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半导体激光器 激光切割 激光器
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绿光激光器光学性能大幅提高
材料来源:激光行业观察           录入时间:2022/1/30 21:57:47

激光被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一,它的出现有力地推动了探测、通信、加工、显示等领域的进步。半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器,具有体积小、效率高、成本低、寿命长等特点,因而应用非常广泛,早年的基于GaAsInP体系红外激光器更是奠定了信息革命的基石。氮化镓激光器(LD)是近些年来先发展的一种新型光电子器件,基于GaN材料体系的激光器能够将工作波长从原先的红外拓展到整个可见光谱与紫外光谱范围,在显示、照明、金属加工、国防、量子通信等领域显示了巨大的应用前景。

激光产生的原理为光增益材料中的光通过在光腔中振荡放大,形成相位、频率和传播方向高度一致的光。对于边发射的脊型半导体激光器而言,其光腔在三个空间维度均能对光实现限制,其中沿激光出射方向的限制主要通过解理、镀膜制成的谐振腔来实现,在水平方向上主要是利用脊型形成的等效折射率差来实现光限制,而在竖直方向的光学限制则是依靠不同材料之间的折射率差来实现。例如,808 nm的红外激光器的增益区为GaAs量子阱,光学限制层则是采用了低折射率的AlGaAs,由于GaAs与AlGaAs材料晶格常数几乎一致,因此此种结构在实现光学限制的同时不会产生因晶格失配导致的材料质量问题。

在氮化镓基激光器中,通常使用低折射率的AlGaN作为光学限制层,采用高折射率的(In)GaN作为波导层。然而,随着发光波长的增加,光学限制层与波导层之间的折射率差不断减小,使得其对于光场的限制效果不断减小。特别是绿光激光器中,此类结构已经无法限制光场,使得光会泄露到下方的衬底层中,由于空气/衬底/光学限制层的附加波导结构存在,泄露到衬底中的光能够形成稳定模式(衬底模)。衬底模的存在会导致竖直方向上的光场分布不再是高斯分布,而是会出现“萼瓣”,光束质量下降无疑会影响器件的使用。

近期,中科院苏州纳米所的刘建平研究员课题组基于前期光学仿真研究结果(DOI:10.1364/OE.389880),提出通过采用晶格常数与折射率能够同时调整的AlInGaN四元材料作为光学限制层来抑制衬底模的出现,相关成果发表在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上。在研究中,实验人员首先通过优化外延生长工艺参数,在GaN/Sapphire模板上异质外延生长了台阶流形貌的高质量AlInGaN薄层。随后在GaN自支撑衬底上进行AlInGaN厚层同质外延时发现表面会出现无序脊型形貌,导致表面粗糙度增加,从而影响后续激光器其它结构的外延生长。通过对外延生长的应力与形貌关系分析,研究者提出AlInGaN厚层中积累的压应力是导致此类形貌的主要原因,并通过生长处于不同应力状态的AlInGaN厚层证实了该猜想。最后通过将优化后的AlInGaN厚层应用在绿光激光器光学限制层中,成功抑制了衬底模出现(图1)。

图1. 无漏模绿光激光器,(α)竖直方向上光场远场分布,(b)光斑图。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2021年第6期发表的文章“L. Jiang, J. Liu, A. Tian, et al., Epitaxy of 2.5-μm quaternary AlInGaN for n-cladding layer in GaN-based green laser diodes, Fundamental Research 1(6)(2021) 672-676”。

(文章转载自网络,如有侵权,请联系删除)


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