摘 要

分析了808nm半导体激光器的工作原理、结构参数，实验观察808nm激光光泵的输入输出特性，结果表明最大泵浦电流2A时，输出的激光功率为1.424W，阈值电流约为0.3A，斜效率ηs为0.859W/A，外微分量子效率η_D为55.9%，最大电光转换效率约为30.5%，在异质结结构的半导体激光器中属较高水平。

分析半导体808nm激光与激光晶体Nd:YAG的各类耦合方式与耦合参数，获得端面泵浦下最佳耦合效果时的激光晶体和输出腔镜的相对位置，并通过实验验证。实验结果表明DPSL的最大光光效率约为37.2%，f₁=10mm，腔长L=100mm时得到最大光光转换效率为26.3%。这与理论的DPSL最大效率70%有较大差距。

本文测量了Nd:YAG激光泵浦源808nm半导体激光器的输入输出性能，及其与Nd:YAG固体耦合转换后的光光转换效果，并与理论结果进行对比，提出了提高半导体激光器性能和半导体激光器泵浦Nd:YAG固体激光器效率的方法。

关键词：808nm半导体激光器；电光转换效率；端面泵浦；光光转换效率

Abstract

The working principle and structural parameters of the 808nm semiconductor laser are analyzed. The input and output characteristics of the 808nm laser light pump are experimentally observed. The results show that when the maximum pump current is 2A, the output laser power is 1.424W, the threshold current is about 0.3A, and the slope efficiency ηs is 0.859 W/A, the external derivative efficiency η_D is 55.9% and the maximum electro-optic conversion efficiency is about 30.5%, which is a relatively high level in semiconductor lasers with a heterojunction structure.

The coupling modes and coupling parameters of semiconductor 808 nm laser and laser crystal Nd:YAG were analyzed, and the relative positions of the laser crystal and the output mirror were obtained when the best coupling effect of end pumping was obtained. The experimental results show that the maximum light-to-light efficiency of DPSL is about 37.2%, f₁=10mm, and the maximum light-to-light conversion efficiency is 26.3% when the cavity length L=100mm. This is a big disparity with the theoretical maximum 70% efficiency of DPSL.

This article measured the input and output performance of Nd:YAG laser-pumped 808nm semiconductor laser, and its light-to-light conversion effect after coupled with Nd:YAG solids. Compared with the theoretical results, the performance of semiconductor lasers and semiconductor lasers were improved. Method of pumping Nd:YAG solid-state laser efficiency.

Key Words：808nm semiconductor laser；Electro-optical conversion efficiency；Face pump；Light-to-light conversion efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 早期半导体激光器的发展 1

1.3 808nm半导体激光器出现及现状 2

1.4 主要工作 2

第2章 半导体激光器的理论分析 4

2.1 半导体激光器的结构 4

2.1.1 单异质结 4

2.1.2 双异质结 5

2.1.3 量子阱结构 6

2.1.4 半导体激光器的激光输出 7

2.2 半导体激光器的阈值条件 8

2.3 电光转换效率 9

2.4 808nm半导体激光器泵浦 9

2.5 泵浦方式 11

2.5.1 透镜组耦合端面泵浦 11

2.5.2 侧向泵浦 12

2.6 端面泵浦固体激光器的模式匹配 12

2.7 耦合损耗分析 14

第3章 808nm激光特性实验分析 16

3.1 实验设计 16

3.1.1 808nm激光I-P曲线测量 16

3.1.2 泵浦光与激光晶体耦合调节 16

3.1.3 1064nm激光输出特性测量 17

3.2 泵浦源特性分析 18

3.2.1 808nm半导体激光器I-P数据 18

3.2.2 808nm半导体激光器的效率分析 19

3.3 耦合效果分析 21

3.3.1 固体激光器输出功率的测量 21

3.3.2 耦合参数调节与数据纪录 22

3.3.3 DPSL效率分析 23

第4章 总结与展望 25

4.1 总结 25

4.2 结论与展望 25

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

21世纪被誉为“光电子技术的世纪”，是国际上竞争最为激烈的领域之一。随之信息技术的发展，高速率、高效率的信息传递技术越来越重要，应用于其中的光电子器件在军事和民用等领域的地位越来越重要。半导体激光器已成为光电子学领域的核心技术之一，常见的半导体激光器从紫外到红外波段都有涉及，808nm半导体激光器是典型的红外半导体激光器。808nm半导体激光器自研制以来，广泛应用于激光医疗、光纤陀螺、光纤通讯、激光雷达、激光加工、以及光泵浦等领域。由于其体积小，电磁兼容性好，易于集成等特点，808nm半导体激光器已经取代了传统的氙灯和氪灯，用于泵浦固体激光器，并且取得了良好的泵浦效果，比传统的灯泵浦效率高一个量级，同时其易于集成的特点也使固体激光器的整体体积大大缩小。未来，随着808nm半导体激光器转换效率和功率的提高，其应用前景将更加广泛。

