长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春130022
目前, 利用氧化锌(ZnO)微纳米线结构形成具有自然谐振腔的紫外激光器件引起国内外广泛关注。针对ZnO本征缺陷导致器件发光及稳定性不足等问题, 开展金属局域等离子激元局域场发光增强方面的研究, 对ZnO基紫外激光器件的应用具有十分重要的意义。本文通过理论仿真构建氧化锌微米线结构模型, 对微腔光学损耗及Fabry-Perot(F-P)谐振腔模式演化进行了理论分析。得到ZnO微腔直径变化与F-P谐振模式演化、光学损耗和光强分布的关系。在此基础上通过金属Ag纳米颗粒对ZnO微米线6个表面进行修饰, 发现金属局域表面等离子激元共振耦合效应对微腔周围的损耗光有明显的抑制作用, 并且在金属与微腔的交叉区通过共振耦合效应实现局域场增强。模拟结果表明, 在损耗较大的微腔表面修饰Ag纳米颗粒以后, 光场限域能力提高672%, 而在金属颗粒之间沿X轴方向产生二次耦合现象, 其电场强度更有2倍的增强效果。
F-P谐振腔 金属局域表面等离子激元 光学损耗 局域场增强 F-P resonator metal local surface plasmons optical loss local field enhancement
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of High-Power Semiconductor Laser, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
The effect of thermal annealing on the optical properties, microstructure, and laser-induced damage threshold (LIDT) of HfO2/Ta2O5/SiO2 HR films has been investigated. The transmission spectra shift to a short wavelength and the X-ray diffraction peaks of monoclinic structure HfO2 are enhanced after thermal annealing. The calculated results of the m( 111) diffraction peak show that the HfO2 grain size is increased, which is conducive to increasing the thermal conductivity. Thermal annealing also reduces the laser absorption of high-reflection films. The improvement of thermal conductivity and the decrease of laser absorption both contribute to the improvement of LIDT. The experimental results show that the highest LIDT of 22.4 J/cm2 is obtained at 300°C annealing temperature. With the further increase of annealing temperature, the damage changes from thermal stress damage to thermal explosion damage, resulting in the decrease of LIDT.
310.1620 Interference coatings 310.4165 Multilayer design 310.4925 Other properties (stress, chemical,etc.) Chinese Optics Letters
2019, 17(11): 113101
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
为了进一步提高TiO2薄膜的光学特性和激光损伤阈值, 采用电子束蒸发技术在K9玻璃上沉积了单层TiO2薄膜, 并用Ar/O混合等离子体对样品进行后处理。通过研究薄膜光谱特性、表面缺陷密度、薄膜表面形貌、薄膜损伤阈值以及薄膜损伤形貌, 分析了等离子体后处理时间对TiO2薄膜激光损伤特性的影响。实验结果表明, 随着等离子体后处理时间的增加, 薄膜折射率及致密度提高, 物理厚度减少, 表面粗糙度下降, 表面缺陷密度先减少后增加; 在1 064 nm激光辐射下, TiO2薄膜的激光损伤阈值从未经等离子后处理的5.6 J/cm2提升至后处理20 min的9.65 J/cm2, 提升幅度高达72.3%, 因此能够更广泛更稳定地应用在激光器中。
TiO2薄膜 电子束蒸发 光学常数 等离子后处理 激光损伤阈值 TiO2 thin film electron beam evaporation optical constant plasma treatment laser damage threshold
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 长春 130022
研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应, 并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布, 分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响, 模拟半径为50 nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟, 分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式, 即密集颗粒之间的近场耦合形成的“hotspots”.此外, 研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响, 发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560~680 nm波段, 而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后, 金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510~550 nm波段, 形成与532 nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后, 实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.
