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半导体激光器腔面光学膜关键技术研究

作　者: 李再金
导　师: 王立军
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 半导体激光器光学薄膜灾变光学镜面损伤激光损伤阈值
分类号: TN248.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文围绕半导体激光器所使用的光学薄膜进行了研究与制备。针对高功率半导体激光器对高激光损伤阈值光学膜的要求,主要研究了以下几方面内容:第一,从半导体激光器光学薄膜设计理论出发,对1/4λ周期性多层薄膜的光谱特性和反射带宽进行了分析,并讨论了半导体激光器光学薄膜中的损耗和激光在光学薄膜中的电场强度分布情况,为高激光损伤阈值腔面光学膜的设计和制备提供了理论依据和参考。第二,以半导体激光器理论为依据,系统的模拟了与腔面光学膜相关的边发射半导体激光器的特性,主要包括阈值电流、斜率效率和输出激光功率与前后腔面光学膜反射率之间的关系。模拟结果表明当前后腔面光学膜的反射率取最佳值时,半导体激光器的输出功率达到最大值。第三,研究了边发射半导体激光器腔面灾变光学镜面损伤机理。研究结果表明半导体激光器产生灾变光学镜面损伤最主要的原因是半导体激光器腔面的氧化,抑制半导体激光器腔面的氧化,可以提高光学薄膜激光损伤阈值、半导体激光器的输出功率和器件的可靠性。第四,采用钝化新技术制备了边发射半导体激光器腔面光学薄膜,器件特性测试结果表明钝化技术可使输出功率提高36%,相应薄膜激光损伤阈值提高36%。同时优化设计并制备了垂直腔面发射半导体激光器出光窗口增透膜,增透膜的透射率达到99.95%,成功应用于大功率垂直腔面发射激光器制作工艺中,使出光口径为600μm的单管器件输出功率为2.3W,达到国内报道最好水平。第五,通过实验首次验证了含氧光学薄膜材料和钝化光学薄膜材料对半导体激光器腔面产生的影响,实验测试结果表明含氧光学薄膜会使半导体激光器腔面发生氧化,生成Ga₂O₃氧化物,增加腔面吸收,降低薄膜激光损伤阈值和输出功率,而钝化光学薄膜可以阻止半导体激光器腔面的氧化,阻止Ga₂O₃氧化物的生成,降低了腔面载流子复合,提高薄膜的激光损伤阈值和器件的输出功率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 半导体激光器的研究进展  12-13
  1.2 半导体激光器光学薄膜的研究进展  13-19
    1.2.1 半导体激光器中的光学薄膜  14-16
    1.2.2 半导体激光器腔面光学薄膜制备技术  16-18
    1.2.3 半导体激光器光学薄膜国内外研究情况  18-19
  1.3 论文的主要内容  19-22
第二章半导体激光器光学薄膜理论  22-42
  2.1 周期性多层薄膜理论  22-34
    2.1.1 单层介质薄膜的反射率  22-24
    2.1.2 周期性多层薄膜基本理论  24-29
    2.1.3 1/4λ反射薄膜在中心波长处的光谱特性  29-32
    2.1.4 高反射膜带宽分析  32-34
  2.2 半导体激光薄膜中的损耗  34-38
    2.2.1 反射膜中的吸收损耗  35-36
    2.2.2 反射膜中的散射损耗  36-38
  2.3 光学薄膜中的电场强度分布  38-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章理论模拟与光学薄膜相关的半导体激光器特性  42-58
  3.1 半导体激光器的特性  42-53
    3.1.1 半导体激光产生的光振荡条件  42-47
    3.1.2 半导体激光器主要特性参数  47-53
  3.2 理论模拟半导体激光器几个重要参数  53-57
    3.2.1 模拟阈值电流  54
    3.2.2 模拟斜率效率  54-55
    3.2.3 模拟输出功率  55-57
  3.3 本章小结  57-58
第四章半导体激光薄膜损伤机理和光学薄膜的特性  58-78
  4.1 激光薄膜损伤机理  58-68
    4.1.1 激光薄膜损伤雪崩电离模型  59-61
    4.1.2 多光子吸收电离薄膜损伤  61-63
    4.1.3 薄膜缺陷损伤  63-64
    4.1.4 薄膜场效应损伤  64-68
  4.2 半导体激光器的可靠性  68-72
    4.2.1 材料内部晶体缺陷和应力的影响  69
    4.2.2 暗线和暗点  69-70
    4.2.3 欧姆接触退化和焊料变质  70
    4.2.4 俄歇复合和内部吸收的影响  70-71
    4.2.5 半导体激光器灾变光学镜面损伤  71-72
  4.3 光学薄膜材料的选取  72-77
    4.3.1 紫外区用光学薄膜材料  72-74
    4.3.2 红外区域使用的光学薄膜材料  74-75
    4.3.3 高损伤阈值激光薄膜材料  75-77
  4.4 本章小结  77-78
第五章半导体激光器腔面光学膜的制备  78-102
  5.1 真空  78-81
    5.1.1 真空的定义  78-79
    5.1.2 真空的表示  79-80
    5.1.3 真空的度量单位  80
    5.1.4 真空级别的划分  80-81
  5.2 薄膜的形成过程  81
    5.2.1 吸附过程  81
    5.2.2 成核过程  81
    5.2.3 薄膜的生长  81
  5.3 光学薄膜制备方法  81-87
    5.3.1 溅射方法制备光学薄膜  81-82
    5.3.2 热蒸发方法制备光学薄膜  82-87
  5.4 光学薄膜材料的选取  87-91
    5.4.1 二氧化硅（SiO_2）薄膜材料  87-88
    5.4.2 氧化铝（Al_2O_3）薄膜材料  88-89
    5.4.3 氧化铪（HfO_2）薄膜材料  89
    5.4.4 二氧化钛（TiO_2）薄膜材料  89-91
  5.5 半导体激光器光学薄膜的制备  91-97
    5.5.1 边发射半导体激光器光学薄膜的制备  91-95
    5.5.2 垂直腔面发射激光器出光窗口光学薄膜的制备  95-97
  5.6 光学薄膜对半导体激光器腔面的影响  97-101
    5.6.1 样品准备  97-98
    5.6.2 XPS 分析  98-101
  5.7 本章小结  101-102
第六章结论与展望  102-104
  6.1 全文总结  102-103
  6.2 展望  103-104
参考文献  104-111
在学期间学术成果情况  111-113
指导教师及作者简介  113-114
致谢  114

半导体激光器腔面光学膜关键技术研究

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