News Center
高功率窄譜寬：780nm寬條DFB激光器功率突破10W
12/30
2024
在激光技術快速發(fā)展的今天，高功率和窄譜寬激光器已成為眾多科學與工業(yè)領域的核心需求。近日，j9國際站備用CTO、四川大學王俊教授研究團隊開發(fā)的一款780nm寬條分布反饋（DFB）激光器取得重大突破，室溫連續(xù)輸出功率超過10W。這項研究成果在光子學領域權威期刊《IEEE Photonics Journal》上發(fā)表，展現了團隊在高性能激光器設計方面的重要進展。
?
研究背景? ?
?
780 nm激光器是堿金屬蒸汽激光器（DPAL）的關鍵泵浦光源，在精密科學、工業(yè)加工以及國防領域中具有廣泛需求。然而，傳統(tǒng)的Fabry-Pérot（FP）激光器雖然功率高，但光譜寬度過大且波長穩(wěn)定性差，難以滿足應用需求。分布反饋（DFB）激光器因其嵌入布拉格光柵，可實現窄譜寬和良好的波長穩(wěn)定性，成為理想選擇。然而，在實現高功率和窄譜寬兼顧的同時，仍存在諸多技術難題。DFB激光器發(fā)展歷程如圖1所示，相比于9xxnm器件，7xxnm 芯片的功率的發(fā)展是相對落后，這主要受到市場需求和材料的限制，需要解決的問題也就是功率提升和內置光柵的生長。780nm寬區(qū)DFB激光器的報道較少，在2005年，費迪南-布勞恩研究所(FBH)設計了50um條寬的780nm DFB激光器，功率為2.4W，這是迄今為止780nm DFB激光器的最高功率。對于抽運堿金屬激光系統(tǒng)，寬區(qū)DFB激光器在多個側模式下工作，會導致不可避免的光譜展寬，但它們可以提供十倍于RW器件的輸出功率。因此，開發(fā)高功率寬區(qū)780nm DFB激光器至關重要，為科學和工業(yè)應用帶來了新的可能。
?
?圖1 7xxnm與9xxnmDFB激光器的發(fā)展歷程
?
研究亮點?
?
四川大學電子信息學院及蘇州j9國際站備用光電技術股份有限公司王俊教授研究團隊聚焦于780 nm波長，深入研究了限制寬區(qū)DFB激光器輸出功率的因素，攻克了多個技術難點，如光柵設計和材料生長。設計了一種基于InGaAsP/InGaP材料的DFB激光器，結果如圖1所示，在室溫下實現了超過10 W的連續(xù)輸出功率，譜線寬度(FWHM)小于0.5 nm，可以在寬電流和寬溫度范圍內有效地工作。
?
圖1 780nm寬區(qū)DFB激光器外延結構及光柵層序
?
01｜優(yōu)化光柵設計
?
該研究團隊基于耦合模理論（CMT）構建了光柵分析模型，通過調整光柵耦合強度（κL控制在0.4-0.6之間）和光柵與量子阱的相對位置，計算結果如圖2所示，較小的光柵耦合系數會帶來外耦合光的比例增加，從而提高功率和效率。較遠的光柵位置顯著降低了光損耗和載流子復合的影響，確保了較高的輸出功率和低電壓。
?
圖2 （a）DFB激光器的諧振腔損耗隨光柵耦合強度的變化與等效FP前腔反射率隨光柵耦合強度的關系。（b）光柵耦合系數與光柵層到有源區(qū)的距離及光柵厚度的關系
?
02｜材料與工藝創(chuàng)新
?
光柵區(qū)域采用了低損耗、低應力的三層InGaP/InGaAsP/InGaP結構，避免了傳統(tǒng)材料（如GaAsP）中因應力導致的光柵吸收和缺陷問題。優(yōu)化的二次外延工藝進一步減少了界面氧污染，使氧含量降至1E16數量級，大幅提升了器件效率和可靠性。
?
圖3 ?(a) DFB在外延方向的橫截面和光柵的掃描電鏡（SEM）圖像，標記了二次外延的開始。插圖顯示了光柵的放大視圖。(b)lnGaAsP光柵的透射電鏡圖像，(c)傅里葉變換后的高分辨率圖像。
?
圖4 O和Al的SIMS譜圖，Al作為標記層。
?
03｜卓越性能
?
研究人員在12 A電流和20 °C溫控下對器件進行了性能測試，如下圖5和圖6所示，激光器實現了連續(xù)輸出功率超過10 W，光譜寬度（FWHM）小于0.5 nm。這一功率水平創(chuàng)下了780 nm波段DFB激光器的最高紀錄，同時在寬電流與溫度范圍內保持了良好的鎖波特性。
?
圖5 (a) 780 nm DFB-BA激光器（實線）和FP-BA激光器（虛線）的性能進行比較，采用相同的垂直設計，在散熱器溫度為20“C的條件下進行測試。(b)在12a電流下，光譜圖
?
圖6 (a)溫度范圍為20°C~ 60°C，12a時DFB激光器的光譜特性 (b)連續(xù)變電流下DFB激光器在20°C時的光譜圖，強度用假色圖表示。
?
總結與展望
?
綜上，該團隊為高功率、窄譜寬激光器的發(fā)展樹立了新標桿。并將在未來進一步優(yōu)化設計，以滿足更廣泛的工業(yè)和科研需求。此外，這項研究的技術方法還可推廣至其他波段的激光器設計。高功率窄譜寬激光器的應用前景無疑是廣闊的。從科學儀器到工業(yè)生產，再到醫(yī)療設備，它們將助力多個領域實現技術跨越。
推薦閱讀
地址：江蘇省蘇州市高新區(qū)科技城漓江路56號
傳真：0512-66806323
留言板
\n \n \n \n %{tishi_zhanwei}%\n \n