1.2 早期半导体激光器的发展

半导体激光器有着悠久的历史，从第一个半导体激光器的研制成功至今已有半个多世纪。半导体激光器的发展历程大致可以划分为三个阶段，第一阶段：半导体激光器理论的提出和同质结激光器，第二个阶段：异质结激光器，第三阶段：量子阱结构激光器^[1]。

第一个阶段，主要是针对半导体可以产生激光理论的提出和可行性方案的提出。1953年9月，来自美国的John Von Neuman第一个提出了半导体中可以产生受激发射的想法^[2]。1957年，来自Ecsle Normale Superieure 的Pierre Aigrain在他发表的论文中提出了半导体中可以得相干光的观点^[3]。1958年，来自苏联的Basov提出半导体在半导体中实现负温态的理论，又于1961年提出将载流子注入半导体获得“注入激光器”的方法，他也因此获得了诺贝尔物理学奖^[4]。1961年，来自美国的MGA Bernard 与G Duraffourg从费米能级出发推导出了导带与价带的准费米能级之差要大于禁带宽度是实现粒子数反转的必要条件^[5]。1962年，第一台同质结半导体激光器研制成功，之后几年出现的半导体激光器均为同质结结构，但其只能在77K以下的低温工作，因而实用价值较小。

1967年，单异质结半导体激光器的成功研制，标志着半导体激光器的发展跨进了第二个阶段。1970年，贝尔实验室的研究人员成功研制出双异质结结构半导体激光器，实现了半导体激光器室温下的连续工作，这也使半导体激光器的应用得到了迅速的发展^[6]。最早进入实用的是波长为0.83~0.85μm的半导体激光器，主要应用于通信领域。随着半导体激光器波长的扩展，半导体激光器也逐渐应用到激光存储、激光医疗、激光泵浦、材料加工等领域。80年代初，808nm半导体激光器被研制出来，并应用到泵浦固体激光器中。

1977年，第一个基于Al_xGa_1-xAs/GaAs的单量子阱半导体激光器被研制成功，标志着半导体激光器的发展进入了第三个阶段。随着分子束外延（MBE）技术和金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术的日渐成熟，多量子阱、量子点结构半导体激光器被研制出来，使半导体激光器的性能实现了质的飞跃。

1.3 808nm半导体激光器出现及现状

1963年，即GaAs半导体激光器研制成功的第二年，就有科学家提出用800nm~900nm半导体激光器作为固体激光器的泵浦源的设想。但早期的半导体激光器阈值电流过高，功率太小，泵浦效率并不理想。进入80年代后，随着分子束外延技术（MBE）和金属有机化合物化学气相沉积技术（MOCVD）的日渐成熟，可以制造厚度为0.1nm以下的薄层，使注入的载流子出现量子尺寸效应，研究人员采用应变量子阱结构，使得半导体激光器的阈值电流密度大大降低，电光转换效率大幅度提高，输出光功率成倍增加，使用寿命也大幅提升，使半导体激光器泵浦固体激光器的研究进入了新的阶段。现阶段，808nm半导体激光器朝着高转换效率、高输出光功率、高可靠性发展。国际上，德国于2016年最新提出了Crolaser计划，在210 K左右的低温下实现电光转换效率大于80%，峰值功率大于1.6 kW，满足下一代高能激光器抽运^[7]。国内在808 nm高效率方面也取得了一定的进展，2016年王贞福等报道了808 nm半导体激光器阵列在室温25℃下，实现连续输出功率大于150 W，斜率效率高达1.25 W/A，器件最高电光转换效率为65.5%^[8]。808nm半导体激光器作为泵浦固体激光器现阶段最为理想的器件，得到了十足的重视与发展，其泵浦的固体激光器波长从可见光波段到红外波段都有涉及，被广泛应用于无线遥感、材料加工、医学治疗等领域。

1.4 主要工作

结合本校实验室的具体设备和实验可行性，本文主要从中低功率808nm半导体激光器泵浦固体激光器为出发点，分析了808nm半导体激光器的结构特点、电光转换效率以及温度特性。并就泵浦固体激光器的具体方法和效率进行分析，通过理论计算与实验验证，提出了利用透镜组整形808nm激光泵浦固体激光器最大耦合效率情况下的透镜摆放的方法。本文的具体工作如下：

（1）808nm半导体激光器的工作物质是半导体pn结，为进一步了解半导体激光器，对808nm半导体激光器的结构进行详细的分析。分析808nm半导体激光器的电光转换效率和阈值电流，并与实验测得的结果进行比较。半导体激光器的发热特性是反应激光器性能的一个重要参数，分析出半导体激光器的发热特性，并针对半导体发热特性提出合理的解决方案。

