基于飞秒激光直写的边发射半导体激光器整形技术研究

【摘要】半导体激光器具有体积小、容易集成、高效率、长寿命和相对较低的成本等优点，被广泛地应用在光纤通信和激光加工等领域。其中边发射半导体激光器由于其高的发光功率和高稳定性而在材料处理和激光加工等方面具有很好的应用前景。然而，边发射半导体激光器的出射光束存在严重的质量缺陷而影响了其在广泛领域的应用。例如其较大的且不对称的发散角，一般边发射半导体激光器的出射光束在快轴方向的发散角在300-600之间，慢轴方向的发散角在100-150之间。出射光束在快轴和慢轴方向束腰的位置不同，及存在本征象散。为解决目前存在的问题对边发射半导体激光器进行整形非常必要。整形透镜的制备采用飞秒激光直写技术，近年来飞秒激光直写技术凭借其高精度、突破衍射极限、可制备真三维结构等优势逐渐成为微加工领域的重要技术手段。飞秒激光由物镜聚焦到材料内部，材料在激光的焦点位置可发生双光子吸收从而引发有机单体的光致聚合反应。控制激光焦点在材料内部逐点曝光可以使材料内部特定结构区域发生人为的聚合，再利用有机溶剂清除掉未曝光过的位置即可留下设计的结构。利用飞秒激光直写技术以及材料的双光子聚合吸收特性可制备任意形貌的三维立体结构。本文针对边发射半导体激光器的发光性质创新性地提出了利用单个微透镜进行整形。微透镜整体为椭圆形，侧面轮廓为双曲面，长轴和短轴直径分别为400微米和340微米，高度为139微米，长轴和短轴焦距分别为200微米和320微米。透镜的材料为SU-8光刻胶，该光刻胶具有较好的机械性能、光学性能，在400纳米以上吸收很小。本文首先介绍了目前半导体激光器的发展现状和光束整形方法，接着介绍了飞秒激光直写技术。然后对边发射半导体激光器的光束性质做定量分析，确定整形透镜的最优参数。接着利用飞秒激光直写技术制备整形透镜，并对透镜的几何形貌及光学性能进行表征。最后测试了整形后的发散角及光纤耦合效率，整形后快轴、慢轴的发散角从60.20和9.30降低到6.9mrad和32.3mrad，与单模光纤的耦合效率达到85%以上，并对实验结果进行了理论分析。本工作为提高半导体激光器的光束质量提出了切实可行的解决方案，并将推进半导体激光器在对光束质量要求高场合的应用。
【作者】田振男；
【导师】张汉壮；
【作者基本信息】吉林大学，光学，2014，硕士
【关键词】边发射半导体激光器；光束整形；飞秒激光直写；微光学；

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