光泵浦VECSELs设计理论、制备工艺与实验研究

摘要

光泵浦VECSELs是一种以半导体增益结构材料为激光介质的半导体激光泵浦半导体增益介质的全固态激光器。它结合了半导体泵浦固体激光器和传统电泵浦VCSELs的构造方法，具有高输出功率、高转换效率、高光束质量及宽光谱调谐范围等优点。正是由于这些突出优点而使得光泵浦VECSELs在高速激光打印、光信息存储、激光通信与目标探测、刑事侦查、生物化学与材料分析、临床医疗及影像显示等诸多领域具有广泛的应用前景。
　　本文在综述光泵浦VECSELs的产生和发展过程的基础上，详细介绍了光泵浦VECSELs的基本原理和典型结构，系统阐述了VECSEL芯片制备的材料体系，对其中的核心部件-半导体增益介质VECSEL芯片的设计理论和设计过程开展了深入研究;基于VECSEL芯片的设计结构和光泵浦VECSELs的工作特性，研究了VECSEL芯片的外延生长和芯片封装制备工艺;基于有限元计算分析方法，深入研究了光泵浦VECSELs的热特性;基于速率方程理论，建立了光泵浦VECSELs的理论模型，分析了光泵浦VECSELs谐振腔结构，开展了光泵浦VECSELs的实验研究。
　　从半导体能带理论出发，介绍了不同半导体材料设计和生长过程中的晶格失配度及厚度加权和零应变平衡方法。给出了半导体增益介质VECSEL芯片的典型结构，基于多光束干涉理论和光学传播矩阵，建立了布拉格反射镜反射率和反射镜带宽的方程，分析了反射镜对数和材料折射率差对布拉格反射镜反射率的影响;采用((HL)DH)N排列形式，设计了808nm和980nm双反射带反射镜，分别获得99.991％和99.959％的反射率。研究了In组份、P组份和量子阱宽对输出波长的影响，从模型固体理论出发，结合k.p理论、Pikus-Bir理论和驻波条件，提出一种应变量子阱对称补偿方法，通过在InGaAs量子阱两侧对称生长GaAsP材料层实现对量子阱压应变的良好补偿，设计了13周期应变对称补偿InGaAs量子阱结构的980nmVECSEL外延片。给出了VECSEL芯片制备工艺过程，基于分子束外延生长技术，开展了980nmVECSEL外延片的结构生长，经过对所生长VECSEL外延片的性能参数进行测试，结果表明达到了预期的设计要求。采用机械抛光和化学腐蚀相结合的减薄方式，研究了VECSEL外延片减薄工艺，研究了VECSEL芯片和散热片金属化及铟焊封装工艺。
　　从光泵浦VECSELs的废热产生机理出发，建立了光泵浦VECSELs的热分析模型。从速率方程理论出发，建立了光泵浦VECSELs的理论模型，给出了光泵浦VECSELs的阈值条件和输出功率特性，并进行了数值模拟。基于等价腔分析方法，建立了光泵浦VECSELs的谐振腔模型，给出了VECSEL芯片和输出镜表面的基模光斑随谐振腔腔长的变化情况。首次建立了双反射带反射镜结构VECSEL芯片有源区内部热载荷的分布方程，分别对比研究了单、双反射带反射镜反射率和厚度相同情况下VECSEL芯片的热特性，结果表明双反射带反射镜结构VECSEL芯片的热特性明显优于单反射带反射镜结构VECSEL芯片的热特性。
　　针对VECSEL芯片封装方式差异对芯片热特性的影响，提出VECSEL芯片双面键合散热片封装工艺及方法，研究了双面键合散热片结构VECSEL芯片的热特性，并从实验上进行了验证，结果表明双面键合散热片芯片封装方式有效改善了激光器的热特性。开展了泵浦光入射方向、芯片热管理方式、芯片工作温度等差异的实验研究，在工作温度为10℃时，最大获得了4.6W978nm光泵浦VECSELs激光输出，光光转换效率达到29.7％。为了从泵浦光束分布的角度来提高对光泵浦VECSELs的热管理，首次将环形光束的应用引入到激光器的泵浦领域，深入研究了环形光束参数对VECSEL芯片热特性的影响，通过光泵浦实验，在室温下获得4.64W激光输出。研究结果表明:在同等工作条件下，与高斯光束泵浦VECSELs相比，环形光束泵浦VECSELs的阈值较高，但其出现热翻转效应相对延迟，允许注入更大的有效泵浦功率，最大输出功率相应得到提高。研究了光泵浦VECSELs声光调Q激光器的输出功率特性，通过在腔内置入倍频晶体开展了连续运转和准连续运转情况下的腔内倍频实验研究，最大分别获得了0.61W和0.86W489nm激光输出。

目录

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摘要

第一章 引论

1．1 研究意义

1．2 光泵浦VECSELs的发展过程与研究现状

1．3 光泵浦VECSELs的基本原理、结构与材料体系

1．4 光泵浦VECSELs的应用

1．5 本文主要研究内容

1．6 小结

参考文献

第二章 VECSEL外延片结构设计

2．1 设计理论基础

2．2 反射镜设计

2．3 有源区设计

2．4 缓冲层与帽层设计

2．5 VECSEL外延片结构参数

2．6 小结

参考文献

第三章 VECSEL芯片制备工艺研究

3．1 VECSEL外延片生长与测试

3．2 VECSEL外延片减薄工艺研究

3．3 散热片或VECSEL芯片表面金属化及铟焊封装工艺研究

3．4 VECSEL芯片表面键合散热片工艺研究

3．5 小结

参考文献

第四章 光泵浦VECSELs热特性研究

4．1 光泵浦VECSELs的废热产生机理与热分析模型

4．2 芯片封装方式差异对VECSEL芯片热特性的影响研究

4．3 布拉格反射镜结构差异对VECSEL芯片热特性的影响研究

4．4 泵浦光束分布差异对VECSEL芯片热特性的影响研究

4．5 小结

参考文献

第五章 光泵浦VECSELs的理论模拟与实验研究

5．1 光泵浦VECSELs的理论模型、数值模拟与等价腔分析

5．2 高斯分布光束泵浦VECSELs实验研究

5．3 环形光束泵浦VECSELs实验研究

5．4 光泵浦VECSELs腔内调制实验研究

5．5 小结

参考文献

第六章 结论与展望

结论

展望

攻读博士学位期间参加的科研工作及取得的成果

攻读博士学位期间发表学术论文与申报专利情况

致谢