为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量, 基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明, 随着电流从1 A增加到10 A, 快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加, 但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小, 光束质量因子M2仅从1.32增加到1.48, 光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射, 使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大, 光束质量因子M2从5.44增加到11.76, 光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明, 在快轴方向, 两者差别较大, 不能使用傍轴光束定义近似计算; 在慢轴方向, 两者近似相等, 可以使用傍轴光束定义近似计算。

针对目前SERS基底上金属颗粒制备过程中存在的分布不均匀、 易氧化和稳定性差等缺点, 通过热蒸镀和高温退火获得分布均匀的SERS基底; 同时结合石墨烯优良的光学性能、 化学惰性、 荧光猝灭以及本身的SERS增强等优点, 制备了稳定的石墨烯-银纳米颗粒(GE/AgNPs) 复合结构SERS基底。 通过GE/AgNPs复合结构的拉曼光谱稳定性试验证明了石墨烯在GE/AgNPs结构中起到隔绝银纳米颗粒与空气直接接触及催化氧化银脱氧的作用, 有利于SERS基底的时间稳定性。 (1) 石墨烯、 Ag纳米颗粒及其复合结构的制备。 首先采用热蒸镀和高温退火的方法使Ag纳米颗粒均匀地沉积在SiO2/Si基底上, 再采用化学气相沉积法在Cu箔上制备少层石墨烯, 并用湿法转移法将石墨烯转移到目标基底上, 并实验研究了以不同的退火顺序对GE/AgNPs基底造成的影响。 (2) 石墨烯、 Ag纳米颗粒及其复合基底的表征。 分别采用光学显微镜、 扫描电子显微镜和拉曼光谱进行表征, 得到转移后的纯石墨烯较完整地覆盖在SiO2/Si基底上面, 表面比较平整, 但在少数地方仍然存在褶皱和杂质; SEM表征结果表明对于不同制备流程的GE/AgNPs复合结构上的Ag纳米颗粒基本呈球形。 基本符合Ostwald熟化理论, 通过对退火温度和时间的控制能获得平均粒径在40~60 nm的银颗粒, 且分布较均匀。 此外, 在不同退火顺序中, 石墨烯的加入对银纳米颗粒的扩散形成扩散势垒, 从而出现较大的不规则的颗粒。 (3) 基底稳定性试验和仿真分析。 通过基底本身的Raman mapping测试, 分析了石墨烯拉曼特征峰峰值和半高宽的变化, 得知基底对石墨烯本身的拉曼增强效果主要来源于银纳米颗粒间的电磁场增强。 同时采用浓度为10-6 mol·L-1的罗丹明6G (R6G)水溶液作为探针分子, 对转移了石墨烯的GE/AgNPs复合基底和未转移石墨烯的Ag纳米颗粒基底进行了SERS稳定性实验。 结果表明GE/AgNPs复合基底在1~33 d内衰减较缓慢, 30 d后仍能探测到拉曼信号约为原来信号的35.1%~40.6%; 而纯Ag基底上随着Ag纳米颗粒在空气中迅速氧化, 基底的SERS性能显著下降, 在30 d后只有原来信号的5.9%~11.3%。 此外, 通过实验得到覆盖了石墨烯之后的增强因子约为6.05×105。 最后采用时域有限差分算法(FDTD) 计算了复合结构的电磁场分布和理论增强因子, 其理论增强因子可以达到5.7×105。 实验和仿真结果的差异, 主要是源于石墨烯的化学增强作用。

在半导体激光器芯片与热沉的焊接过程中不可避免地会在焊料层产生一些空洞,而空洞会在铟的电迁移以及电热迁移作用下慢慢变大,使芯片局部温度迅速上升, 进而影响半导体激光器的性能。针对10 W的808 nm单管焊装半导体激光器建立三维有限元模型, 分别模拟计算了空洞面积、空洞厚度和空洞位置与结温的关系。芯片出光面边缘的有源区区域形成的空洞对芯片的结温影响更为显著, 最后得到空洞面积与器件结温的关系, 并表明对空洞率控制的重要性。

