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基于980nm半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-在線(xiàn)瀏覽

2024-10-30 15:40本頁(yè)面
  

【正文】 kham、 JDSU(SDL)、 Lumics、 AgilentTechnologies、 Furukawa、 Qphotonics、 B1ueSky Research 等。其有源區(qū)采用 InGaAs 單量子阱,壘層采用 GaAsP材料,激光器芯片采用 MOCVD生長(zhǎng)。 (2)產(chǎn)品二 整個(gè)模塊包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測(cè)器。工作溫度在 C75~C20 oo 范圍。 2020 年 9 月報(bào)道了 sMohrdiek 等人 獲得 980nm 波長(zhǎng)光纖光柵半導(dǎo)體激光器輸出功率達(dá)到 550mW。 2020 年德國(guó)光器件制造商 Lumics 推出改進(jìn)型的 980nm 光纖光柵半導(dǎo)體激光器LU975M300。該器件采用 14 針蝶形低截面封裝 (30X15 2X78m),內(nèi)置致冷器,典型輸出功率 330mW,配合康寧 HI 1060 單模光纖和 FBG。 2020 年 3月 19 呂,美國(guó) JDSU公司推出兩款高性能 980nm 半導(dǎo)體激光器,主要應(yīng)用到 EOFA模塊上。另外一款 2945清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) 系列 980nm 半導(dǎo)體激光器的功耗相比以往產(chǎn)品降低了 20%,該激光器可以產(chǎn)生 400mW光功率,內(nèi)部工作溫度控制在 45攝氏度。并且 JDSU 推出新一代芯片具有低的閩值電流23mA;高的轉(zhuǎn)換效率 0. 9W/ A;高的 kink— free 功率 l1W 和更優(yōu)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角.垂直發(fā)射 o16 。 由于國(guó)內(nèi)對(duì)功率型半導(dǎo)體激光器的需求增加,國(guó)內(nèi)從 2020 年初就開(kāi)始了 980nm 泵浦源半導(dǎo)體激光器的研制工作,主要研制單位是中科院半導(dǎo)體研究所和武漢郵電科學(xué)研究院。采取的技術(shù)途徑與 Bookham 公司的方案基本一致。 5nm,尾纖輸出功率約 80mW,壽命約 50000 小時(shí)。但是只是組裝,沒(méi)有管芯生產(chǎn) 能力。工作溫度只能在 C75~C50 oo 。 長(zhǎng)春理工大學(xué)的高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近幾年開(kāi)始從管芯制作到器件封裝進(jìn)行 980nm泵浦源半導(dǎo)體激光器研究。但由于國(guó)內(nèi)工業(yè)條件和加工技術(shù)以 及相關(guān)器件的制備方面還與國(guó)外有明顯的差距,在壽命和可靠性方面還有很大的不足,目前達(dá)到的 980nm 光纖光柵半導(dǎo)體激光器的輸出功率為幾十毫瓦量級(jí)。 980nm 半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用 980nm 半導(dǎo)體激光器具有更低的閡值電流密度和高的微分量子效率,功耗小;溫度依賴(lài)關(guān)系 弱 ;對(duì)摻鉺光纖具有高的泵浦效率;噪音系數(shù) 低等特點(diǎn),因此,它 是摻鉺光纖放大器 (Erbium DopedFiberAmplifier,簡(jiǎn)稱(chēng) EDFA)的最理想泵浦源。由于摻鉺光纖放大器其全光纖特點(diǎn),便于和光纖通訊系統(tǒng)連接,使其成為光放大器的主選器件。 高速印刷是大功率半導(dǎo)體激光器另一個(gè)有較大發(fā)展空間的應(yīng)用領(lǐng)域,傳統(tǒng)的印刷主要采用鹵素?zé)艄庠?,不僅不利于環(huán)境保護(hù),也不適用現(xiàn)代的高分辨率圖象的印刷,半導(dǎo)體激光器由于其價(jià)格及性能和可靠性方面的諸多優(yōu)勢(shì),使得其會(huì)在傳統(tǒng)的印刷業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 隨著高功率半導(dǎo)體激光器制備技術(shù)的不斷提高和價(jià)格的下降,材料處理與加工必然會(huì)成為大功率半導(dǎo)體激光器的最大應(yīng)用市場(chǎng)。 在醫(yī)療領(lǐng)域,半導(dǎo)體激光器作為熱源主要應(yīng)用于脫毛及外科中的組織切除與燒蝕手術(shù)。內(nèi)窺鏡輸出方式已經(jīng)成為醫(yī)療用半導(dǎo)體激光器的普遍功率輸出方式,對(duì)于某些特定工作波長(zhǎng)的高功率半導(dǎo)體激光器,光動(dòng)力學(xué)治療己經(jīng)成為癌癥治療的一種重要手段,這是因?yàn)橛卸喾N化學(xué)成分在 630770nm波段有光敏行為,利用腫瘤細(xì)胞中存 在的這些化學(xué)成分,采用激光激發(fā)以后可以有選擇性地殺傷腫瘤細(xì)胞 [2] 。