高功率垂直腔面发射激光器的偏振特性

目前大多数激光显示研究中采用的激光光源是用高功率边发射半导体激光器列阵泵浦全固态激光器，再经频率变换生成红、绿、蓝三基色光源，高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）与边发射半导体激光器列阵相比具有体积小、光束质量好、效率高等优点。特别是以VCSEL结构为基础，通过外腔输出镜构成的扩展腔进行高效腔内激光倍频实现红、绿、蓝三基色输出，其光源体积小、成本低、集成度高，是未来激光显示领域很有竞争力的光源技术。在进行腔内倍频实现蓝、绿光输出时，基频光的偏振特性对倍频效率影响很大，必须解决的关键问题是对VCSEL输出光束的偏振特性进行控制。围绕大口径VCSEL的偏振特性研究，本论文主要开展了以下几个方面的工作：首先，调研了国内外VCSEL的偏振控制实施方案，针对实验室的具体情况，提出适合大口径器件的偏振控制实施方案，即在底发射和顶发射VCSEL中引入矩形柱结构和在顶发射VCSEL器件中引入浅面浮雕结构。其次，从理论上分析了圆形VCSEL的横模行为和偏振模式，计算了底发射和顶发射矩形大口径VCSEL的偏振功率和激射光谱，模拟了矩形VCSEL的输出性能，同时对浅面浮雕结构VCSEL的几个输出特性参数进行理论分析和模拟，包括分布布拉格反射器（DBR）的反射率、阈值增益、阈值电流和输出功率。然后，对偏振结构VCSEL制备的关键工艺技术进行研究，例如材料外延生长、清洗、光刻、湿法腐蚀、湿法氧化和金属欧姆接触电极。合理安排了制备大口径矩形底发射、顶发射VCSEL和浅面浮雕结构VCSEL的工艺流程，并在器件工艺上完成了这些偏振结构器件的制备工作。最后，对矩形柱结构底发射、顶发射VCSEL、浅面浮雕VCSEL器件进行了性能测试与分析，所用器件的激射波长为980nm。实验结果发现，矩形VCSEL中，沿着长边出射的水平偏振光和沿着短边出射的竖直偏振光在工作电流内共同存在，而且水平偏振光一直占据主导地位；水平偏振光的激射光谱相对于竖直偏振光发生蓝移现象。这些测试结果和矩形VCSEL的理论模拟结果基本一致。用出光口径550×300μm2的底发射器件与直径300μm的圆形VCSEL进行功率偏振比较，发现使用矩形柱结构能够稳定和控制VCSEL的偏振方向。矩形VCSEL器件获得了高功率的偏振激光：底发射器件最高输出342mW的偏振激光，最高偏振比为2.1:1；顶发射器件最高输出31mW的偏振激光，最高偏振比接近3:1。在顶发射矩形VCSEL的P面出光窗口刻蚀浅面浮雕结构，使得器件的总输出功率在初测时达到360mW，同时也增大了VCSEL的阈值电流，改善了矩形VCSEL的偏振选择性。采用了矩形柱结构和浅面浮雕结构对大口径VCSEL的偏振特性进行研究，理论上模拟了大口径VCSEL的偏振特性，实验上获得了高功率的偏振激光，从而为未来的列阵器件偏振控制研究和激光腔内倍频打下了良好的理论和实验基础。