基于Silvaco二维数值仿真研究了界面陷阱对背照式p-on-n台面型InSb光伏红外探测器串音和量子效率的影响,通过分析探测器中复合率分布、空穴电流密度分布、电场分布等与界面陷阱的空间分布及浓度的相关性,揭示了界面陷阱影响探测器的稳态性能的内在物理机制.研究结果表明,N-型InSb有源区与钝化层界面处的陷阱和像元台面间的界面陷阱都会在提高串音性能的同时降低量子效率,但由于两者作用区域不同,所以对两种性能的影响程度不同.

为了快捷而有效地检测半导体激光器的封装应力，设计了一种通过检测激光器巴条各个单元偏振度揭示出其封装应力分布的实验方法。实验测试半导体激光器巴条的各项参数，并利用有限元软件模拟，通过半导体能带与应力理论，说明偏振度与封装应力的影响关系。实验表明，巴条个别发光单元的偏振度较低、阈值电流较高是由于封装应力较大。通过计算，封装应力为141.92 MPa，偏振等效应力最大为26.73 MPa。实验器件在阈值以下的偏振度较好地反映了封装应力的分布趋势。利用阈值电流以下测量器件偏振度，可以为选择热沉及焊料材料、焊接工艺参数的改进等方面提供一个较为快捷而有效的检测方法。

应用ZEMAX软件设计出高亮度大功率光纤耦合模块。采用16支输出功率12 W的单偏振态单边发射半导体激光器, 耦合进芯径100 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块输出功率达到189.4 W, 耦合效率达到98.6%, 亮度达到94.66 MW/cm2-str。通过SolidWorks软件优化得到新热沉结构, 应用ANSYS软件进行热分析, 结果表明新热沉结构最高温度为42.4 ℃, 相比优化前温度降低1 ℃以上, 得到良好散热结构模型。

基于氧化物半导体的光催化特性, 能够降解有机物分子, 使表面增强拉曼散射基底得以重复使用。 提出了银纳米颗粒有效修饰覆盖有石墨烯的二氧化钛纳米棒阵列(TiO2/石墨烯/Ag)复合结构作为表面增强拉曼散射基底, 并对其进行了实验研究。 利用水热法制备了二氧化钛纳米棒阵列; 采用湿法转移石墨烯和光照还原方法制备了TiO2/石墨烯/Ag复合结构。 用罗丹明6G(R6G)分子作为探测分子, 结果表明: 随着紫外光照沉积时间增加, 探针分子的拉曼信号先增强后减弱; 计算得到最大增强因子值约为2.6×106。 此外, 还对TiO2/石墨烯/Ag复合结构的紫外自清洁特性进行了初步实验, 结果表明, 紫外光照射20 min后, 其拉曼强度下降到42.3%, 具有一定的紫外清洁效果。

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果, 基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构, 研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下, 腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K, 热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构, 使封装激光器的结温降低为333.8 K, 热阻减小到3.5 K/W。计算表明, 其输出功率可提高近20%。

为了直观、 准确地定量分析表面拉曼增强散射基底结构的拉曼增强, 利用磁控溅射和高温退火的方法制备了银纳米粒子修饰垂直排列的碳纳米管阵列三维复合结构样品; 实验采用罗丹明6G(R6G)溶剂作为探针分子, 结合共聚焦显微拉曼系统, 开展了表面增强拉曼增强因子(EF)分析计算的相关实验。 SEM结果表明: 在有序碳纳米管阵列的表面和外壁均匀地负载了大量银纳米粒子。 对退火温度为450 ℃, 退火时间为30 min的样品进行了EF计算, 得到其增强因子约为2.2×103, 并分析了EF值低的原因主要是: 在碳纳米管上溅射的银膜膜厚不均匀, 导致退火后银颗粒分布不均, 使得样品粗糙度值偏大, EF值较低; 实验中所用的激励光源并非银纳米颗粒的优化光源。