analysis of device performance, and innovation of research method. Furthermore,actively mode-locked GaN-based external cavity semiconductor laser will also be demonstrated.

GaN基外腔可调谐半导体激光器是在传统边发射激光器基础上发展起来的一种新型光电器件，具有线宽窄、波长可调、可锁模实现超短脉冲激光等优点，在高分辨率光谱测试、气体探测、生物医学以及超快光电子学等领域都有重要的应用前景，目前已成为光电子器件领域新的关注焦点。然而，由于其发展时间较短，且存在技术应用领先于基础研究的历史情况，导致有关GaN基外腔激光器许多关键科学问题的研究相对滞后，相关的研究工作还处于起步阶段。为此，本项目提出研制GaN基光栅外腔可调谐半导体激光器。在项目实施过程中，将重点针对GaN基外腔可调谐激光器的模式理论、性能调控机理以及主动锁模机制等关键科学问题进行深入研究。在此基础上，通过优化器件结构，细致分析器件性能，并结合研究手段的创新，本项目有望在GaN基外腔激光器方面获得突破，研制出宽带可调谐GaN基外腔半导体激光器，并进一步实现外腔主动锁模超短脉冲激光输出。

本项目围绕GaN基光栅外腔可调谐半导体激光器的研制开展研究，通过对外腔激光器的结构设计，研制出GaN基蓝紫光（405nm）和蓝光（450nm）光栅外腔可调谐激光器，对其输出性能参数进行了系统的评估，确立了器件的最佳结构，阐明了外腔激光器性能参数的有效调控机理，在此研究基础上组建了外腔主动锁模激光器实验装置，获得了重复频率可调的脉冲激光输出。在项目执行期间，本项目主要开展了以下研究：.1. GaN基光栅外腔可调谐半导体激光器的阈值特性分析和结构设计。通过建立增益损耗平衡方程，模拟了阈值电流随激射波长的变化关系曲线；设计了Littrow型光栅外腔结构，通过计算确定了准直透镜和衍射光栅的参数。.2. GaN基蓝紫光外腔激光器的性能研究。以405nm蓝紫光边发射激光二极管作为增益器件，组建了光栅外腔激光系统，对其输出功率、阈值电流、激射光谱、自发辐射抑制比、调谐带宽等性能进行了详细研究，分析了内外腔之间存在的激射竞争现象，当注入电流在内腔激射阈值附近时可获得稳定的外腔输出，实现了4.47nm（403.82-408.29nm）的波长调谐范围。.3. 大功率GaN基蓝光外腔激光器性能研究。以商用大功率450nm蓝光边发射激光二极管作为增益器件，组建了光栅外腔激光系统，确立了增益器件与衍射光栅的最佳相对放置构型；当衍射光栅刻线与增益器件pn结平面平行时，获得了较好的性能：1100mA注入电流下，光谱线宽由1nm压窄至0.1nm，自发辐射抑制比优于35dB，调谐范围可达3.6nm（443.9-447.5nm），单波长输出功率1.24W，中心波长处的外腔耦合效率达80%。.4. 光栅参数对大功率GaN基蓝光外腔激光器的性能影响研究。采用具有不同一级和零级衍射效率的光栅组建了外腔激光系统，分析了光栅参数对输出性能的影响，研究表明，光栅较高的零级衍射效率有利于提高单波长输出功率，而较高的一级衍射效率有利于扩展调谐带宽，在450nm波段获得了最高达8.3nm的波长调谐。.5. 主动锁模光栅外腔半导体激光器性能研究。通过在半导体增益器件上同时施加直流偏置电流和射频调制电流，依靠射频正弦调制信号形成增益开关调制，获得了重复频率可调的脉冲激光输出。