多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法, 但其存在封装方式单一、体积大等问题, 难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构, 通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间, 使得器件更加小型化, 在充分利用单管半导体激光器优势的同时, 既增加了单管半导体激光器的散热通道, 又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟, 将光束耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 可以达到28.6 W的激光输出, 耦合效率为95%。

基于严格耦合波理论设计了一种以液晶为低折射率材料的Si-SiO2复合高对比光栅,该光栅适合用于实现液晶可调谐功能的垂直腔面发射半导体激光器件。当940 nm 的TM偏振光入射时,通过优化参数可得到宽带(Δλ=256 nm)高反射率(R>99%)且具有偏振稳定性的光栅结构,满足垂直腔面发射半导体激光器顶部腔面反射镜要求。液晶折射率的改变不会影响光栅的性能,未来有望将高对比光栅或混合光栅与液晶可调谐垂直腔面发射半导体激光器相结合,实现可调谐半导体激光器。

为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低, 增加封装结构的散热性能, 降低器件封装成本, 提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后, 封装器件的工作热阻更低, 散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比, 有源区结温降低4.5 K, 热阻降低0.45 K/W。通过计算可知, 激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下, 确定铜钨合金与石墨的结构尺寸, 以达到最好的散热效果。

锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点, 因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发, 对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述, 介绍其理论研究和实验进展, 并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。

针对基于半导体可饱和吸收体(Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM)被动锁模光纤激光器脉冲底座宽和脉冲能量小的问题展开研究, 设计了一种线型腔结构的双SESAM锁模超短脉冲光纤激光器。首先, 通过增加SESAM个数的方式使得光脉冲在谐振腔中的一个振荡周期内多次经过可饱和吸收体, 有效增加了可饱和吸收体对光脉冲前后沿的吸收, 抑制了因泵浦功率过大而产生的调Q锁模效应, 有助于压缩脉冲宽度、提高单脉冲能量, 摆脱了因SESAM调制深度较低而对压缩脉冲宽度和提高单脉冲能量造成的限制。其次, 通过在系统中引入一段正色散光纤, 降低了因峰值功率过高而引起的非线性效应, 进一步提高了脉冲能量。最后, 在相同调制深度及饱和通量条件下, 与单SESAM锁模相比, 双SESAM锁模光纤激光器输出脉冲宽度由693 fs降低到449 fs, 缩短了35.2%, 脉冲能量由2.92 nJ提高到5.31 nJ, 上升45%。

制备了一种基于天然产物槲皮素接枝硅包银核壳结构的纳米荧光传感器（Ag@SiO2@Qc）， 对铜离子具有好的选择性和灵敏性。 Ag@SiO2@Qc与Cu2+离子结合后， 荧光发射强度发生猝灭， 并且可通过荧光滴定光谱得到了荧光滴定曲线： y = -32.864x+587.59（R2=0.998）， 其线性范围分别为： 3×10-7~4.8×10-6 mol·L-1， 最低检测限为1.0×10-7 mol·L-1。 并且将Ag@SiO2@Qc应用于环境中水样的检测结果的准确度好， 精密度高， 而且更加环保、 方便、 快捷， 具有很大发展潜力与应用价值。

锥形半导体激光器具有高亮度、高光束质量等特点。通过借助数值模拟仿真软件Lastip, 优化设计了976 nm锥形半导体激光器结构。在低光限制因子Г条件下, 确定了InGaAs/AlGaAs量子阱厚度及非对称波导厚度比值关键参数, 并分析了主振荡器的注入光功率和耦合进锥形区的基侧模衍射分布特性。研究结果表明: 与传统的单量子阱器件结构相比, 当光限制因子Г相同均为2%时, 在工作电流为3 A条件下, 优化设计的非对称双量子阱结构主振荡器的基侧模分布更为集中。其注入光功率由2.76 W提升至3.67 W, 同时耦合进锥形区的基侧模衍射分布更为均匀, 并具有稳定的电光转换效率。

为了实现高频率的调制激光输出, 设计了一种驱动系统由信号放大、电流调制、过流保护和具有慢启动功能的直流偏置电路高度集成的半导体激光高频调制系统。此系统采用了结构简单的直接调制方式, 运用线性调频的高频信号去控制半导体激光器发射激光的强度, 从而实现高频调制。在运用OrCAD/PSpice对高频调制驱动系统进行模拟仿真的基础上, 最终研制出的半导体激光高频调制系统实现了频率为40.02 MHz、直流偏置为493.326 mA、正弦波调制电流峰峰值为850 mA的高频调制输出, 调制激光平均功率为300 mW。

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上，从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化，我们在传统CS热沉的基础上，引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构，对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下，一方面，当仅有GCF材料，并且其长度为8 mm时，温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃；另一方面，在合理的温升范围内，当GCF的长度为8 mm时，结合增加热沉热阻的孔状结构时，温差进一步降低到3.18 ℃。