张丽[1]2002年在《新型半导体激光器热特性的研究及常规量子阱激光器的优化》文中提出大功率半导体激光器在光通讯、医疗、军事、印刷和光泵浦等领域有着广泛的应用，然而当通过增加注入电流提高传统半导体激光器的光束出功率时，要受到电热烧毁和光腔面灾变性损坏(COD)的限制。通过反向偏置隧道结将多个有源区再生耦合级联起来的新型高效大功率半导体激光器从理论和实践上解决了传统激光器存在的上述问题。但大功率半导体激光器工作时热的问题仍严重影响其工作性能。围绕InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器，本文进行了以下工作： 1．介绍了新型隧道级联结构激光器的工作机理，理论推导了新型结构激光器的效率数学表达式，模拟了激光器激射模式及内部光场分布，并用实验证明了新型结构激光器能够实现内量子效率大于1，且在不高的电流注入条件下获得了较高的功率输出。四有源区隧道级联量子阱激光器在2A工作电流下输出功率达4.435W，内量子效率3.5，斜率效率2.97W/A。 2．通过测量新型结构激光器的电学、光学参数，分析了激光器内部产生的热对激光器工作性能的影响。在一定的假定条件下对其内部的热产生率进行了定量计算，并分别针对一、二、叁、四有源区激光器建立了热传导模型，得出数值解，画出激光器内部瞬态温度分布图，推导了激光器连续工作条件。新型多有源区结构的激光器随有源区数目的增加，散热性能变差，其热特性有待进一步提高和改善。 3．为得到良好的欧姆接触，利用Kelvin方法设计了试验方案，测试样品在不同的衬底生长温度、不同合金温度、不同合金时间、不同金属的比接触电阻。比接触电阻越小，欧姆接触电阻越小。制作良好的欧姆接触可有效减小激光器微分电阻，在最佳工艺条件下制作的激光器样品的测量验证了这一试验结论。 4．由于本实验室正处于由试验研究向产业化迈进的阶段，针对常规InGaAs/GaAs/AlGaAs量子阱激光器做了很多工作，文中系统论述了常规量子阱激光器的各项性能参数—阈值电流密度、斜率效率、远场发散角、光谱线宽等的影响因素及改进的有效办法，并针对激光器P—I线性度不好、远场发散角出现多瓣的现象，通过理论分析找出原因所在并进行了改进，有效解决了以上问题。
丁颖[2]2002年在《隧道级联双波长量子阱激光器的特性分析与设计》文中研究说明双波长半导体激光器是一种能够发射两种波长激光的新型半导体器件，不同波段的双波长半导体激光器有着不同用途，650nm／780nm双波长量子阱激光器主要应用在DVD-ROM驱动器和DVD播放机的光学读取等方面，而大功率950nm／990nm双波长量子阱激光器主要应用于光学测量等方面。 本论文的主要研究内容包括两个部分：一、大功率950nm／990nm双波长应变量子阱激光器的模拟计算、实验与器件的特性分析；二、650nm／780nm双波长多量子阱激光器的模拟计算与设计，在此之前，对650nm附近波长的常规多量子阱激光器的特性做了理论计算与实验分析以作为模拟计算与设计的依据。 在以往隧道级联大功率应变量子阱激光器及高亮度发光管的理论研究与实验的基础之上，采用沈光地教授提出的隧道级联思想，成功研制出基于InGaAs／GaAs／AlGaAs材料的高性能大功率隧道级联950nm及990nm双波长应变量子阱激光器，激射波长分别为952±2nm和990±2nm，EL谱的谱线宽度约3nm，未镀膜器件单面最大输出光功率可达2W以上，阈值电流最低达120mA。在此之后，结合650nm附近波长的常规AlGaInP／GaAs多量子阱激光器的实验结果与以往隧道级联器件的研究，设计并模拟分析了基于AlGaInP材料与AlGaAs材料的可用于DVD-ROM驱动器和DVD播放机光学读取系统的侧向实折射率导引隧道级联650nm／780nm双波长多量子阱激光器。
