物理學博士畢業論文開題報告

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物理學博士畢業論文開題報告范文

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物理學博士畢業論文開題報告范文

　　論文題目：基于高階光柵的高功率單縱模半導體激光器研究

　　一、選題背景

　　半導體激光器相比于其他種類激光器具有很多優點，例如：體積小、壽命長、轉換效率高、可以直接調制等。這些優點使其廣泛應用于通信和信息技術、打印和顯示、材料加工、醫療及國防等領域。自 1962 年第一只低溫脈沖 GaAs 激光器[1]發明至今，半導體激光器經歷了數次技術革新，在高輸出功率、高轉換效率、高可靠性等方面取得了長足的進步[2]。特別是在當前全球能源緊張的前提下，其作為一種高效節能的激光設備，在工業加工、光通信等領域的作用越來越重要。

　　隨著半導體材料體系不斷拓展，半導體激光器的波長由最初的近紅外波段不斷擴展，目前涵蓋了從 400 nm 到 3 mm 的紫外到太赫茲波段。同時，隨著材料生長技術、光刻技術以及刻蝕技術等關鍵工藝不斷更新，半導體激光器的輸出功率、轉換效率和可靠性等性能指標不斷提高。這些進步大大增強了半導體激光器的實用性，使其擁有了更廣闊的應用前景。

　　二、研究目的和意義

　　高功率單縱模半導體激光器在相干光通信、泵浦固體激光器及國防等領域有著其他激光器不可替代的優勢。由于傳統半導體激光器的諧振腔長尺寸遠大于波長量級，無法對光模式形成有效的選頻機制，在高功率工作時其光譜會迅速展寬，導致器件的相干性變差，嚴重地影響其在相干光通信和高分辨光學測試系統中的應用。為從根本上解決這個問題，本論文采用在半導體激光器光波導引入高階布拉格光柵的方法，利用高階光柵的散射特性和反射特性進行光模式選擇，實現了激光器件的高功率穩定單橫模工作。本文主要對高階布拉格光柵耦合半導體激光器(包括高階光柵 DBR 激光器和高階光柵 DFB 激光器)以及單縱模激光器的相干特性進行了研究。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　目前商業化的高功率半導體激光器主要位于近紅外波段，其波長范圍為780-1100 nm。近紅外高功率半導體激光器是固體激光器和光纖激光器的重要泵浦光源。而且其在空間光通訊、激光醫療、激光加工及國防等應用領域都有著不可替代的作用。隨著這些領域對半導體激光器輸出功率的要求不斷提高，發展半導體激光器高輸出功率技術的重要性不言而喻。近幾年來，高功率半導體激光器的性能大幅提升，其中單管激光器的連續輸出功率已突破 10 W。2012 年，德國 FBH 研究所基于增加大面積激光器發射功率密度的機理，成功實現在短脈沖條件下，100 μm條寬激光器輸出功率達到100 W;在準連續條件下，100 μm 條寬激光器輸出功率大于 30 W;在連續注入條件下，30 μm 條寬激光器輸出功率大于 10 W[3]。同年，該研究所制作 975 nm 波段條寬為 90 μm-100 μm 的寬區 DBR 及寬區 DFB 二極管激光器，輸出連續波功率超過12 W，光譜線寬小于 1nm，當其輸出功率 10 W 時，功率轉換效率高達 63%[4]。

　　單模半導體激光器由于其良好的光譜特性和相干特性，在光通信領域被廣泛關注。近幾年隨著半導體材料和工藝技術的進步，其輸出功率也得到了大幅的提升。2007 年，美國 Photodigm 公司制造 1064 nm 波段 DBR 半導體激光器，實現單模輸出功率達到 700 mW、閾值電流 30 mA、邊模抑制比 30 dB[5]。2009 年，該公司采用單步 MBE，全息光刻光柵法，獲得性能良好的 974 nm 波長器件，斜率效率0.72 W/A，輸出功率達到425 mW;1084 nm波長器件，斜率效率0.85 W/A、輸出功率達到 550 mW[6]。2010 年美國 Photodigm 公司又研制出高功率單模 DBR半導體激光器，在 976 nm 波段和 1064 nm 波段保持良好的穩定性的同時，單模輸出功率超過 500 mW[7]。2014 年，德國 FBH 研究所制作的 1066 nm 波段 DBR半導體激光器，輸出功率 3.5 W 時、功率轉換效率達到 65%[8]。同年，該研究所制作的基于 MOPA 結構的 975 nm 波段和 1064 nm 波段的可調諧二極管激光器，最大輸出功率 16.3 W、線寬小于 10 pm、邊模抑制比大于 40 dB[9,10]。

