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高光束质量大功率垂直腔面发射激光器

中国激光 2024年第8期51卷 1-6页

作者：闫观鑫郝永芹长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022

采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光场分布,解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明:新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流,特别是输出功率... 详细信息

采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光场分布,解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明:新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流,特别是输出功率较传统结构提高了近56%,且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。

关键词：激光器垂直腔面发射激光器高功率光场分布光束质量

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表面高阶曲线光栅半导体激光器横模特性分析

中国激光 2024年第8期51卷 38-45页

作者：梁宏进邹永刚范杰付曦瑶史可田锟长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022

半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用,其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器,刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗,同时设置宽... 详细信息

半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用,其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器,刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗,同时设置宽脊电流限制注入结构,使得高阶横模激射阈值高于基横模阈值,从而改善器件的横模特性并压窄光谱线宽。利用温控模块将器件的工作温度控制为18℃,对腔长为2 mm、条宽为500μm的器件进行测试,在0.5 A电流下测得慢轴发散角为5.3°,快轴发散角为29.2°,在1 A驱动电流下测得3 dB光谱线宽为0.173 nm,边模抑制比为22.6 dB。实验结果表明,表面高阶曲线光栅对宽脊波导半导体激光器中的高阶横模起到了抑制作用且能够压窄光谱线宽,有助于实现半导体激光器的单模稳定输出,同时器件采用紫外光刻工艺,大幅降低了器件的制备难度。

关键词：激光器半导体激光器高阶布拉格光栅曲线光栅高阶横模远场发散角

可编程门阵列WM-TDLAS气体检测系统设计及应用

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光电工程 2024年第4期51卷 77-86页

作者：张鑫邱海峰兰嘉琪胡琴张贺长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022

本文基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)快速处理数字信号及多线程优势,结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱(WM-TDLAS)技术,研制可编程门阵列WM-TDLAS二氧化碳浓度检测系统。根据应用功能需求,利用FPGA芯片... 详细信息

本文基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)快速处理数字信号及多线程优势,结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱(WM-TDLAS)技术,研制可编程门阵列WM-TDLAS二氧化碳浓度检测系统。根据应用功能需求,利用FPGA芯片的逻辑门阵列可编程特性,设计了具备信号采集及调制、谐波解调功能的数字化锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)。为验证其性能进行谐波提取测试、Q值、抗噪声实验,结果表明目标频率提取线性度达99.99%,Q值可达45。在对不同信噪比信号进行谐波提取实验中,当信噪比为43 dB时,均值最大相对误差仅为0.91%。采用中心波长1572 nm分布式反馈激光器作为光源,覆盖选定的6360 cm−1处吸收线,密集多通气体吸收池有效光程14 m,开展了气体浓度检测实验。系统检测浓度与二次谐波幅值拟合线性度为99.982%,通过提升扫描波长频率,系统可在0.1 s获取浓度值。艾伦(Allan)方差结果表明,当积分时间为44 s时,系统的检测下限为1.86 ppm。实验结果表明,该可编程门阵列WM-TDLAS检测系统具有检测精度高、响应速度快、稳定性强和小型化的特点,可用于实际应用中浓度实时监测。

关键词：光谱学可编程逻辑门阵列波长调制光谱数字锁相放大器气体检测

基于VCSEL阵列的多材料复合热沉结构的热特性分析

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激光与光电子学进展 2024年

作者：王晨昕邹永刚范杰石琳琳岳钰新宋英民梁宏进长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室

为了改善垂直腔面发射半导体激光器阵列的散热性能以及降低器件中各个发光单元之间的温差，从而提高器件的输出功率和出光均匀性，提出了一种将两种热导率有明显差异的材料填充于过渡热沉的新型散热结构。利用有限元分析软件，在传统的... 详细信息