黄波[3]2008年在《高功率半导体激光器Au-Sn焊料制备与焊装工艺研究》文中研究指明通常应用In、Pb-Sn合金等软焊料焊装的高功率半导体激光器及其列阵会产生蔓延和电迁移,同时存在抗疲劳性差的缺点,又由于制作工艺、材料性质以及温升和热应力等使得器件易于发生弯曲、翘曲和变形,而严重影响器件的工作性能和寿命。本论文从高功率半导体激光器的热特性和焊装技术两方面展开,以高功率量子阱半导体激光器为研究对象,针对半导体激光器的材料和结构特点,设计并实验解决激光器的焊装工艺和散热。主要内容如下:1、对高功率量子阱半导体激光器外延层朝下焊装的方式进行了热分析,得到其热分布和热阻参数,讨论了结构和工艺条件对激光器热特性的影响。2、设计了用AlN陶瓷作为激光器芯片与铜热沉间过渡匹配的次热沉Au-Sn合金作为焊料的新的焊装结构。利用实验室现有条件,自行配制了Au的电镀液,自行设计制作了电镀装置,研究了酸性镀液电镀均匀平整厚Au层的最佳条件,获得了良好的电镀效果,满足了焊装所需厚Au层的要求。3、利用磁控溅射和电镀结合热蒸发真空镀膜方法,制备了焊装所需多层金属膜,根据实验所获得的优化工艺参数将多层金属膜镀覆到AlN次热沉上;研究了激光器焊装中Au-Sn合金的烧结工艺,优化了烧结的工艺条件。4、利用实验室的半导体激光器综合测试表征系统,对烧结后的高功率量子阱半导体激光器进行了I-V、P-I特性测试,计算了激光器的热阻,确认了我们所开发的烧结工艺的有效性。
李冬梅[4]2006年在《大功率半导体激光器阵列温度分布模型建立与实验验证》文中研究说明大功率半导体激光器具有高转换效率、高可靠性及较长的使用寿命,在泵浦固体激光器、打印、材料加工、通信等方面都有着广泛的应用。但是,尽管半导体激光器具有较高的转换效率,还是有大部分的电功率被转化生成了热,导致激光二极管工作结温的升高。而温度升高必然带来半导体激光器阈值电流增加,发射波长红移,造成模式的不稳定,同时还增加了内部缺陷,对器件的寿命有严重影响。在本文中,首先从理论分析和实验数据两个方面入手,分析温度对激光器各个性能参数的影响。然后从基本概念出发,分析大功率激光器的热源分布、热阻及热耗散功率。利用ANSYS软件模拟半导体激光器阵列芯片及载体中的稳态及瞬态热分布是本论文的重点。ANSYS(Analysis Systems)软件是国际流行的融结构、热力、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可以广泛地应用于结构分析、热传导分析、电磁场分析、流体分析以及耦合场分析(CFD)等多个领域。通过实验对模拟结果进行检验也是本论文的一个重要方面。温升测量的方法及手段依测量原理不同可分为两类:一类是利用半导体激光器本身电学或光学参数随温度变化的特性而将其作为温敏参数。但这种方法依据温度对半导体激光器某一特性的影响,给出其某种意义上的平均温度;另一类是利用一些常规的测量技术,测量半导体激光器的腔面温度的分布。本文主要利用第一类方法,对半导体激光器阵列的稳态热阻进行测量,并详细介绍了半导体激光器各个参数的测量方法。在本文的最后部分,介绍了如何对半导体激光器的热参数进行优化及半导体激光器常用的散热技术。这两方面揭示了对热特性进行研究、模拟的目的所在,即减少产热和增加散热,这也是在半导体激光器阵列芯片及载体的设计中必须要考虑的关键问题。