（2）808nm半导体激光器常用于Nd:YAG固体激光器的泵浦光源，其泵浦方法有横向泵浦和纵向泵浦，本文主要分析的是横向泵浦的方法，其结构简图如图1.1所示。

图1.1 半导体激光器纵向泵浦固体激光器示意图

用两块凸透镜构成聚集系统，对808nm激光进行整形，聚焦到Nd:YAG固体激光器晶体棒的端面上，从而激发固体激光器使其发光。

1. 改变M2与激光晶体之间的距离以及改变M2与输出腔镜M之间的距离均可以改变半导体激光器泵浦固体激光器的转换效率，通过控制单一变量法，实验研究其对转换效率的具体影响。
2. 分析泵浦光的聚焦光斑分别位于激光晶体前端面和中间对半导体激光器泵浦固体激光器效率的影响，并通过实验进行验证。分析固体激光器腔长对半导体激光器泵浦固体激光器效率的影响，并通过实验进行验证。

第2章 半导体激光器的理论分析

2.1 半导体激光器的结构

最早问世的半导体激光器是同质结激光器，但由于阈值电流极高，同质结半导体激光器只能在77K低温的环境下工作，没有实用价值。本文着重讨论之后的出现的异质结半导体激光器、双异质结半导体激光器、量子阱结构半导体激光器。

2.1.1 单异质结

同质结激光器中载流子得不到限制，导致大量耗散，因而阈值电流密度较大。于是，科学家们提出在同质结上生长出材料结构相近的薄层，从而达到限制载流子的作用。如图2.1所示，在p型GaAs薄层上生长出宽带隙材料P-Al_xGa_1-xAs薄层，有源区的厚度由p型GaAs层的厚度决定，工作电流只允许从p型GaAs层通过，并且由于P-Al_xGa_1-xAs薄层导带势垒的作用，载流子的复合只在p型GaAs层发生，只有该层产生受激发射，并且不同材料之间的折射率差起到了很好的光约束作用。在P-Al_xGa_1-xAs薄层的上侧和n型GaAs基质层的下侧镀上金属表面，单异质结的垂直解理面的一面镀上全反膜，另一面镀上有一定透射率的膜，就可以构成单异质结半导体激光器。单异质结激光器的能带结构、折射率分布和光强分布如图2.2所示。

图2.1 单异质结结构

单异质结已经使激光器的阈值电流密度比同质结低一个数量级达到6000~8000A·cm^-2，最低的阈值电流密度是在p-GaAs层厚度为1μm左右得到^[9]，并实现了室温下脉冲工作，是半导体激光器的发展过程中一个重要的探索。

图2.2 （a）单异质结激光器的能带结构；（b）折射率分布；（c）光强分布

2.1.2 双异质结

在研究单异质结的同时，就有科学家提出可以用一个pn异质结代替单异质结激光器中的pn同质结，这样做既可以向p型有源区内注入载流子，有源区两边的异质结势垒又能分别对注入该区的非平衡少数载流子和该区的多数载流子进行限制，还能利用材料之间的折射率差的光波导效应对有源区内产生的光子在平行于解理面上进行限制。最早由阿尔费洛夫提出的N-Al_xGa_1-xAs/p-GaAs/P-Al_xGa_1-xAs双异质结激光器结构，体现了这种突出特点。如图2.3所示，其中p型有源区的上下分别为p型和n型AlGaAs，利用这种结构的特点，就可以在很薄和不需要重参杂的有源区内使得非平衡电子浓度比电子注入源区（N-AlGaAs）还高。有源区两边对称的光波导结构和超注入效应使载流子复合与激发辐射的区域及光束传播的区域得到进一步的控制，从而使半导体激光器的阈值电流密度进一步减小。双异质结激光器的能带结构、折射率分布和光强分布如图2.4所示。双异质结结构上的对称性，使折射率分布和光强分布的也呈现对称性，同时溢出有源区的光子数也明显减少。一般情况下，室温下的双异质结和单异质结阈值电流密度分别具有1×10³A·cm^-2和1×10⁴A·cm^-2的量级，而同质结则有5×10⁴A·cm^-2的量级^[10]。双异质结半导体激光器极大的降低了阈值电流密度，使半导体激光器可以在室温下连续工作。此后通过对双异质结各层有关元素组分及其有源层厚度的进一步优化，使阈值电流密度进一步大幅下降。例如埃特贝格（Ettenberg）取限制层Al_xGa_1-xAs中的x=0.65、有源层厚度为0.12μm的双异质结激光器，其室温阈值电流密度低达470A·cm^-2，这比最早的双异质结激光器的阈值电流密度下降了近一个数量级^[11]。

图2.3 双异质结结构

图2.4 （a）双异质结激光器的能带结构图；（b）折射率分布；（c）光强分布

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