为了改善垂直腔面发射半导体激光器阵列的散热性能以及降低器件中各个发光单元之间的温差，从而提高器件的输出功率和出光均匀性，提出了一种将两种热导率有明显差异的材料填充于过渡热沉的新型散热结构。利用有限元分析软件，在传统的碳化硅过渡热沉中加入多沟槽结构并进行铜金刚石材料和氮化铝材料的填充。通过对多个沟槽内填充材料以及刻蚀深度的热仿真分析，探索了阵列器件中各单元温度随参数变化的规律。最后对结构参数加以优化设计了一种新型散热结构，相较于传统散热结构，器件的整体输出功率提升了14.2%。仿真新型结构封装阵列器件的温度分布可知，各个发光单元之间的最高温差由最初的10.94K降至0.15K。

关键词：垂直腔面发射半导体激光器有限元分析散热过渡热沉

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1.06μm高功率单模半导体激光器

光电子·激光 2024年

作者：赵仁泽高欣薄报学长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室

1.06 μm高功率单模半导体激光器具有广泛的应用。本文设计制作了一种1.06 μm窄脊半导体激光器，经过计算发现脊波导的深度是影响侧向模式的关键因素，刻蚀深度越深能减小电流的侧向扩散防止高阶模产生，还能提高脊与两边的折射率差，... 详细信息

1.06 μm高功率单模半导体激光器具有广泛的应用。本文设计制作了一种1.06 μm窄脊半导体激光器，经过计算发现脊波导的深度是影响侧向模式的关键因素，刻蚀深度越深能减小电流的侧向扩散防止高阶模产生，还能提高脊与两边的折射率差，增强波导对光场的限制，减小光场的侧向尺寸提高光束质量。通过优化刻蚀参数实现了侧壁陡直、脊两边无残留物且片子表面没有副产物的脊波导深刻蚀，并在输出端引入一小段非注入区以提高灾变性光学损伤(catastrophic optical damage， COD)阈值。对器件单管进行测试，实现了注入电流为500 mA时，慢轴方向光束质量因子M2=1.48，200 mW单模输出。研究结果可对单模半导体激光器的设计提供参考。

关键词：半导体激光器深刻蚀非注入区高光束质量高功率

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光电量子器件研究进展(封面文章·特邀)

红外与激光工程 2024年第1期53卷 1-16页

作者：宋海智张子昌周强邓光伟代千王浟西南技术物理研究所量子研究中心四川成都610046 电子科技大学基础与前沿研究院四川成都611731 长春理工大学高功率半导体激光器实验室吉林长春130013

量子科技的发展多年来得到了光电技术的有力支撑,笔者团队由此进行了一系列光电量子器件的研究和开发。为在光纤量子通信中实现单光子信号的按需产生,笔者设计了几种微纳柱型光腔-量子点单光子源;发展了频分复用技术,研制了高纯度、高... 详细信息

量子科技的发展多年来得到了光电技术的有力支撑,笔者团队由此进行了一系列光电量子器件的研究和开发。为在光纤量子通信中实现单光子信号的按需产生,笔者设计了几种微纳柱型光腔-量子点单光子源;发展了频分复用技术,研制了高纯度、高全同的宣布式单光子源;利用GaN缺陷的单光子特性,制备了室温量子随机数发生器。笔者优化周期极化铌酸锂的级联波导结构设计,大幅提升了通信波段量子纠缠光源性能,使保真度高于97%,噪声特性提高10倍;设计和制备Si3N4微环腔纠缠源器件,实现了99%的干涉可见度,展示了芯片集成量子光源的技术可行性;应用所制备的纠缠光源,实现了数十千米光纤基量子密钥分发和量子隐形传态。笔者发展了单光子探测器制造工程,研制了用于太阳光谱量子测量的低噪声高速雪崩单光子探测器和用于量子成像的128×32及以上规模的雪崩焦平面单光子探测器。笔者制备了光纤基量子存储器,实现了1 650个光子模式的有效存储;研究了光机械量子器件的原理机制,探索了纳米光机电系统用于量子精密测量的技术前景。希望以上综述为未来量子信息网络的发展提供研究参考和技术储备。

关键词：光电子学量子器件量子信息单光子量子纠缠量子网络

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高功率大芯径环形光斑可调信号合束器的研究

中国激光 2024年第8期51卷 23-31页

作者：万志强杨瑷碧杨光华于珊胡紫晔唐吉龙魏志鹏长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528437 深圳市杰普特光电股份有限公司广东深圳518110

