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4534字开题报告范文,物理学博士论文开篇报告:基于高阶光栅的大功率单纵模半导体激光器研究

论文类型:开题报告
论文字数:4534字
论点:激光器,半导体,光栅
论文概述:

本文为物理学博士论文开题报告范文,以“基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究”为例介绍了物理学博士论文开题报告的写作方法。

论文正文:

基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究
开幕报告
内容
一、选题背景
二.研究的目的和意义
第三,本研究涉及的主要理论
第四,本文的主要内容和研究框架
(一)本研究的主要内容
(2)本文的研究框架
五、写作大纲
六、本文的研究进展
七、读过的文学作品
一、选题背景
与其他类型的激光器相比,半导体激光器具有体积小、寿命长、转换效率高、直接调制等优点。这些优点使其广泛应用于通信和信息技术、印刷和显示、材料加工、医疗、国防等领域。自1962年第一台低温脉冲GaAs激光器发明以来,半导体激光器经历了多次技术革新,在高输出功率、高转换效率和高可靠性方面取得了巨大进展。特别是在当前全球能源短缺的前提下,作为一种高效节能的激光设备,它在工业加工、光通信等领域发挥着越来越重要的作用。
随着半导体材料系统的不断发展,半导体激光器的波长从最初的近红外波段不断扩展到400纳米至3毫米的紫外至太赫兹波段。同时,随着材料生长技术、光刻技术和刻蚀技术等关键技术的不断更新,半导体激光器的输出功率、转换效率和可靠性不断提高。这些进展极大地增强了半导体激光器的实用性,使其具有更广阔的应用前景。
二.研究的目的和意义
高功率单纵模半导体激光器在相干光通信、泵浦固体激光器、国防等领域具有不可替代的优势。由于传统半导体激光器谐振腔的长尺寸远大于波长,因此它不能形成光学模式的有效频率选择机制。在高功率下工作时,其光谱会迅速扩展,导致器件的相干性差,严重影响其在相干光通信和高分辨率光学测试系统中的应用。为了从根本上解决这个问题,本文采用在半导体激光器的光波导中引入高阶布拉格光栅的方法,利用高阶布拉格光栅的散射和反射特性来选择光模,从而实现激光器件的高功率稳定单横模工作。本文主要研究了高阶布拉格光栅耦合半导体激光器(包括高阶光栅DBR激光器和高阶光栅DFB激光器)和单纵模激光器的相干特性。
第三,本研究涉及的主要理论
目前,商用高功率半导体激光器主要位于波长范围为780-1100纳米的近红外波段。近红外高功率半导体激光器是固态激光器和光纤激光器的重要泵浦光源。此外,它在空光通信、激光医疗、激光加工、国防等应用领域发挥着不可替代的作用。随着这些领域对半导体激光器输出功率需求的增加,发展半导体激光器高输出功率技术的重要性不言而喻。近年来,大功率半导体激光器的性能有了很大提高,其中单管激光器的连续输出功率已超过10 W..2012年,德国FBH研究所成功实现了100微米宽激光器的输出功率可达100瓦;基于增大大面积激光器发射功率密度的机理。在准连续条件下,100微米条纹宽度激光器的输出功率大于30W;;在连续注入条件下,30微米条纹宽度激光器的输出功率大于10瓦·[3]。同年,该研究所制作了一台宽DBR和DFB二极管激光器,带宽为975纳米,范围从90微米到100微米,输出连续波功率超过12 W,谱线宽度小于1纳米。当输出功率为10瓦时,功率转换效率高达63%[4]。
单模半导体激光器由于其良好的光谱和相干特性,在光通信领域引起了广泛的关注。近年来,随着半导体材料和技术的进步,其输出功率也有了很大提高。2007年,美国光子公司制造了一种1064纳米波段DBR半导体激光器,实现了700毫瓦的单模输出功率、30毫安的阈值电流和30分贝的侧模抑制比[5]。2009年,公司采用单步分子束外延(MBE)和全息光刻光栅法获得性能良好、斜率效率为0.72瓦/年、输出功率为425毫瓦的974纳米波长器件;。1084纳米波长器件的斜率效率为0.85瓦/瓦,输出功率为550毫瓦[6】。2010年,美国光子公司开发了一种大功率单模DBR半导体激光器。在976纳米和1064纳米波段保持良好稳定性的同时,单模输出功率超过500毫瓦[7]。2014年,德国FBH研究所制造的1066纳米波段DBR半导体激光器在输出功率为3.5 W [8]时实现了65%的功率转换效率。同年,该研究所制造的基于MOPA结构的975纳米带和1064纳米带的可调谐二极管激光器的最大输出功率为16.3瓦,线宽小于10 pm,边缘模式抑制比大于40分贝[9,10]。
