物理學(xué)畢業(yè)論文開題報告模板

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　　論文題目：基于高階光柵的高功率單縱模半導(dǎo)體激光器研究

　　一、選題背景

　　半導(dǎo)體激光器相比于其他種類激光器具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：體積小、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制等。這些優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于通信和信息技術(shù)、打印和顯示、材料加工、醫(yī)療及國防等領(lǐng)域。自 1962 年第一只低溫脈沖 GaAs 激光器[1]發(fā)明至今，半導(dǎo)體激光器經(jīng)歷了數(shù)次技術(shù)革新，在高輸出功率、高轉(zhuǎn)換效率、高可靠性等方面取得了長足的進(jìn)步[2]。特別是在當(dāng)前全球能源緊張的前提下，其作為一種高效節(jié)能的激光設(shè)備，在工業(yè)加工、光通信等領(lǐng)域的作用越來越重要。

　　隨著半導(dǎo)體材料體系不斷拓展，半導(dǎo)體激光器的波長由最初的近紅外波段不斷擴(kuò)展，目前涵蓋了從 400 nm 到 3 mm 的紫外到太赫茲波段。同時，隨著材料生長技術(shù)、光刻技術(shù)以及刻蝕技術(shù)等關(guān)鍵工藝不斷更新，半導(dǎo)體激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性等性能指標(biāo)不斷提高。這些進(jìn)步大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體激光器的實(shí)用性，使其擁有了更廣闊的應(yīng)用前景。

　　二、研究目的和意義

　　高功率單縱模半導(dǎo)體激光器在相干光通信、泵浦固體激光器及國防等領(lǐng)域有著其他激光器不可替代的優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的諧振腔長尺寸遠(yuǎn)大于波長量級，無法對光模式形成有效的選頻機(jī)制，在高功率工作時其光譜會迅速展寬，導(dǎo)致器件的相干性變差，嚴(yán)重地影響其在相干光通信和高分辨光學(xué)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。為從根本上解決這個問題，本論文采用在半導(dǎo)體激光器光波導(dǎo)引入高階布拉格光柵的方法，利用高階光柵的散射特性和反射特性進(jìn)行光模式選擇，實(shí)現(xiàn)了激光器件的高功率穩(wěn)定單橫模工作。本文主要對高階布拉格光柵耦合半導(dǎo)體激光器(包括高階光柵 DBR 激光器和高階光柵 DFB 激光器)以及單縱模激光器的相干特性進(jìn)行了研究。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　目前商業(yè)化的高功率半導(dǎo)體激光器主要位于近紅外波段，其波長范圍為780-1100 nm。近紅外高功率半導(dǎo)體激光器是固體激光器和光纖激光器的重要泵浦光源。而且其在空間光通訊、激光醫(yī)療、激光加工及國防等應(yīng)用領(lǐng)域都有著不可替代的作用。隨著這些領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體激光器輸出功率的要求不斷提高，發(fā)展半導(dǎo)體激光器高輸出功率技術(shù)的重要性不言而喻。近幾年來，高功率半導(dǎo)體激光器的性能大幅提升，其中單管激光器的連續(xù)輸出功率已突破 10 W。2012 年，德國 FBH 研究所基于增加大面積激光器發(fā)射功率密度的機(jī)理，成功實(shí)現(xiàn)在短脈沖條件下，100 μm條寬激光器輸出功率達(dá)到100 W;在準(zhǔn)連續(xù)條件下，100 μm 條寬激光器輸出功率大于 30 W;在連續(xù)注入條件下，30 μm 條寬激光器輸出功率大于 10 W[3]。同年，該研究所制作 975 nm 波段條寬為 90 μm-100 μm 的寬區(qū) DBR 及寬區(qū) DFB 二極管激光器，輸出連續(xù)波功率超過12 W，光譜線寬小于 1nm，當(dāng)其輸出功率 10 W 時，功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 63%[4]。

　　單模半導(dǎo)體激光器由于其良好的光譜特性和相干特性，在光通信領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。近幾年隨著半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)的進(jìn)步，其輸出功率也得到了大幅的提升。2007 年，美國 Photodigm 公司制造 1064 nm 波段 DBR 半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)單模輸出功率達(dá)到 700 mW、閾值電流 30 mA、邊模抑制比 30 dB[5]。2009 年，該公司采用單步 MBE，全息光刻光柵法，獲得性能良好的 974 nm 波長器件，斜率效率0.72 W/A，輸出功率達(dá)到425 mW;1084 nm波長器件，斜率效率0.85 W/A、輸出功率達(dá)到 550 mW[6]。2010 年美國 Photodigm 公司又研制出高功率單模 DBR半導(dǎo)體激光器，在 976 nm 波段和 1064 nm 波段保持良好的穩(wěn)定性的同時，單模輸出功率超過 500 mW[7]。2014 年，德國 FBH 研究所制作的 1066 nm 波段 DBR半導(dǎo)體激光器，輸出功率 3.5 W 時、功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 65%[8]。同年，該研究所制作的基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的 975 nm 波段和 1064 nm 波段的可調(diào)諧二極管激光器，最大輸出功率 16.3 W、線寬小于 10 pm、邊模抑制比大于 40 dB[9,10]。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容及研究框架

　　(一)本文研究的主要內(nèi)容

　　具體研究內(nèi)容如下：

　　1、對高階光柵結(jié)構(gòu)的選頻機(jī)理進(jìn)行了理論分析，并研究了半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)理論及制備工藝。