针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题,设计了一种光斑可调的信号合束器,首次以50μm/70μm/600μm/620μm/660μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤,基于光束非相干合成技术,通过RSoft软件对合束器进... 详细信息

针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题,设计了一种光斑可调的信号合束器,首次以50μm/70μm/600μm/620μm/660μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤,基于光束非相干合成技术,通过RSoft软件对合束器进行了模拟仿真,分析了其模场变化情况,设计的合束器满足绝热拉锥以及亮度守恒两个原则,调控拉锥比(TR)使其可以实现中心和外环独立工作。采用套管法将7根25μm/250μm光纤耦合到一起形成熔锥光纤束,再将其与输出光纤进行熔接,制成了高功率大芯径环形光斑可调信号合束器。此光纤合束器的传输效率≥98%,中心光束质量因子(M2)仅为1.76,此时中心端口输出功率为3.036 kW。而后对合束器进行了耐环境测试,合束器在低温与高温下表现出的传输特性良好。将该光斑可调的环形光斑信号合束器应用到激光器中,通过调节中心和外环激光功率,可以在任何温度环境下实现超高速焊接,为激光复合焊接提供了一种新途径。

关键词：激光器光纤合束器熔锥光纤束(TFB) 传输效率光束质量环境可靠性

双梯形多模干涉耦合器用于提高半导体激光器电光效率

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中国激光 2024年第14期 108-116页

作者：宫梓傲虞顺超邹永刚徐英添范杰长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室长春理工大学重庆研究院

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉（DT-MMI）耦合器结构的有源MMI半导体激光器（DTM-LD）。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应，该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器（MMI-LD）相同有源区面积的同时，具有更短的器件腔... 详细信息

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉（DT-MMI）耦合器结构的有源MMI半导体激光器（DTM-LD）。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应，该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器（MMI-LD）相同有源区面积的同时，具有更短的器件腔长，有利于器件电光转换效率的提升。实验制得了双梯形底宽为15μm、腰宽为30μm的DTM-LD器件。在保持有源面积约为3.33×10～4μm2的情况下，该激光器件的腔长相比于MMI-LD减小了4.2%。在注入电流为1 A的情况下，DTM-LD的电光转换效率由14.5%提升至16.3%，相对提升了12.4百分点，同时其最高输出功率由355 mW小幅提升至360 mW。当MMI多模波导的宽度减小0.5μm时，相比于MMI-LD,DTM-LD的输出功率损耗由51 mW减小至40 mW，降低了21.6%，这表明DTM-LD具有较低的制造误差敏感性。

关键词：半导体激光器 MMI耦合器双梯形电光转换效率

基于硫化铅量子点可饱和吸收体的锁模光纤激光器

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光子学报 2024年第6期53卷 145-152页

作者：高博峰王路张贺张崇长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室长春130022 陆军驻长春地区第一军事代表室长春130033

通过优化后的热注入法制备得到硫化铅胶体量子点,再利用匀胶机两步旋涂的方法使材料平铺在小块羧甲基纤维素薄膜上,并将其作为可饱和吸收体应用于光纤激光器中,实现稳定的锁模。制备的硫化铅量子点可饱和吸收薄膜的调制深度和饱和强度... 详细信息

通过优化后的热注入法制备得到硫化铅胶体量子点,再利用匀胶机两步旋涂的方法使材料平铺在小块羧甲基纤维素薄膜上,并将其作为可饱和吸收体应用于光纤激光器中,实现稳定的锁模。制备的硫化铅量子点可饱和吸收薄膜的调制深度和饱和强度分别约为26.46%和6.75 MW/cm^(2),非饱和损耗为6.42%。测试结果表明该薄膜具有更小的非饱和损耗以及更好的重复性和一致性。采用该薄膜作为可饱和吸收体的光纤激光器能在47 mW的泵浦功率处开始实现自启动锁模,且能够实现长时间稳定的锁模激光输出。研究结果为硫化铅量子点可饱和吸收体在光纤激光器中的后续应用奠定了基础。

关键词：光纤激光器锁模热注入法硫化铅量子点可饱和吸收体自启动