第四,本文的主要内容和研究框架
(一)本研究的主要内容
具体研究内容如下:
1.从理论上分析了高阶光栅结构的频率选择机理,研究了半导体激光器的设计理论和制作工艺。
2.研究了高阶光栅DBR激光器的光谱特性和可靠性。
3.通过对激光器光谱特性的研究,发现通过调整高阶光栅的结构参数可以实现特定波长的光模振荡。设计并制作了两种高阶光栅DBR激光器。实现了大功率单模和双模激光器的输出。光谱线宽小于40 pm,侧模抑制比大于38 dB。
4.研制了一种低损耗高阶表面光栅DFB激光器。分析了其频率选择机理,并对其功率和频谱特性进行了测试和分析。获得了连续输出功率为180毫瓦、侧模抑制比大于40分贝的单模激光器。
5.根据部分相干光理论,利用杨氏双缝实验研究了单频半导体激光器的空相干特性,为相干阵列器件的进一步设计奠定了坚实的基础。
(2)本文的研究框架
本文的研究框架可以简单表达如下:
五、写作大纲
概要5-7
摘要7-8
目录9-12
第一章导言12-26
1.1半导体激光器的研究进展12-21
1.1.1高功率半导体激光器12-15
1.1.2高效半导体激光器15
1.1.3高可靠性半导体激光器15-16
1.1.4高光束质量半导体激光器16-18
1.1.5窄线宽半导体激光器18-21
1.2单纵模半导体激光器的研究进展21-23
1.2.1国外单纵模半导体激光器的研究进展22-23
1.2.2中国单纵模半导体激光器的研究进展23
1.3本研究的目的和内容23-26
第二章高阶光栅单纵模半导体激光器的理论设计与分析26-46
2.1半导体激光器的基本特性26-29
2.1.1半导体的辐射跃迁26-27
2.1.2半导体激光器的增益和阈值条件27-29
2.2半导体激光器的输出功率和转换效率29-31
2.2.1半导体激光器的输出功率29-30
2.2.2半导体激光器的转换效率30-31
2.3半导体激光器的纵模和光谱特性31-32
2.4高阶布拉格光栅波导32-38的理论模型
2.4.1分布式反馈(DFB)激光器和分布式布拉格反射器(DBR)激光器32-33
2.4.2散射理论33-36
2.4.3传输矩阵的理论模型36-38
2.5高阶布拉格光栅波导38-42的光学特性分析
2.5.1传输矩阵分析38-40
2.5.2高阶布拉格光栅40-42的损耗光谱
2.6单纵模激光器42-45的空之间的相干分析
2.6.1部分相干光定理42-43
2.6.2相干性的理论计算方法43-45
2.7本章概述45-46
第三章高阶光栅单纵模半导体激光器的制作46-68
3.1外延生长技术46-47
3.2光刻47-52
3.3蚀刻技术52-61
3.3.1干蚀刻52-55
3.3.2二氧化硅和GaAs蚀刻工艺的探索55-59
3.3.3湿腐蚀59-61
3.4薄膜生长技术61-65
3.4.1电绝缘膜生长技术62
3.4.2金属电极生长技术62-64
3.4.3光学薄膜生长技术64-65
3.5高阶光栅半导体激光器的制造65-66
3.6本章总结66-68
第四章高阶光栅分布式布拉格反射器半导体激光器68-94
4.1高阶光栅单纵模分布式布拉格反射器半导体激光器68-81
4.1.1设备结构设计68-76
4.1.2设备准备76-77
4.1.3设备测量结果77-81
4.2双波长高阶光栅分布式布拉格发射激光器81-86
4.2.1设备设计81-83
4.2.2设备准备83-84
4.2.3设备测量结果84-86
4.3高阶光栅耦合半导体激光器86-92的可靠性分析
4.3.1拉曼光谱分析技术的原理87-88
4.3.2测试结果和分析88-92
4.4本章总结92-94
第五章高阶光栅单纵模分布式反馈半导体激光器94-100
5.1设备准备94-96
5.2设备测量结果96-99
5.3本章总结99-100
第六章单纵模半导体激光器相干特性研究空 100-116
VCSEL单管器件间的相干性研究空 100-107
6.1.1部分相干光理论101-103
6.1.2测试结果103-107
6.2垂直腔面发射激光器阵列器件107-114的空相干特性研究
6.2.1设备设计107-110
6.2.2器件制造110
6.2.3测试结果110-114
6.3本章概述114-116
第七章总结与展望116-118
参考文献118-132
六、本文的研究进展(略)
七、读过的主要文献
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