并且也證明, 980nm波長(zhǎng)比 800nm 波長(zhǎng)更容易被水分子吸收,組織穿透深度小,能量更集中,對(duì)周?chē)M織損傷小,還具有很好的凝固止血效果。 1. 3 準(zhǔn)直技術(shù) 的意義與研究 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的意義 近年來(lái)由于多個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω吖β实男枨?,出現(xiàn)了輸出功率較高的半導(dǎo)體激光器列陣 ,由 多個(gè)激光發(fā)射單元構(gòu)成,由于非對(duì)稱(chēng)光波導(dǎo)的影響,每個(gè)激光器輸出的高斯光束在垂直于結(jié)平面方向和平行于結(jié)平面方向出現(xiàn)較大差別: ( 1) 兩個(gè)方向有較大的且不對(duì)稱(chēng)的發(fā)散角; ( 2) 兩個(gè)方向的束腰不在同一位置上,即存在固有象散; 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) ( 3) 遠(yuǎn)場(chǎng)為橢圓光斑。 目前,己經(jīng)有許多技術(shù)或方案被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)領(lǐng)域并取得一定的效果,但是,所有這些技術(shù)或方案都存在這樣或那樣的問(wèn)題,比如:有些技術(shù)整形效果很好但器件的加工卻非常困難從而限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用;而有些 技術(shù),雖然加工容易、取材方便,但其整形效果卻不太理想。 準(zhǔn)直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是光 電 系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分,其目的是要壓縮光束的發(fā)散角,并縮小子午方向和弧矢方向發(fā)散角之間的差距,使得激光器輸出的橢圓光斑整形為圓對(duì)稱(chēng)光斑。 國(guó)外方面: 2020 年,德國(guó)耶拿激光二極管公司對(duì)一種改進(jìn)的面陣激光整形系統(tǒng) 進(jìn)行了研究。 2020 年至 2020 年, Alabama 大學(xué)對(duì)激光束整形研究進(jìn)行研究。 2020 年,德國(guó) Fraunhofer 應(yīng)用光學(xué)與精密機(jī)械研究中心對(duì)半導(dǎo)體激光高亮度光纖耦合進(jìn)行了研究。 2020 年,重慶師范學(xué)院對(duì)“圓柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直性能的改進(jìn)”進(jìn)行了理論研究,仔細(xì)分析了半導(dǎo)體激光器快軸方向發(fā)散光束通過(guò)圓柱透鏡后的準(zhǔn)直特性、光強(qiáng)分布和光能轉(zhuǎn)換效率與圓柱透鏡的半徑、介質(zhì)折射率、介質(zhì)損耗、安裝距離等可調(diào)參數(shù)以及界面反射的關(guān)系。中國(guó)科 學(xué)院光電技術(shù)研究所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束光纖耦合進(jìn)行了研究,給出了激光束準(zhǔn)直、整形、聚焦及耦合的高功率半導(dǎo)體的光纖耦合方法,其耦合效率大于 53%。同年 ,西安電子科技大學(xué)對(duì)“大功率半導(dǎo)體激光整形技術(shù)”進(jìn)行了研究。該器件對(duì)光束發(fā)散進(jìn)行壓縮,得到7mm 7mm 的正方形均勻光斑,并且光強(qiáng)起伏小于 5%,在此范圍內(nèi)光能量占總的輻射能量的 77%。同年,西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院還對(duì)“雙半圓柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光光束”進(jìn)行了研究,理論上可將激光束 快軸方向發(fā)散角壓縮到 的量級(jí)。采用一種等腰直角棱鏡組的整形方法,可實(shí)現(xiàn)二維方向的光束質(zhì)量均勻化 [3] 。經(jīng)過(guò)整形的半導(dǎo)體激光器可以作為高功率固體激光器和光纖激光器的抽運(yùn)源使用。 圍繞上述主題思想,本文的具體章節(jié)安排如下: 第一章: 對(duì) 本論文的選題目的 及 研究意義 做簡(jiǎn)單介紹。 第三章 : 主要 分析 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論 。 第 五 章:全文總結(jié)。 1. 5 本章小結(jié) 本章 介紹了進(jìn)行“ 基于 980nm 半導(dǎo)體激光器 光束準(zhǔn)直系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)”選題的 目的 和研究意義。