高β值半导体激光器的激射机理及其相干性能研究

High-β semiconductor lasers represent the current frontier of research in the domain of laser study, they will play a central role in the next generation of chip level photoelectricity integration. We will propose a new idea in this project, which combines photon statistics and dynamics, to answer the open question of conventional lasing threshold is no longer valid in high-β lasers. Focusing on this topic, we will develop a semiclassical theory model to investigate the lasing mechanism and coherence in high-β lasers. External and small signal resonance modulation will be offered to amplify the optical signal of laser output, and to give the chance of analyzing the dynamic. Based on the theoretical and experimental study, we will reveal the physical mechanism of lasing of high-β lasers, and propose a clear threshold definition; then we will study the coherence in wide "S-transition" region, summary the evolution of coherence with pumping. This project will bring new ideas and new directions in fundamental physics hand, and also will supply references for optimizing the fabrication technology of high-β lasers. Therefore, the fundamental research topic proposed in this project possesses important theoretical and practical meanings.

高β值半导体激光器的研究是目前激光领域的一个前沿方向，将在下一代芯片级别光电集成中发挥核心作用。针对传统激光阈值定义在高β值激光器中不再适用问题，提出了光子统计结合动力学特征的分析思想。围绕这一主题，建立半经典理论模型，分析高β值激光器的激射机理以及相干性能。实验上通过外部小信号共振调制来放大光输出，进而分析其动态行为。结合理论和实验，揭示激光器在激射过程中的物理机制，给出明确的阈值定义；研究高β值激光器宽“S型”过渡区的相干特性，总结其随泵浦值变化的演变规律。本项目将为高β值半导体激光器在基础物理方面的研究带来新思路和新方向，并为高β值半导体激光器制备工艺的优化提供参考。因此，本项目是一项既有理论意义又有应用价值的基础研究课题。

高β值半导体激光器作为一种微纳尺度的新型相干光源，对光有着非常高的限制性。由于其能耗低，调制带宽大，响应速度快以及易于集成，被认为是将来实现片上光互联和光通信的理想光源。但是当激光器尺寸缩小到微纳尺度的时候，一些新的物理问题需要解决。.本项目基于半导体激光器的时域动力学和光子统计学，针对高β值半导体激光器的激射和相干问题开展深入研究，研究成果主要包括：.（1）基于谐振腔内主要物理过程，建立了激光器仿真模型。（2）分析并揭示了高β值激光器的阈值定义问题。（3）理论结合实验，研究了激光器的激射机理以及相干性能。（4）实验上通过在激光器阈值处实施小信号共振调制，研究并分析了激光器阈值处的特殊响应特性。（5）基于外部光反馈，揭示了激光器阈值处的超热辐射特性。（6）研究了高β值激光器宽“S型”过渡区的相干特性，总结其随泵浦值变化的演变规律，同时阐述了激光器在激射过程中的物理机制。（7）此外，结合新型激光器设计，研究了微纳激光器在气体以及生物传感方面的潜在应用。.本项目有助于理解微纳激光器的工作机制，为半导体微纳激光器的制备工艺优化提供参考，推动微纳激光器现实应用的实现。