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[ 大功率半导体激光器及应用 ]
大功率半导体激光器及应用

大功率半导体激光器在激光泵浦源、激光加工、激光武器等方面具有广阔的应用前景,已成为国民经济建设和国防建设重要的关键基础元器件和核心支撑技术。该方向以解决国家重大战略需求为目标,围绕材料生长和器件理论研究、器件工艺研究、激光合束技术研究、激光应用研究和系统设备开发,开展如下研究:1)激光芯片MOCVD生长;2)高功率高亮度半导体激光器、垂直腔面发射激光器、光子晶体半导体激光、中红外半导体激光器;3)半导体激光器光束整形、合束和光纤耦合,半导体激光器应用系统开发。

一、简介

该学科方向以新型高亮度半导体激光器、大功率垂直腔面发射激光器和长寿命无铝量子阱激光器工程化应用关键技术突破为研究基础,开展材料生长和器件理论研究、器件工艺研究、激光合束技术研究、激光应用研究和系统设备开发。该方向已经建成吉林省半导体激光工程研究中心、半导体激光科技创新中心和国际科技合作基地,具备完整的半导体激光器芯片设计和模块开发工艺线。

二、研究方向和研究内容

1、??新型半导体激光器设计与特性仿真

研究高功率半导体激光器的光--热及其耦合特性,提高器件模式特性、功率输出等;研究新型有源区材料和波导结构,设计集成光栅结构、外腔结构和列阵结构等新型激光器件。

2、??III-V族半导体材料MOCVD生长

立足于Aixtron200/4 MOCVD系统,开展高质量半导体激光器材料生长研究,为高功率半导体激光器的制备提供外延片支持,并拓展新型结构材料和新波段材料体系。

3、??高功率高亮度半导体激光器研究

研究近红外波段高功率高效率半导体激光器,设计新型结构提高光束质量、光谱纯度等品质;优化器件制备工艺、封装方式、散热结构和驱动电路,实现器件高性能和高可靠工作。

4、??垂直腔面发射激光器及高功率相干列阵

研究高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL功率限制机制,制备高功率VCSEL阵及应用模块;研究新型面发射列阵及其相干耦合方法;设计和制备795nm8894nm等新波长高温工作低功耗VCSEL器件

5、??半导体激光器光束整形、合束和光纤耦合

研究半导体激光器光束传播特性,以空间合束、偏振合束和波长合束为基础,研究高亮度外腔合束和高效率光纤耦合模块,实现百瓦-千瓦级高光束质量半导体激光光源的工程化应用。

6、??光子晶体半导体激光

利用光子晶体波导技术,实现高光束质量、低发散角(<5o)高功率半导体激光器;利用光子带隙原理,制备高品质激光谐振腔,实现极低功耗单量子点钠腔激光器(<100 nW)利用耦合光子晶体谐振腔,实现中红外宽光谱可调谐激光。

7、??新型高功率中红外半导体激光器

研究中红外2.X?μm GaSb基半导体激光器3-12μm波段量子级联激光器及太赫兹量子级联激光器的制备工艺、封装散热和合束技术,实现高功率、高光束质量中红外激光。

8、??半导体激光器应用系统开发

? 开展半导体激光器应用系统,解决高功率半导体激光加工、半导体激光治疗仪和激光气体检测等应用系统的实用化技术问题,开拓半导体激光应用领域。

三、近几年成果

半导体激光器具有能量转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性好等优点,但由于发散角大、椭圆出光等原因,导致其光束质量较低,通常用作固体激光和光纤激光的泵浦光源。合束技术的发展已经使得半导体激光器可以作为直接光源应用,但对于某些国防上的应用需求,半导体激光器的功率和光束质量依然还有差距。对于高性能的半导体激光光源,美国等国家对我国进行严格的禁运。鉴于此,实验室研究团队从两方面入手提升半导体激光器的光束质量及亮度:一是从芯片层级降低激光器快慢轴发散角,提高功率,获得高亮度激光单元器件;二是突破外腔反馈光谱合束技术,从系统层级提高激光功率和光束质量,满足机动平台激光对抗武器装备中对小体积、高功率、高亮度激光光源的应用需求。

(一)高亮度半导体激光单元芯片技术

1提出双边布拉格反射波导结构,实现低发散角圆形光束边发射激光器

2高功率圆形光束垂直腔面发射激光芯片

(二)外腔反馈光谱合束高功率半导体激光模块

光谱合束是基于高亮度激光芯片来提升激光系统亮度的关键技术。为满足国防需求,研究团队在光谱合束方法上进行了创新,提出基于瑞利光学的外腔反馈光谱合束方法、密集波分复用外腔反馈光谱合束方法和多波长光谱合束方法,实现300W~850W的高亮度激光合束光源,成功应用于国防重大工程任务。

1基于瑞利光学的外腔反馈光谱合束方法

2密集波分复用外腔光谱合束方法

3多波长光谱合束技术

(三)实现大功率半导体激光器国防应用,解决国家重大战略需求

1)重大工程应用,解决国家安全需求

2)重大预研应用,满足未来发展需要

3)光电对抗应用,满足实战需要

[ 大功率半导体激光器及应用 ]
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