　　2、對高階光柵 DBR 激光器的光譜特性和可靠性進(jìn)行了研究。

　　3、通過激光器的光譜特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整高階光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)特定波長光模式振蕩。設(shè)計(jì)并制備了兩種高階光柵 DBR 激光器，實(shí)現(xiàn)了高功率單模與雙模激光輸出，光譜線寬小于 40 pm，邊模抑制比大于 38 dB。

　　4、研制出一種低損耗高階表面光柵 DFB 激光器，對其選頻機(jī)制進(jìn)行了分析，對其功率特性和光譜特性進(jìn)行了測試與分析，得到了連續(xù)輸出功率 180 mW，邊模抑制比大于 40 dB 的單模激光輸出。

　　5、根據(jù)部分相干光理論，采用楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，研究了單頻半導(dǎo)體激光器的空間相干特性，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)相干列陣器件工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　(二)本文研究框架

　　本文研究框架可簡單表示為：

　　五、寫作提綱

 

　　摘要 5-7

　　Abstract 7-8

　　目錄 9-12

　　第1章 緒論 12-26

　　1.1 半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展 12-21

　　1.1.1 高功率半導(dǎo)體激光器 12-15

　　1.1.2 高效率半導(dǎo)體激光器 15

　　1.1.3 高可靠性半導(dǎo)體激光器 15-16

　　1.1.4 高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器 16-18

　　1.1.5 窄線寬半導(dǎo)體激光器 18-21

　　1.2 單縱模半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展 21-23

　　1.2.1 國外單縱模半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展 22-23

　　1.2.2 國內(nèi)單縱模半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展 23

　　1.3 本文的研究目的與內(nèi)容 23-26

　　第2章 高階光柵單縱模半導(dǎo)體激光器理論設(shè)計(jì)與分析 26-46

　　2.1 半導(dǎo)體激光器的基本特性 26-29

　　2.1.1 半導(dǎo)體的輻射躍遷 26-27

　　2.1.2 半導(dǎo)體激光器的增益與閾值條件 27-29

　　2.2 半導(dǎo)體激光器的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率 29-31

　　2.2.1 半導(dǎo)體激光器的輸出功率 29-30

　　2.2.2 半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)化效率 30-31

　　2.3 半導(dǎo)體激光器的縱模與光譜特性 31-32

　　2.4 高階布拉格光柵波導(dǎo)的理論模型 32-38

　　2.4.1 分布反饋(DFB)激光器和分布布拉格反射(DBR)激光器 32-33

　　2.4.2 散射理論 33-36

　　2.4.3 傳輸矩陣?yán)碚撃Ｐ?36-38

　　2.5 高階布拉格光柵波導(dǎo)的光學(xué)特性分析 38-42

　　2.5.1 傳輸矩陣分析 38-40

　　2.5.2 高階布拉格光柵的損耗光譜 40-42

　　2.6 單縱模激光器的空間相干性分析 42-45

　　2.6.1 部分相干光定理 42-43

　　2.6.2 相干度理論計(jì)算方法 43-45

　　2.7 本章小結(jié) 45-46

　　第3章 高階光柵單縱模半導(dǎo)體激光器制備 46-68

　　3.1 外延生長技術(shù) 46-47

　　3.2 光刻技術(shù) 47-52

　　3.3 刻蝕技術(shù) 52-61

　　3.3.1 干法刻蝕 52-55

　　3.3.2 SiO2和GaAs刻蝕工藝探索 55-59

　　3.3.3 濕法腐蝕 59-61

　　3.4 薄膜生長技術(shù) 61-65

　　3.4.1 電絕緣膜生長技術(shù) 62

　　3.4.2 金屬電極生長技術(shù) 62-64

　　3.4.3 光學(xué)薄膜生長技術(shù) 64-65

　　3.5 高階光柵半導(dǎo)體激光器的制備 65-66

　　3.6 本章小結(jié) 66-68

　　第4章 高階光柵分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器 68-94

　　4.1 高階光柵單縱模分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器 68-81

　　4.1.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 68-76

　　4.1.2 器件制備 76-77

　　4.1.3 器件測量結(jié)果 77-81

　　4.2 雙波長高階光柵分布布拉格發(fā)射激光器 81-86

　　4.2.1 器件設(shè)計(jì) 81-83

　　4.2.2 器件制備 83-84

　　4.2.3 器件測量結(jié)果 84-86

　　4.3 高階光柵耦合半導(dǎo)體激光器可靠性分析 86-92

　　4.3.1 拉曼光譜分析技術(shù)原理 87-88

　　4.3.2 測試結(jié)果與分析 88-92

　　4.4 本章小結(jié) 92-94

　　第5章 高階光柵單縱模分布反饋半導(dǎo)體激光器 94-100

　　5.1 器件制備 94-96

　　5.2 器件測量結(jié)果 96-99

　　5.3 本章小結(jié) 99-100

　　第6章 單縱模半導(dǎo)體激光器件空間相干特性的研究 100-116

　　6.1 VCSEL單管器件空間相干性研究 100-107

　　6.1.1 部分相干光理論 101-103

　　6.1.2 測試結(jié)果 103-107

　　6.2 VCSEL列陣器件的空間相干特性研究 107-114

　　6.2.1 器件設(shè)計(jì) 107-110

　　6.2.2 器件制備 110

　　6.2.3 測試結(jié)果 110-114

　　6.3 本章小結(jié) 114-116

　　第7章 總結(jié)與展望 116-118

　　參考文獻(xiàn) 118-132

　　六、本文研究進(jìn)展(略)

　　七、參考文獻(xiàn)

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