李佳莼[5]2014年在《940nm应变量子阱激光器的热特性研究及工艺改进》文中指出光纤激光器作为光通信、传感和加工等领域的重要激光光源，其工作条件需要在高功率光源的激励下形成激光工作物质的能级粒子数反转。半导体激光器作为光纤通讯系统唯一的实用化光源，其泵浦效率受到光纤工作物质中掺杂离子吸收频带匹配的限制。目前掺臆Yb3+光纤以其优越性能成为应用的主流，其最强的吸收峰在976nm附近，然而由于吸收峰非常尖锐，对于波长偏移吸收转变很大，因此对波长和带宽的要求都很严格。940nm附近的吸收峰具有较高的吸收带宽，在高掺杂浓度下不会出现浓度淬灭现象，使得940nm半导体激光器成为掺臆Yb3+光纤泵浦源的最佳选择。双量子阱激光器比单量子阱具有更高的输出功率和电光转换效率，比多量子阱激光器又具有更低阈值电流和更好的热特性；InGaAs作为量子阱材料比AIGaAs/GaAs量子阱更能承受有源区压应力，且载流子复合产热更低，更有利于提高器件的特性能。本文结合以上两点，制备了940nm波长InGaAs双量子阱半导体激光器，镀膜前获得脉冲12W的稳定输出功率，斜率效率最高达到0.72W/A，阈值电流均小于1A，水平发散角6°，垂直发散角22°，光谱宽4.8nm；镀膜后输出功率提升至14.5W，斜率效率达到0.98W/A，阈值电流均小于1A。具体研究工作如下：第一，在对大功率半导体激光器的激射原理做详细研究的基础上，对设计有InGaAs双量子阱结构的940nm半导体激光器进行了热分布模拟。第二，结合对940nm半导体激光器衬底热特性研究的基础上，通过实验探究了器件的实际温度特性。第叁，在传统大功率半导体激光器的工艺基础上，针对940nm的特定工艺进行研究改进和完善，包括湿法腐蚀溶剂对腐蚀速率和深度的影响、条形腐蚀深度对器件性能的影响、衬底减薄减小键合应力以及电极生长厚金防止电极材料脱落等。第四，以最优设计和最佳工艺条件成功制备了940nm大功率半导体激光器，测试评估了器件各方面性能，达到国内领先水平第五，进一步探究了测试过程本身对器件的影响，提出了测试热弛豫时间的概念，有助于更加准确评估器件性能。
佚名[6]2010年在《光电子技术》文中提出O432010050230双光子光折变介质中屏蔽空间孤子的温度特性/张宇,侯春风,王飞,孙秀冬(哈尔滨工业大学物理系)//光学学报.―2010,30(3).―866～871.温度对具有双光子光折变效应的介质中屏蔽空间孤子的稳定性具有显着的影响。由屏蔽空间孤子演化方程得到的亮和暗屏蔽空间孤子解是温度相关的,在室温范围内,双光子光折变介质中屏蔽空间孤子光强和强度
侯立峰[7]2010年在《高功率垂直腔面发射半导体激光器热理论与制备工艺研究》文中研究说明由于高功率垂直腔面半导体激光器(VCSEL)与传统的大功率边发射半导体激光器相比具有很多独特的优点,近年来,高功率VCSEL的研制已经成为国内外众多科学工作者的研究热点。但由于VCSEL存在严重的自生热,自生热引起温度升高,对器件的性能影响很大,使国内外关于高功率VCSEL的研制一直进展缓慢,热问题已经成为制约高功率VCSEL发展的一个关键难题。为了解决高功率VCSEL的热问题,提高VCSEL的输出功率,我们从减少器件生热、增加器件散热出发,设计并研制了980nm基于AlxNy膜钝化层的径向桥电极高功率VCSEL,其主要的研究内容有：1、介绍了高功率VCSEL的热相关理论：分析了热效应对高功率VCSEL性能的影响；指出了高功率VCSEL的内部热产生机理,阐明高功率VCSEL的P型DBR的焦耳热是高功率VCSEL的重要热源；依据热阻的定义,我们分析和推导了高功率VCSEL的热阻公式,指出热阻与高功率VCSEL的有源区面积成正比,与热源到热沉的距离成反比；最后根据热传导理论建立了计算高功率VCSEL内部温度分布的热分析模型。2、从改善器件的温度特性、提高器件的输出功率出发,对高功率VCSEL外延片进行了相关的理论设计。