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 半導(dǎo)體激光器 2. 1 半導(dǎo)體激光器 的基本 原理 半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光 子 受 激輻射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱(chēng)。在正常狀態(tài)下,電子處于低能級(jí) 1E ,在入射光作用下,它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí) 2E 上,這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。在高能級(jí) E2 的電子,受到入射光的作用,被迫躍遷到低能級(jí) 1E 上與空穴復(fù)合,釋放的能量產(chǎn)生光輻射,這種躍遷稱(chēng)為受激輻射。 在半導(dǎo)體中,由于鄰近原子的作用,電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。 依照量子理論,在 熱平衡狀態(tài)下 電子按能量分布遵從 費(fèi) 米 狄拉克 分布 : ? ??????? ???TEEke x p11Epf ( ) 其中 k 為波茲曼常數(shù), T為熱力學(xué)溫度。 高能級(jí)占有的電子數(shù)比低能級(jí)的電子數(shù)少,因此總的來(lái)說(shuō)光被吸收。這就是激光作用的基本原理。要使激光器得到相干的、受激光輸出,須滿(mǎn)足 兩個(gè)條件,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。達(dá)到這一條件,有源工作物質(zhì)就具有增益。 在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上 施加正向電壓 , 產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng),結(jié)果能帶傾斜減小,擴(kuò)散增強(qiáng) [4] 。增 益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子,價(jià)帶主要是空穴,結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 閾值條件為: 211ln21 RRLath ???? () 其中 th? 為閾值增益系數(shù), a為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù), L 為諧振腔的長(zhǎng)度,1R 、 2R 1 為兩個(gè)反射鏡的反射率 。下面將要介紹幾個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。 1970 年基于此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 GaAlAs/GaAs 激射波長(zhǎng)為 ? m 的半導(dǎo)體激光器在室溫下連續(xù)工作。其結(jié)構(gòu)概略如圖 所示,在正向偏壓下,電子和空穴分別從寬帶隙的 N 區(qū)和 P 區(qū)注入有源區(qū).它們?cè)谠搮^(qū)的擴(kuò)散又分別受到PP 異質(zhì)結(jié)和 PN 異質(zhì)結(jié)的限制,從而可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平衡載流子濃度。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地解決了在垂直于結(jié)平 面方向?qū)d流子和光子的限制問(wèn)題。 ( 2) 條形激光器 條形結(jié)構(gòu)是激光器的閾值電流大幅降低 , 改善了近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng) , 縱模與橫模特性,提高了器件的可靠性。 實(shí)質(zhì)上,它只是限制電流流經(jīng)的通道,這種限制不可避免地存在注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)散。依照在橫向利用有源層與兩邊限制層折射率之差所形成的強(qiáng)的光波導(dǎo)效應(yīng),在平行結(jié)平面方向也設(shè)計(jì)了類(lèi)似的折射率波導(dǎo)。 量子阱半導(dǎo)體激光器 一般的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度 Jth與有源層厚度的關(guān)系如圖 所示,最佳的有源層厚度在 。而過(guò)薄的有源層厚度會(huì)因?yàn)楣鈭?chǎng)滲透逸散致使異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)能力減弱,使較多的光子損耗與有源層之外,閾值電流密度增加。 