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垂直腔面发射激光器直接倍频的研究

马莹  
【摘要】:垂直腔面发射激光器(VCSEL)是光通信中的一种极具潜力的固体激光源,其特征为圆形输出光束,易与光纤耦合,转换效率高,调制速率快,阈值很低,噪声小;垂直腔面很小,易于高密度大规模集成和成管前整片检测。虽然VCSEL发展了这么多年,且在光通讯领域取得了巨大的成功,但是用于直接倍频领域还是一个全新的课题。直到2002年,德国Ulm大学研制成功了VECSEL(Vertical Extended Cavity Surface Eaitting Lasers),并且将微透镜作为延长腔的腔镜实现倍频。2004年,美国NOVOLUX公司又研制成功了延长腔表面发射激光器(NECSEL),倍频980nm和976nm垂直腔面发射激光器输出了490nm和488nm的蓝光。正是基于以上经验设计了本实验,其目的之一是证明VCSEL可以腔外直接倍频输出蓝光,之二是证明复合腔能够提高VCSEL直接倍频效率。实验设计了两种方案,一种为垂直腔面发射激光器外腔直接倍频,另一种为垂直腔面发射激光器在复合腔中倍频,结构如下图所示: 选用的垂直腔面发射激光器发光截面为Φ=500μm,峰值功率为1.00W,阈值电流为1.03A,连续输出电流为4.60A,连续输出电压为2.63V,微分量子效率为0.35W/A,串联电阻为0.12Ω,输出中心波长为983.6nm, 光谱宽度为2.3nm,平行方向上的发散角为θ=16.5°,垂直方向上的发散角为ψ=15°,工作温度为24℃。自聚焦透镜的参数为:直径D=1.8mm.聚焦参数A~(1/2)=0.330±2.5%,数值孔径NA=0.46,折射率N0=1.599, T=89%,设计长度为Z=2.55mm,约为0.1275pitch。在直接倍频时VCSEL光束的反向延长线的交点到自聚焦透镜端面的距离L=1.7mm,光束经过自聚焦透镜后在L’=80m处成像大小为ω0(?)=2.864μm,像方孔径角(半角)为0.485°。选取的LBO晶体长度为5mm所对应的允许角为0.48°。VCSEL,的输出功率为530mW时直接倍频得到的490nm的光功率为P2(?)=50μW。在复合腔中倍频时,腔镜的曲率半径为Re1,=50mm,腔长Le=10mm 时得到模场直径为ω(?)0=24.96μm。在VCSEL的驱动电流为I=2.5A时,VCSEL的输出功率为530mw,功率密度为2.71×104W/cm2,倍频后490hm的光功率为P2(?)=70 μW.实验证明了VCSEL可以腔外直接倍频输出蓝光, 而且复合腔结构能够提高VCSEL倍频效率。与此同时,一些对实验有重要影响的因素,如VCSEL偏振特性的影响,发光区域面积与发散角的影响,温度的影响,VCSEL中心波长的影响,LBO晶体镀膜的影响,自聚焦透镜的影响,复合腔实际工作的情况的影响,对实验结果的影响是不可忽略的。

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