采用InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱材料作为器件有源层,理论分析表明,InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱材料对载流子的限制作用更强,因此具有较好的温度特性；在谐振腔的设计中,通过调整阱材料InGaAs中In组分与垒材料中P组分,得到970nm的器件增益谱波长,使器件具有较宽的温度适应性；在DBR的设计上,采用Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As线形渐变结构,大大降低了P-DBR的串联电阻,减小了器件内部的焦耳热。3、从改善器件的散热能力、提高器件性能出发,对高功率VCSEL的器件结构进行了设计。在N面底出光高功率VCSEL器件结构的基础之上,采用AlxNy膜替代传统的SiO2膜作器件的钝化层、将器件P面传统的圆形电极改为径向桥电极。理论分析表明采用AlxNy,膜钝化层的高功率VCSEL器件相对于SiO2膜钝化层的器件具有较低热阻和较好的器件内部的热场分布；采用径向桥电极的高功率VCSEL器件与传统的圆形电极器件相比,具有较低的P-DBR电阻和器件热阻,具有良好的散热特性。4、研究了基于AlxNy膜钝化层的径向桥电极高功率VCSEL的制备工艺,重点对湿法腐蚀工艺、湿法氧化工艺、AlxNy镀膜工艺进行了实验研究。通过选取腐蚀液和改变腐蚀条件,消除了以往在VCSEL湿法腐蚀过程中常出现的台面侧壁氧化层处的“燕尾”结构；通过对湿法氧化工艺的实验研究,得出了湿法氧化速率随时间按e负指数的变化规律,并给出了湿法氧化的最佳工艺条件；通过研究AlxNy镀膜工艺,得出了制备高电阻率、高热导率AlxNy膜的工艺方法。5、采用同一种外延片、相同工艺,制备了基于AlxNy膜钝化层的径向桥电极新结构和SiO2膜钝化层常规电极的老结构两种高功率VCSEL器件并进行了相应的测试,室温下新结构的高功率VCSEL的阈值电流为390mA,微分量子效率为0.4W/A,电光转换效率可达13.2%,最大的输出功率可达到老结构器件的1.6倍,新结构器件的光电特性远优于传统结构的器件；对两种结构器件的温度特性进行了测试,其器件热阻为0.095℃/mW,远低于传统结构器件热阻的0.125℃/mW,新结构器件的温度特性良好。6、自行设计、制备了VCSEL光束特性测试仪,并申报了国家专利。采用该仪器对新结构高功率VCSEL的近场、远场和M2因子等参数进行了测试,测试结果表明,基于AlxNy膜钝化层的径向桥电极新结构高功率VCSEL具有良好的光束特性。
周路[8]2014年在《高功率半导体激光器抗COD关键技术研究》文中研究指明高功率半导体激光器由于体积小、效率高、调制简单等一系列优点,受到广泛的关注和应用。高输出功率和长期可靠性是高功率半导体激光器得以广泛应用的前提,而灾变性光学镜面损伤(COD)一直是限制激光器最大输出功率和可靠性的重要因素。COD的发生主要是由于激光器腔面具有很高的表面态密度,在高光功率密度作用下导致腔面温度迅速升高进而诱发腔面处带隙收缩加剧光子吸收,最后促使腔面烧毁,激光器失效。本论文围绕提高激光器COD阈值这一主题,深入讨论了与之相关的硫钝化技术、氮等离子体清洗技术、AlxNy腔面钝化膜以及量子阱混杂非吸收窗口技术,主要研究内容和研究成果如下：1.开展了湿法硫钝化技术研究。分析了硫钝化的机理以及常规(NH4)2S水溶液钝化GaAs材料的弊端,提出使用有机溶醇类(叔丁醇和异丙醇)代替水作为溶剂,以此来降低硫化层溶解速率,并在此基础上配制出一种新钝化液：(NH4)2S+Se+t-C4H9OH,通过二次离子质谱和光荧光谱等分析手段表明,新钝化液可比常规(nH4)2S水溶液更有效去除氧化物,GaAs表面的光致发光强度相比处理前提高23倍,而且表面生成硒化物和更厚的硫化层,钝化的表面缺陷更少、钝化效果更稳定。2.开展了等离子体清洗技术研究。