李钱:外腔锥形半导体激光技术研究论文

李钱:外腔锥形半导体激光技术研究论文

本文主要研究内容

作者李钱(2019)在《外腔锥形半导体激光技术研究》一文中研究指出:200nm-250nm波长的中(深)紫外激光在生物检测方面发挥着极其重要的作用,在探测战场或大规模恐怖袭击中可能出现的化学与生物战剂时,能很好地帮助目标的确认和分析。为取代军事上使用的体积庞大、价格昂贵的紫外探测系统,开发出结构紧凑、性能可靠、高效率低成本、便携式的紫外探测设备具有极大的应用潜力。固态紫外激光器,作为紫外激光产生的最佳方案之一,具有光束质量高、输出功率稳定和低噪声等优良特性。其中半导体激光器,由于其波长取决于增益介质的量子阱特性,克服了固体激光基频光波长只有有限几种选择的困难,可以实现200nm-250nm窄线宽连续可调谐中(深)紫外激光。但由于单频单模半导体激光器的输出功率还是受限,国外出现了各种采用锥形半导体激光器实现激光放大的结构。本文基于中国工程物理研究院院长基金课题《中紫外基金课题》,以锥形半导体激光器为主要实验器件,针对三种腔型结构:种子注入式、Littrow外腔反馈结构、环形腔结构,实现可调谐、窄线宽、高光束质量、高功率的激光输出,为四倍频产生中(深)紫外(<250nm)可调谐窄线宽(<0.01nm)激光提供基频源。主要研究内容包括:1.介绍了锥形半导体激光器和三种腔型结构激光器在国内外发展的现状和趋势,分析概述了锥形半导体激光器和三种腔型的结构特性;2.对三种结构的锥形半导体激光器的工作原理进行了分析,讨论了实验实现的关键和难点,设计分析了实验系统;3.成功实现了三种结构锥形半导体激光器的激光输出,并实验测试了三种结构的锥形半导体激光器的输出特性(光谱特性、功率特性、线特性、光束质量、波长可调谐性等)。以下是三种结构锥形半导体激光器的实验成果和比较分析。锥形半导体激光放大器主要采用激光特性较好的种子光,注入到锥形波导放大器中,实现激光功率的放大。本文实现了最大输出功率为1.3W,波长为910nm-930nm,线宽保持在640fm-800fm的单频、可调谐激光输出,研究了锥形半导体放大系统输出功率和注入电流以及种子光功率的变化关系。外腔锥形半导体激光器是在锥形半导体激光器的外部引入光栅外腔,在激光器的前、后端面镀反射率不同的膜,使外反馈元件和半导体芯片端面构成外腔。本文利用光栅外腔锁定波长、压窄线宽,实现了室温连续泵浦下一系列中心波长为927nm,可调谐范围大于20nm,线宽<980fm的单频激光输出。当注入电流为4A时,获得最大输出功率1.906W,电光效率21.7%,线宽为700fm,光束质量(M2)在快、慢轴方向分别为1.948和 3.788。环形腔锥形半导体激光器是在光栅外腔锥形半导体激光器的基础上,将腔型做成闭合状态,实现激光的环形振荡。本文研究设计了环形腔光栅锥形半导体激光器,并成功实现了全反射镜的环形腔锥形半导体激光器的出光,当形成环形腔时,激光器阈值电流约为1.2A,斜效率为0.286W/A;当注入电流增大到4A时,输出激光功率达到805mW,电光效率10.1%。总的来说,锥形半导体激光放大器虽然结构简单,易于实现,但单通结构对功率放大有限。并且,种子源的选取对获得窄线宽、波长可调谐、高光束质量的激光输出至关重要,采用具有良好激光特性的种子光是该实验的关键。而外腔锥形半导体激光器引入了光栅外腔,选用合适的闪耀光栅,不仅可以避免额外的内腔振荡,解决锥形区模式不稳定和光灾变效应损伤激光光束质量等问题,还可以进一步压窄线宽,实现波长的可调谐。并且,引入外腔,激光持续振荡能获得更大的输出功率。环形外腔锥形半导体激光器同光栅外腔直腔结构相比,避免了多模振荡和后腔面烧毁的问题,进一步保证了稳频和高光束质量的激光输出。与锥形半导体放大器相比,激光环形振荡,输出功率更大。但整个系统搭设难度大,表面反射腔的耦合注入设计复杂,且不易调节。本文的创新点:本文通过耦合仿真设计和亚微米量级六维高精度空间对准调节,实现了种子光和锥形波导放大器的高效耦合,和国内相关研究成果相比,激光放大倍数达到20.21dB。另外,本文是国内首次将光栅外腔结构应用到锥形半导体激光器上,采用衍射光栅锁定波长、压窄线宽,利用外腔的持续振荡实现了可调谐、窄线宽、高光束质量、高功率的激光输出,激光约2W,波长可调谐范围915-935nm,线宽700-980fm,快、慢轴方向的M2分别为1.948和3.788。