　　四、本文研究的主要內容

　　1、對高階光柵結構的選頻機理進行了理論分析，并研究了半導體激光器的設計理論及制備工藝。

　　2、對高階光柵 DBR 激光器的光譜特性和可靠性進行了研究。

　　3、通過激光器的光譜特性進行研究，發現通過調整高階光柵結構參數可實現特定波長光模式振蕩。設計并制備了兩種高階光柵 DBR 激光器，實現了高功率單模與雙模激光輸出，光譜線寬小于 40 pm，邊模抑制比大于 38 dB。

　　4、研制出一種低損耗高階表面光柵 DFB 激光器，對其選頻機制進行了分析，對其功率特性和光譜特性進行了測試與分析，得到了連續輸出功率 180 mW，邊模抑制比大于 40 dB 的單模激光輸出。

　　5、根據部分相干光理論，采用楊氏雙縫實驗，研究了單頻半導體激光器的空間相干特性，為進一步設計相干列陣器件工作打下了堅實基礎。

　　五、寫作提綱

　　摘要 5-7

　　Abstract 7-8

　　目錄 9-12

　　第1章緒論 12-26

　　1.1 半導體激光器的研究進展 12-21

　　1.1.1 高功率半導體激光器 12-15

　　1.1.2 高效率半導體激光器 15

　　1.1.3 高可靠性半導體激光器 15-16

　　1.1.4 高光束質量半導體激光器 16-18

　　1.1.5 窄線寬半導體激光器 18-21

　　1.2 單縱模半導體激光器的研究進展 21-23

　　1.2.1 國外單縱模半導體激光器的研究進展 22-23

　　1.2.2 國內單縱模半導體激光器的研究進展 23

　　1.3 本文的研究目的與內容 23-26

　　第2章高階光柵單縱模半導體激光器理論設計與分析 26-46

　　2.1 半導體激光器的基本特性 26-29

　　2.1.1 半導體的輻射躍遷 26-27

　　2.1.2 半導體激光器的增益與閾值條件 27-29

　　2.2 半導體激光器的輸出功率與轉換效率 29-31

　　2.2.1 半導體激光器的輸出功率 29-30

　　2.2.2 半導體激光器的轉化效率 30-31

　　2.3 半導體激光器的縱模與光譜特性 31-32

　　2.4 高階布拉格光柵波導的理論模型 32-38

　　2.4.1 分布反饋(DFB)激光器和分布布拉格反射(DBR)激光器 32-33

　　2.4.2 散射理論 33-36

　　2.4.3 傳輸矩陣理論模型 36-38

　　2.5 高階布拉格光柵波導的光學特性分析 38-42

　　2.5.1 傳輸矩陣分析 38-40

　　2.5.2 高階布拉格光柵的損耗光譜 40-42

　　2.6 單縱模激光器的空間相干性分析 42-45

　　2.6.1 部分相干光定理 42-43

　　2.6.2 相干度理論計算方法 43-45

　　2.7 本章小結 45-46

　　第3章高階光柵單縱模半導體激光器制備 46-68

　　3.1 外延生長技術 46-47

　　3.2 光刻技術 47-52

　　3.3 刻蝕技術 52-61

　　3.3.1 干法刻蝕 52-55

　　3.3.2 SiO2和GaAs刻蝕工藝探索 55-59

　　3.3.3 濕法腐蝕 59-61

　　3.4 薄膜生長技術 61-65

　　3.4.1 電絕緣膜生長技術 62

　　3.4.2 金屬電極生長技術 62-64

　　3.4.3 光學薄膜生長技術 64-65

　　3.5 高階光柵半導體激光器的制備 65-66

　　3.6 本章小結 66-68

　　第4章高階光柵分布布拉格反射半導體激光器 68-94

　　4.1 高階光柵單縱模分布布拉格反射半導體激光器 68-81

　　4.1.1 器件結構設計 68-76

　　4.1.2 器件制備 76-77

　　4.1.3 器件測量結果 77-81

　　4.2 雙波長高階光柵分布布拉格發射激光器 81-86

　　4.2.1 器件設計 81-83

　　4.2.2 器件制備 83-84

　　4.2.3 器件測量結果 84-86

　　4.3 高階光柵耦合半導體激光器可靠性分析 86-92

　　4.3.1 拉曼光譜分析技術原理 87-88

　　4.3.2 測試結果與分析 88-92

　　4.4 本章小結 92-94

　　第5章高階光柵單縱模分布反饋半導體激光器 94-100

　　5.1 器件制備 94-96

　　5.2 器件測量結果 96-99

　　5.3 本章小結 99-100

　　第6章單縱模半導體激光器件空間相干特性的研究 100-116

　　6.1 VCSEL單管器件空間相干性研究 100-107

　　6.1.1 部分相干光理論 101-103

　　6.1.2 測試結果 103-107

　　6.2 VCSEL列陣器件的空間相干特性研究 107-114

　　6.2.1 器件設計 107-110

　　6.2.2 器件制備 110

　　6.2.3 測試結果 110-114

　　6.3 本章小結 114-116

　　第7章總結與展望 116-118

　　參考文獻 118-132

　　六、目前已經閱讀的主要文獻

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