以辉光放电氮等离子体为清洗源,借助磁控溅射系统和光荧光谱仪,对n-GaAs (100)衬底片进行等离子体清洗研究。为了最大程度地去除样品表面氧化物等沾污,同时又不对样品表面造成新的损伤,分别探讨了工作压强、溅射功率、清洗时间对衬底片发光强度的影响,并在氮气流量40sccm,溅射功率10W,压强4.7Pa,清洗时间为15min条件下,获得最佳清洗效果,GaAs表面的光致发光强度相比处理前提高了17倍。3.开展了腔面钝化膜技术研究。提出以新型AlxNy无氧材料作为激光器腔面钝化膜,结合磁控溅射离子辅助镀膜技术,研究了溅射功率、氮气分压、工作压强对薄膜沉积速率和光学性能的影响。研究发现,优化后的AlxNy薄膜除了具有较好的钝化效果外,也是一种良好的增透材料(中心波长处的剩余反射率低于0.1%),并具有良好的热特性和弱的光吸收特性,可以作为激光器腔面钝化膜使用；对激光器前后腔面最优反射率进行了模拟分析,并在此基础上溅射沉积了前腔面增透膜和后腔面高反膜,其中Si/SiO2高反膜中心波长附近反射率高达98.6%。4.开展了激光器非吸收窗口技术研究。采用无杂质空位诱导量子阱混杂技术(IFVD)制作了940nm GaInP/GaAsP/InGaAs单量子阱半导体激光器非吸收窗口,借助光荧光谱仪分析了退火温度、介质膜类型、沉积方法和沉积厚度等不同条件对量子阱混杂效果的影响,并通过EC-V法检测了高温退火前后芯片掺杂浓度变化情况,最后成功设计出两套窗口制备方案并进行了实验验证,875℃退火条件下,在增益区和窗口区获得最大24nm的偏移量。5.开展了抗COD激光器制备工艺研究。将优化后的硫钝化、氮等离子体清洗+AlxNy钝化膜和非吸收窗口技术分别应用到激光器制备中,通过大功率半导体激光器综合测试仪测试激光器输出特性,结果表明：硫钝化的激光器,单管平均输出功率2.77W,比普通的无钝化的激光器(1.81W) COD功率提高了53%；氮等离子体清洗+10nmAlxNy钝化的激光器,平均输出功率达到3.27W,比普通的无钝化的激光器COD功率提高了80%,所以相比于湿法硫钝化,氮等离子体清洗结合AlxNy薄膜钝化实际器件的效果要更好些；采用无杂质空位诱导量子阱混杂技术制备的带有非吸收窗口的激光器,由于有效降低了腔面的光吸收,器件抗COD能力明显增加,COD阈值较传统激光器最高提高115%。总之,本论文通过对激光器腔面的钝化工艺和非吸收窗口制备工艺的研究,有效的提高了器件抗COD能力,进一步为激光器的高功率和高可靠性工作提供了保障。
张建伟[9]2013年在《高温工作垂直腔面发射半导体激光器研究》文中研究说明垂直腔面发射半导体激光器由于具有阈值电流低，输出光斑对称性好，模式稳定，高温工作稳定性好等特点，是近年来逐步发展起来的低功耗高精度芯片级原子钟计时系统中的关键驱动光源。芯片级原子钟系统要求垂直腔面发射半导体激光器光源的阈值电流在mA量级，并且工作环境为高温环境(65℃-80℃)。针对该应用需求，本论文主要围绕高温工作795nm波段垂直腔面发射半导体激光器的高温工作性能分析，器件结构优化及工艺制作等方面进行了研究。本论文主要研究内容和成果如下：1、针对高温工作环境，设计了增益—腔模失配型VCSEL器件结构。设计方案如下：首先对高温工作VCSEL器件的有源区结构进行了详细的理论设计，其中包括对高温下载流子的限制情况进行理论分析，设计了高势垒有源区结构；并对量子阱有源区的增益特性随器件工作温度的变化进行了理论分析。其次对VCSEL器件的两侧DBR及器件腔模进行了设计。主要包括VCSEL内部DBR的反射率优化，对高温环境下垂直腔面发射半导体激光器内部DBR的反射特性以及器件腔模进行详细分析设计。所设计的VCSEL有源区采用8nmAl_(0.09)Ga_(0.91)As/8nm Al_(0.36)Ga_(0.64)As结构，室温增益谱峰值在779nm，VCSEL室温腔模为790nm，两侧DBR反射率乘积在98.5%-99%。