【摘 要】
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热管理技术在现代光电子领域是极为重要的一部分。垂直外腔面发射激光器（vertical-external-cavity surface-emitting lasers,VECSELs）综合了固体激光器与半导体激光器的优良性能,能同时获得较高的输出功率及理想的光束质量,且发射波长可以根据实际需要进行设计,在自由空间光通信、非线性频率变换、激光光谱学等方面具有重要应用。与其他任何种类激光器一样,VECS
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热管理技术在现代光电子领域是极为重要的一部分。垂直外腔面发射激光器（vertical-external-cavity surface-emitting lasers,VECSELs）综合了固体激光器与半导体激光器的优良性能,能同时获得较高的输出功率及理想的光束质量,且发射波长可以根据实际需要进行设计,在自由空间光通信、非线性频率变换、激光光谱学等方面具有重要应用。与其他任何种类激光器一样,VECSELs的功率限制主要来源于芯片的热效应。高功率VECSELs通常采用的散热方法是在芯片前端面键合散热窗口或在后端面键合热沉。由于CVD金刚石优秀的热导特性,室温下热导率大约2000W/m K,是铜的五倍,与传统铜块热沉相比,使用金属化后的金刚石做热沉键合后会具有更好的性能。然而金刚石的晶格结构特殊,表面没有悬浮的化学键,在通常情况下不会与任何的金属及非金属发生反应,因此使用普通焊料无法将金刚石与增益芯片进行焊接封装。实验利用磁控溅射技术,在金刚石基底上沉积60nm的钛、60nm的铂和200nm的金。在扩散过程中,与传统电子束蒸发相比,磁控溅射具有沉积膜层相对平整,膜层附着力较强等优点。初步试验结果表明,当使用铜作热沉的VECSELs能获得的最高输出功率为0.5W时,使用金刚石热沉可以获得的最高的输出功率达1.9W,即金刚石热沉能把VECSELs的最大输出功率提升约4倍。论文首先对垂直外腔面发射激光器的发展及现状进行了简要阐述,简述了垂直外腔面发射激光器与传统的固体激光器和半导体激光器相比所具备的优点,以及国内外关于外腔面发射激光器封装所采用的不同的方法及成果。论文就半导体激光器的发光原理进行了简要阐述,简单介绍了外腔面发射激光器的发光条件以及增益芯片的基本结构,着重介绍了外腔面发射激光器增益芯片的分布式布拉格反射镜的结构及反射率、量子阱的组成及特性。其次,论文介绍了外腔面发射激光器整体的封装过程,从芯片前期制备、解理、清洗、后端金属化,到热沉的选择、预处理、金属化处理,再到焊料的选择、清洗、蒸镀,通过甲酸还原焊接的方法,完成外腔面发射激光器增益芯片的封装,最后通过基质刻蚀的后期腐蚀处理,去除增益芯片Ga As基质,减小增益芯片工作时的热阻。通过观察分析CVD金刚石表面膜层的情况以及封装的外腔面发射激光器的输出特性情况,确定最终的封装工艺。论文最后对光泵浦外腔面发射激光器的功能进行了拓展,分别用Cr4+:YAG晶体和半导体可饱和吸收镜SESAM作为可饱和吸收介质,获得了稳定的调Q脉冲输出。使用Cr4+:YAG晶体时,调Q脉冲的宽度为10μs,脉冲重复频率为26.3k Hz。在相同的脉冲重复频率下,用半导体可饱和吸收镜所获得的调Q脉冲宽度为8μs。基于外腔面发射激光器中增益芯片的量子结构,以及Cr4+:YAG晶体和半导体可饱和吸收镜各自的时间特性,分析讨论了两种不同的可饱和吸收介质作用下,外腔面发射激光器中调Q脉冲的形成过程,初步清晰了外腔面发射激光器这一特殊种类的激光器中与调Q过程相关的物理图像。
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