Abstract

200nm-250nmbo chang de zhong (shen )zi wai ji guang zai sheng wu jian ce fang mian fa hui zhao ji ji chong yao de zuo yong ,zai tan ce zhan chang huo da gui mo kong bu xi ji zhong ke neng chu xian de hua xue yu sheng wu zhan ji shi ,neng hen hao de bang zhu mu biao de que ren he fen xi 。wei qu dai jun shi shang shi yong de ti ji pang da 、jia ge ang gui de zi wai tan ce ji tong ,kai fa chu jie gou jin cou 、xing neng ke kao 、gao xiao lv di cheng ben 、bian xie shi de zi wai tan ce she bei ju you ji da de ying yong qian li 。gu tai zi wai ji guang qi ,zuo wei zi wai ji guang chan sheng de zui jia fang an zhi yi ,ju you guang shu zhi liang gao 、shu chu gong lv wen ding he di zao sheng deng you liang te xing 。ji zhong ban dao ti ji guang qi ,you yu ji bo chang qu jue yu zeng yi jie zhi de liang zi jing te xing ,ke fu le gu ti ji guang ji pin guang bo chang zhi you you xian ji chong shua ze de kun nan ,ke yi shi xian 200nm-250nmzhai xian kuan lian xu ke diao xie zhong (shen )zi wai ji guang 。dan you yu chan pin chan mo ban dao ti ji guang qi de shu chu gong lv hai shi shou xian ,guo wai chu xian le ge chong cai yong zhui xing ban dao ti ji guang qi shi xian ji guang fang da de jie gou 。ben wen ji yu zhong guo gong cheng wu li yan jiu yuan yuan chang ji jin ke ti 《zhong zi wai ji jin ke ti 》,yi zhui xing ban dao ti ji guang qi wei zhu yao shi yan qi jian ,zhen dui san chong qiang xing jie gou :chong zi zhu ru shi 、Littrowwai qiang fan kui jie gou 、huan xing qiang jie gou ,shi xian ke diao xie 、zhai xian kuan 、gao guang shu zhi liang 、gao gong lv de ji guang shu chu ,wei si bei pin chan sheng zhong (shen )zi wai (<250nm)ke diao xie zhai xian kuan (<0.01nm)ji guang di gong ji pin yuan 。zhu yao yan jiu nei rong bao gua :1.jie shao le zhui xing ban dao ti ji guang qi he san chong qiang xing jie gou ji guang qi zai guo nei wai fa zhan de xian zhuang he qu shi ,fen xi gai shu le zhui xing ban dao ti ji guang qi he san chong qiang xing de jie gou te xing ;2.dui san chong jie gou de zhui xing ban dao ti ji guang qi de gong zuo yuan li jin hang le fen xi ,tao lun le shi yan shi xian de guan jian he nan dian ,she ji fen xi le shi yan ji tong ;3.cheng gong shi xian le san chong jie gou zhui xing ban dao ti ji guang qi de ji guang shu chu ,bing shi yan ce shi le san chong jie gou de zhui xing ban dao ti ji guang qi de shu chu te xing (guang pu te xing 、gong lv te xing 、xian te xing 、guang shu zhi liang 、bo chang ke diao xie xing deng )。yi xia shi san chong jie gou zhui xing ban dao ti ji guang qi de shi yan cheng guo he bi jiao fen xi 。zhui xing ban dao ti ji guang fang da qi zhu yao cai yong ji guang te xing jiao hao de chong zi guang ,zhu ru dao zhui xing bo dao fang da qi zhong ,shi xian ji guang gong lv de fang da 。ben wen shi xian le zui da shu chu gong lv wei 1.3W,bo chang wei 910nm-930nm,xian kuan bao chi zai 640fm-800fmde chan pin 、ke diao xie ji guang shu chu ,yan jiu le zhui xing ban dao ti fang da ji tong shu chu gong lv he zhu ru dian liu yi ji chong zi guang gong lv de bian hua guan ji 。wai qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi shi zai zhui xing ban dao ti ji guang qi de wai bu yin ru guang shan wai qiang ,zai ji guang qi de qian 、hou duan mian du fan she lv bu tong de mo ,shi wai fan kui yuan jian he ban dao ti xin pian duan mian gou cheng wai qiang 。ben wen li yong guang shan wai qiang suo ding bo chang 、ya zhai xian kuan ,shi xian le shi wen lian xu beng pu xia yi ji lie zhong xin bo chang wei 927nm,ke diao xie fan wei da yu 20nm,xian kuan <980fmde chan pin ji guang shu chu 。