2、分析了半导体激光器的有源区产热机制，并建立了基于载流子注入产热机制的半导体激光器热源计算模型，用于优化VCSEL器件工艺结构。将该模型与COMSOL软件的焦耳热模型相结合，分析了边发射半导体激光器工作时的内部温升情况，通过实验测试，发现理论分析与实际测量结果最大偏差低于0.5K，证实了该模型的可靠性；利用该模型分析对比了自平坦化台面结构与传统圆形台面结构的VCSEL器件内部热分布情况，理论分析证明，自平坦化台面结构可以有效提高垂直腔面发射半导体激光器的热扩散能力，相比传统的圆形台面结构，该结构在制作高温工作VCSEL时更具有优势。3、采用自平坦化台面结构制作了不同氧化口径的高温工作VCSEL器件。所制作的7μm氧化口径VCSEL的最小阈值电流为2mA，并且随着温度的升高阈值电流呈现出先降低后升高的变化趋势，这与增益-腔模失配型VCSEL器件结构设计理论预测相一致，80℃时器件在注入电流为5mA时出光波长为795.2nm，光谱半宽0.09nm，基本特性已经达到预期指标。4、为提高高温工作原子钟用VCSEL的模式特性，提出了在出光侧DBR上面集成微透镜结构的想法并进行了相关实验。所制作的35μm口径DBR微透镜结构曲率半径在500μm左右，表面平整度在nm量级，为下一步直接在器件上面集成该结构奠定了基础。另外，还提出在该结构的基础上进一步集成外部反馈腔及外腔镜结构，以实现进一步压缩器件光谱线宽的目的，提高VCSEL在原子钟应用方面的性能。
佚名[10]2007年在《光电子技术》文中研究指明O432007040361相干光照明下无衍射系统的点扩散函数的测量/翟中生,赵斌(华中科技大学机械学院)//光电子技术.―2006,26(4).―255～258.在分析相干光照明下无衍射成像系统理论的基础上,设计了无衍射光成像系统的点扩散函数的测量系统。利用菲涅耳衍射理论,推导出相干光照明下无衍射系统的点扩散函(PSF)的形式,并分析出点扩散函数的条纹疏密与锥镜的夹角和点光源的位置有关。实验和仿真结果表明,点扩散函数的条纹间距随锥镜夹角增大而变窄,随点光源距透镜距离的增大而变窄。图6表0参5
参考文献：
[1]. 新型半导体激光器热特性的研究及常规量子阱激光器的优化[D]. 张丽. 北京工业大学. 2002
[2]. 隧道级联双波长量子阱激光器的特性分析与设计[D]. 丁颖. 北京工业大学. 2002
[3]. 高功率半导体激光器Au-Sn焊料制备与焊装工艺研究[D]. 黄波. 长春理工大学. 2008
[4]. 大功率半导体激光器阵列温度分布模型建立与实验验证[D]. 李冬梅. 河北工业大学. 2006
[5]. 940nm应变量子阱激光器的热特性研究及工艺改进[D]. 李佳莼. 北京工业大学. 2014
[6]. 光电子技术[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2010
[7]. 高功率垂直腔面发射半导体激光器热理论与制备工艺研究[D]. 侯立峰. 长春理工大学. 2010
[8]. 高功率半导体激光器抗COD关键技术研究[D]. 周路. 长春理工大学. 2014
[9]. 高温工作垂直腔面发射半导体激光器研究[D]. 张建伟. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2013
[10]. 光电子技术[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2007
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