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我国在低发散角半导体激光器芯片技术研究上获突破 11/8/2012

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因较大发散角而导致光束质量差一直是半导体激光器的最大缺点之一，研究人员一直致力于解决这项核心瓶颈，而就在最近，这一研究取得了阶段性进展。科院长春光机所研究人员在低发散角半导体激光器芯片技术上获得突破，可通过压缩激光的远场发散角成功改变半导体激光器发散角大而不对称的缺点。近日，由中科院长春光机所发光学及应用国家重点实验室大功率半导体激光器课题组佟存柱研究员承担的中科院知识创新工程领域前沿项目“大功率高亮度光子晶体激光器及列阵”取得了阶段性进展，他们通过布拉格反射波导结构成功的将半导体激光快轴(垂直)发散角从40°降低到7.5°，慢轴(水平)发散角7.2°，实现近圆形光束出光。一直以来，半导体激光器的最大缺点之一是它较大的发散角，以及椭圆形出光光斑，这导致较差的光束质量。而光束质量反映的是激光的可汇聚性，直接影响到实际应用。目前商业化的半导体激光器均采用全反射波导结构(如图1(a))，该结构的激光谐振腔狭小，不对称，导致快轴发散角高达30°-60°，慢轴发散角10°。（图片）图1. (a)半导体激光器结构示意图及典型远场图 (b)布拉格反射波导激光器结构示意图研究小组采用双边横向布拉格反射波导结构(如图1(b))，该结构通过光子禁带原理进行光学导波，所限制模式为光学缺陷模式，可以有效压缩激光的远场发散角。在成功解决了光子晶体缺陷模式与全反射模式竞争、高质量厚尺度(>10微米)外延生长技术问题后，实现了该器件室温连续激射。器件工作于808nm，输出功率>2W，斜率效率0.531W/A，快、慢轴发散角被降低到7.5°和7.2°，出光光斑近圆形 (如图2)。（图片）图2. (a)808nm 布拉格反射波导激光器L-I-V特性，内插图为激射谱 (b) 3A工作电流下的远场发散角，内插图为测量的二维远场光斑该类器件结构不仅可以用于量子阱激光器，还可以拓展到不同波长、不同增益介质的半导体激光器，如量子点、量子级联激光器等，这可以从芯片结构角度彻底改变半导体激光器发散角大而不对称的缺点。该器件核心结构已经申请国家发明专利4项，目前，研究人员正在抓紧时间优化工艺，进一步提高器件的性能，努力实现实用化。这一研究有助于推动我国半导体激光器的发展，帮助我国突破在大功率激光器技术研究上的障碍，提升我国在国际激光领域的技术地位，形成自主的激光芯片，推动相关产业的发展。


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