dang zhu ru dian liu wei 4Ashi ,huo de zui da shu chu gong lv 1.906W,dian guang xiao lv 21.7%,xian kuan wei 700fm,guang shu zhi liang (M2)zai kuai 、man zhou fang xiang fen bie wei 1.948he 3.788。huan xing qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi shi zai guang shan wai qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi de ji chu shang ,jiang qiang xing zuo cheng bi ge zhuang tai ,shi xian ji guang de huan xing zhen dang 。ben wen yan jiu she ji le huan xing qiang guang shan zhui xing ban dao ti ji guang qi ,bing cheng gong shi xian le quan fan she jing de huan xing qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi de chu guang ,dang xing cheng huan xing qiang shi ,ji guang qi yu zhi dian liu yao wei 1.2A,xie xiao lv wei 0.286W/A;dang zhu ru dian liu zeng da dao 4Ashi ,shu chu ji guang gong lv da dao 805mW,dian guang xiao lv 10.1%。zong de lai shui ,zhui xing ban dao ti ji guang fang da qi sui ran jie gou jian chan ,yi yu shi xian ,dan chan tong jie gou dui gong lv fang da you xian 。bing ju ,chong zi yuan de shua qu dui huo de zhai xian kuan 、bo chang ke diao xie 、gao guang shu zhi liang de ji guang shu chu zhi guan chong yao ,cai yong ju you liang hao ji guang te xing de chong zi guang shi gai shi yan de guan jian 。er wai qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi yin ru le guang shan wai qiang ,shua yong ge kuo de shan yao guang shan ,bu jin ke yi bi mian e wai de nei qiang zhen dang ,jie jue zhui xing ou mo shi bu wen ding he guang zai bian xiao ying sun shang ji guang guang shu zhi liang deng wen ti ,hai ke yi jin yi bu ya zhai xian kuan ,shi xian bo chang de ke diao xie 。bing ju ,yin ru wai qiang ,ji guang chi xu zhen dang neng huo de geng da de shu chu gong lv 。huan xing wai qiang zhui xing ban dao ti ji guang qi tong guang shan wai qiang zhi qiang jie gou xiang bi ,bi mian le duo mo zhen dang he hou qiang mian shao hui de wen ti ,jin yi bu bao zheng le wen pin he gao guang shu zhi liang de ji guang shu chu 。yu zhui xing ban dao ti fang da qi xiang bi ,ji guang huan xing zhen dang ,shu chu gong lv geng da 。dan zheng ge ji tong da she nan du da ,biao mian fan she qiang de ou ge zhu ru she ji fu za ,ju bu yi diao jie 。ben wen de chuang xin dian :ben wen tong guo ou ge fang zhen she ji he ya wei mi liang ji liu wei gao jing du kong jian dui zhun diao jie ,shi xian le chong zi guang he zhui xing bo dao fang da qi de gao xiao ou ge ,he guo nei xiang guan yan jiu cheng guo xiang bi ,ji guang fang da bei shu da dao 20.21dB。ling wai ,ben wen shi guo nei shou ci jiang guang shan wai qiang jie gou ying yong dao zhui xing ban dao ti ji guang qi shang ,cai yong yan she guang shan suo ding bo chang 、ya zhai xian kuan ,li yong wai qiang de chi xu zhen dang shi xian le ke diao xie 、zhai xian kuan 、gao guang shu zhi liang 、gao gong lv de ji guang shu chu ,ji guang yao 2W,bo chang ke diao xie fan wei 915-935nm,xian kuan 700-980fm,kuai 、man zhou fang xiang de M2fen bie wei 1.948he 3.788。

论文参考文献

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  • 论文详细介绍

    论文作者分别是来自中国工程物理研究院的李钱,发表于刊物中国工程物理研究院2019-11-12论文,是一篇关于锥形半导体激光器论文,外腔半导体激光器论文,锥形半导体放大器论文,光栅外腔半导体激光器论文,中国工程物理研究院2019-11-12论文的文章。本文可供学术参考使用,各位学者可以免费参考阅读下载,文章观点不代表本站观点,资料来自中国工程物理研究院2019-11-12论文网站,若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权,请联系我们删除。

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