环形外腔锥形半导体激光的光场及模式调控研究

Ring external-cavity tapered laser diodes is a new way to produce high brightness laser with narrow spectral width. On purpose of researching the physical basis of the beam quality, spectral characteristics and coupling efficiency, we will make an intensive study of light field and mode control. Based on spatial mode theory of diode laser, the analytical influence model of quantum well and waveguide structures in ring external-cavity tapered laser diodes to factors like higher order lateral mode, the filamentation, ASE and spatial hole burning will be established. In-depth analysis of the light field control and coupling mechanism of the ring external-cavity, combining with theoretical of external-cavity phase locked, tunable narrow width spectrum techniques throughing external cavity VBG method will be explored. By designing a unique fiber ring external-cavity tapered diode lasers system, which introduced a single-mode optical fiber and VBG, the problems of low mode-control precision and coupling efficiency in traditional external cavity methods will be solved. Through this research project, we can notonly deepen the understanding of new principles, new mechanisms of light field and mode control, but also develop the techniques of high brightness and tunablenarrow width spectrum on various kinds of semiconductor lasers.

环形外腔锥形半导体激光器是产生高亮度、窄谱宽激光的新途径，本项目旨在对影响其光 束质量、光谱特性和耦合效率的物理基础：光场分布及模式调控进行深入研究。在半导体激光空间模式理论基础上建立环形腔锥形DL量子阱和波导结构对高阶模、丝状发光、ASE和空间烧孔效应等因素的分析模型，深入分析环形外腔光场调控及耦合机理，并结合外腔锁相理论探索 基于VBG外腔方法的窄谱宽、可调谐光谱技术。设计了独特的光纤环形外腔锥形半导体激光结构，该结构引入单模光纤和VBG，解决传统的外腔方法中模式调控精度低、耦合效率不高等问题。通过本项目研究，不但可以深化对光场及模式调控过程中新原理、新机制的认识，也对发展各类高亮度、窄谱宽可调谐半导体激光技术有重要意义。

高亮度、窄谱宽可调谐的半导体激光是固体激光领域新的研究热点，它可作为高功率固体激光器和高亮度光纤激光器的泵浦源，良好的光束质量可以减小光束整形系统的复杂程度，提高光纤耦合或光谱合成效率，因此具有广阔的应用前景和发展需要。本项目通过DL本征模展开和光束传输理论，建立锥形LD器件结构—模式—光场(电场)分布模型。结合实验深入研究了环形外腔锥形DL光场分布及模式控制的物理过程，明确了空间基模控制对光束质量、光谱特性和耦合效率等关键参数的影响机理，获得了完整系统的光场和模式调控模型。分析了环形腔中注入功率要求、腔隔离微槽等锥形放大器的谐振抑制方法，获得了槽间距W=10μm的最佳值。设计的环形外腔锥形DL结构避免了前后腔面间多模式振荡的问题。在LD空间模式理论基础上揭示了环形外腔配置下，锥形DL的量子阱和波导结构对空间模式、ASE效应等因素的影响规律，阐明了环形外腔光场调控及耦合机理。开发了微尺度下的精密准直耦合技术，对快、慢轴进行光束整形。创新性的将单模光纤引入环形腔系统，不仅起到了空间模式过滤器的作用，其柔性传输特性也降低了耦合难度和损耗。实现了6μm芯径单模光纤与2.4μm×5μm种子光束高效注入方法。并结合外腔锁相理论建立了基于VBG外腔方法的窄谱宽、可调谐光谱方法，采用光线追迹法分析了准直系统对于耦合效率的影响。研制的环形外腔锥形激光器输出3.2W时光束质量M2x=1.07，M2y=1.94近衍射极限，谱宽0.135nm，采用TEC制热对VBG温控可在977.40~978.21nm调谐范围达610pm，且在调谐过程中光谱线宽基本保持不变，获得了高亮度、窄谱宽可调谐激光产生的新途径。

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