发光增强 局域场增强 共振吸收 金纳米颗粒 光致发光 Luminescence enhancement Local field enhancement Resonance absorption Gold nanoparticle Photoluminescence
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
激光诱导损伤阈值是大功率光学系统中重要参数, 其数值大小对激光系统的输出功率与稳定性具有重要影响。为了突破损伤阈值对激光光学系统输出功率的限制, 科研人员主要从制备薄膜工艺、激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺等方面开展研究。本文介绍了高反膜理论、制备工艺; 综述了近十年来国内外对高反膜损伤研究的成果; 阐述了激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺对薄膜损伤阈值的影响。在此基础上, 对提高高反膜损伤阈值的研究和发展趋势进行了分析与展望。
激光损伤 光学薄膜 高反膜 损伤阈值 laser damage optical film high reflective film damage threshold
1 中国科学院自动化研究所 精密感知与控制研究中心, 北京 100190
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
设计并搭建了一套光学元件表面损伤检测装置, 用于激光损伤实验中光学元件表面损伤的自动化在线检测。装置主要由自动变倍显微相机、高精度位移传感器、两维扫描轴、调焦轴、快速复位平台和系统控制器组成。两维扫描轴按照规划好的“弓”形路径对光学元件表面激光辐照区域进行扫描, 调焦轴对位移传感器反馈的离焦量进行实时修正, 显微相机采集子图像并进行保存。首先, 分析影响图像拼接精度的主要误差源并通过图像矫正等方法进行补偿; 然后, 利用图像拼接技术将矫正后的子图像矩阵进行高精度无缝拼接, 得到大面积高分辨率的光学元件表面损伤图像; 最后, 对损伤图像进行后处理得到损伤个数和损伤面积等信息。实验结果表明: 装置在5 min内实现了光学元件表面15 mm×15 mm区域的扫描拼接和检测, 成像系统分辨率优于228 lp/mm, 图像拼接误差小于2 pixel。
图像拼接 损伤检测 光学元件 自动化 image mosaic damage inspection optical element automation 红外与激光工程
2018, 47(4): 0417003
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
设计并研究了一种工作于2 μm波段的GaSb基亚波长高对比度光栅反射镜, 其具有低折射率光栅层结构。通过严格耦合波理论优化结构, 以最大限度地满足VCSEL腔面反射镜对反射率带宽的要求。反射镜对2 μm波段的TM模式具有优良的反射效率, 带宽与设计波长之比达15%(反射率R>99%), 在反射率R>99.9%的部分Δλ/λ0>9.5%, 带宽中心波长为2.003 μm, 与此同时TE模的反射率不超过70.20%。该反射镜结构中几个参数的制作容差较大, 且厚度低于1.1 μm, 有利于在垂直腔面发射半导体激光器上的单片集成。
亚波长光栅 反射镜 垂直腔面发射激光器 subwavelength grating mirror VCSEL GaSb GaSb
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022
2 μm~5 μm波段GaSb基VCSEL对大气检测技术有着重要的应用，但制备技术的不成熟严重制约着GaSb基VCSEL的发展。刻蚀工艺中出现的下切效应就是器件制备中存在的突出问题。针对上述问题，选择三种不同成分的磷酸系刻蚀液进行了对比性刻蚀实验，并通过台阶仪、扫描电子显微镜(SEM)测试观察了刻蚀速率和表面形貌。实验分析表明，浓度配比为1 mL:1 mL:0.6 g:10 mL的H3PO4:H2O2:C4H6O6:H2O刻蚀液具有良好的腐蚀效果，消除了以往腐蚀过程中出现的下切效应，且垂直形貌好，未出现钻蚀现象，晶片表面平整且光滑，且保持稳定的刻蚀速率0.62 μm/min，为激光器制备提供了良好的前期实验基础。
垂直腔面发射激光器 腐蚀速率 表面形貌 酒石酸 Gallium Antimonide GaSb VCSEL etching rate surface morphology tartaric acid
长春理工大学高功率半导体激光国防科技国家重点实验室, 吉林 长春 130022
根据分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理，优化量子阱(QW)和DBR结构，采用Crosslight 计算机模拟软件模拟了垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的反射谱和QW增益谱，确定QW组分、厚度以及DBR的对数。采用分子束外延技术外延生长并制备了850 nm顶发射VCSEL。测试结果表明，阱宽为5 nm的In0.075Ga0.925As/Al0.35Ga0.65As QW，在室温下激射波长在840 nm左右，设计的顶发射VCSEL结构通过Ocean Optics Spectra Suite软件验证，得到室温下的光谱中心波长在850 nm附近，证实了结构设计的正确性。
激光器 垂直腔面发射激光器 量子阱 分布布拉格反射镜 反射率