圖 雙異質(zhì)結(jié)激光器中的 Jth與有源層厚度的關(guān)系 60 年代末期,貝爾實(shí)驗(yàn)室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出,當(dāng)所生長(zhǎng)的晶體厚度薄到半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長(zhǎng) (約為 10nm)或電子平均自由程量級(jí) (約為 50nm)時(shí),這種超薄層晶體中的電子與塊狀晶體中的電子有完全不同的性質(zhì),即出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個(gè)寬帶隙勢(shì)壘薄層之間。 在 MQW 中 如果各阱之間的如果的電子波函數(shù)發(fā)生一定程度的交疊或耦合,則這樣的MQW 也就是超晶格就猶如在晶體中微觀(guān)粒子做周期有序排列一樣。量子阱電吸收調(diào)制器的調(diào)制帶寬可以在 10GHz 以上,而量子阱雪崩光電二極管的增益帶寬積可達(dá) 700Hz以上。 從 70 年代末期發(fā)展起來(lái)的這種激光器越來(lái)越顯示出它的優(yōu)越性。最初采取相通常雙異質(zhì)結(jié)類(lèi)似的結(jié)構(gòu),光子振蕩方向平行于襯底,因而稱(chēng)為平面腔。另一種結(jié)構(gòu)是通過(guò)微加工技術(shù)在有源層的一端制成 45o 反射面鏡,反射光從表面輸出,通過(guò)控制該面鏡的反射率來(lái)控制激光振蕩強(qiáng)度,如圖 (b)所示。況且,布喇格光柵反射光束的方向隨波長(zhǎng)變化,而 45o 面鏡結(jié)構(gòu)輸出光束質(zhì)量取決于該鏡的位置、方位和平整度。 2. 3 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn): ( 1)體積小、重量輕 、價(jià)格便宜。 半導(dǎo)體激光器是直接的電子 光子轉(zhuǎn)換器,因而它的轉(zhuǎn)換效率很高。 ( 3)室溫下可連續(xù)震蕩。可以通過(guò)選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 元化合物半導(dǎo)體各組員的組分,而得到范圍很廣的激射波長(zhǎng)以滿(mǎn)足不同需要。在這個(gè)范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長(zhǎng),能夠?qū)崿F(xiàn) 寬帶光放大器。 把信號(hào)重疊在驅(qū)動(dòng)電流上,在直流到 GHz 波段的寬頻范圍內(nèi),可以調(diào)制振蕩強(qiáng)度、相位和頻率。 用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。采用增益開(kāi)關(guān)和鎖模等方法,以簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就能獲得從 ns 到 ps 的超短光脈沖。 ( 10)可靠性高,使用壽命最長(zhǎng)??梢院凸馓綔y(cè)器、光調(diào)制器和電子電路元件集成在一個(gè)陳地上,得到高性能的單片集成器件。工作特性與溫度有顯著關(guān)系,環(huán)境溫度變化可引起激射。 ( 3) 容易產(chǎn)生噪聲。 輸出光由端面以放射形式發(fā)出成為發(fā)散光,要獲得平行光必須要有外部透鏡。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 半導(dǎo)體激光器 的 光束準(zhǔn)直 理論 半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量非常差,所以在半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)其光束的準(zhǔn)直以提高其光束質(zhì)量是一件非常重要的事情,這也是本文的主要工作。 3. 1 半導(dǎo)體激光器的 光束特性 由于半導(dǎo)體激光器的特殊 結(jié) 構(gòu),造成了其光束與其他激光極為不同的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。 ( a)垂直于結(jié)平面方向的光束 ( b)平行于結(jié)平面方向的光束 圖 激光器輸出光束模型 對(duì)于一個(gè)發(fā)射極而言,由于在平行面方向發(fā)光區(qū)尺寸很大, 大約為 m?500~100 (具體數(shù)值由輸出功率決定 ), 此方向激光器不再會(huì)是處于基橫模工作狀態(tài),在遠(yuǎn)場(chǎng)一般表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)。 3. 2 高斯 光束 的基本 理論 激光是一種光線(xiàn)束,它的幅射照 度 (或光強(qiáng) )的分布是呈高斯型的,因此稱(chēng)之高斯光束。 由于透鏡的變換作用只改變相 位 而不改變光強(qiáng)的分布,
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