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大功率半导体激光器具有输出功率高、体积小、重量轻、泵浦效率高等优点,逐渐成为固体/光纤激光器的主要泵浦源。由于固体/光纤激光器中掺杂离子的吸收峰谱宽比较窄,而半导体激光器的发射波长会工作电流和器件温度改变而变化,不仅会影响泵浦效率,还会影响固体/光纤激光器的稳定性和可靠性,已经成为限制半导体激光器泵浦源发展的主要因素。为解决这一问题,必须提高半导体激光器发射波长的稳定性,即降低半导体激光器发射波长随工作电流和器件温度的漂移系数。本论文针对半导体激光器的波长稳定性问题,选取典型的大功率半导体激光器泵浦源——808nm和980nm激光器进行了波长稳定性研究,主要取得了以下研究成果:
1.从理论上详细分析了半导体激光器发射波长随工作电流和器件温度漂移的产生机理。随着激光器工作电流的增大,激光器有源区带隙收缩,折射率变化；随着激光器器件温度的增高,激光器的增益谱发生变化,最终导致半导体激光器发射波长随工作电流和器件温度发生漂移。通过理论模拟,得出阈值电流为300mA的典型半导体激光器的发射波长随工作电流的漂移系数为:808nm激光器1nm/A,980nm激光器1.2nm/A。典型半导体激光器泵浦源的发射波长随器件温度的漂移系数为:808nm激光器0.228nm/K,980nm激光器0.306nm/K。
2.从理论上详细分析了透射型和反射型体全息光栅(VHG)锁定激光器波长的工作机理,并系统讨论了这两类VHG的波长选择性和角度选择性。在理论分析的基础上使用VHG对808nm大功率半导体激光器单管和列阵进行了波长锁定实验,使单管和列阵的发射波长随工作电流的漂移系数有原来的1.3-1.4nm/A减小到近似为零,列阵的发射波长随器件温度的漂移系数由原来的0.25nm/K降低到大约0.012nm/K,列阵的输出功率降低为原来的86％。
3.结合耦合波理论推导出DFB激光器的耦合系数,并详细研究了不同形状光栅对耦合系数的影响,确定了耦合系数的通用计算公式。在国内首次详细分析了腔面反射率对DFB激光器性能的影响,给出了不同腔面反射率对DFB激光器耦合强度kL、阈值增益gL和激光器内部光强的影响,确定出耦合强度为优化DFB激光器光栅参数的依据。在使大功率DFB激光器内部光强沿腔长方向的分布近似均匀的同时又使其边模抑制比尽可能大时,确定出大功率DFB激光器的优化条件为:内置光栅参数耦合强度xL=1,前腔面反射率近似为零。
4.在实验中通过调节实验参数,优化了DFB激光器中光栅制备工艺和二次外延生长工艺,在实验中得到了符合要求的DFB激光器内置光栅。在国内首次将DFB引入大功率宽条形半导体激光器,结合了宽条激光器输出功率高和衍射光栅波长锁定效果好的优点,并在国内首次制备出锁定效果良好的大功率宽条980nm DFB激光器,此宽条DFB激光器单管腔长2.4mm,发光条宽100μm,当器件温度为15℃、工作电流为1.7A时,该DFB激光器的最大出光功率为400mw,效率为0.41W/A,工作波长为954nm,通过测试单管在不同工作电流和不同器件温度条件下的P-V-I特性,发射波长随工作电流的漂移系数由原来的1.8nm/A降低到0.067nm/A,发射波长随器件温度的漂移系数由原来的0.35nm/K降低到0.046nm/K。
5.在后续工作中,将优化激光器前腔面镀膜条件,继续制备大功率808nmDFB激光器,并采用纳米压印制备DFB激光器的内置光栅。