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高功率窄谱宽:780nm宽条DFB激光器功率突破10W

高功率窄谱宽:780nm宽条DFB激光器功率突破10W

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  • 发布时间:2024-12-30
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【概要描述】在激光技术快速发展的今天,高功率和窄谱宽激光器已成为众多科学与工业领域的核心需求。近日,腾博诚信为本9887CTO、四川大学王俊教授研究团队开发的一款780nm宽条分布反馈(DFB)激光器取得重大突破,室温连续输出功率超过10W。这项研究成果在光子学领域权威期刊《IEEE Photonics Journal》上发表,展现了团队在高性能激光器设计方面的重要进展。

高功率窄谱宽:780nm宽条DFB激光器功率突破10W

【概要描述】在激光技术快速发展的今天,高功率和窄谱宽激光器已成为众多科学与工业领域的核心需求。近日,腾博诚信为本9887CTO、四川大学王俊教授研究团队开发的一款780nm宽条分布反馈(DFB)激光器取得重大突破,室温连续输出功率超过10W。这项研究成果在光子学领域权威期刊《IEEE Photonics Journal》上发表,展现了团队在高性能激光器设计方面的重要进展。

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在激光技术快速发展的今天,高功率和窄谱宽激光器已成为众多科学与工业领域的核心需求。近日,腾博诚信为本9887CTO、四川大学王俊教授研究团队开发的一款780nm宽条分布反馈(DFB)激光器取得重大突破,室温连续输出功率超过10W这项研究成果在光子学领域权威期刊《IEEE Photonics Journal》上发表展现了团队在高性能激光器设计方面的重要进展。

 

研究背景   

 

780 nm激光器是碱金属蒸汽激光器(DPAL)的关键泵浦光源,在精密科学、工业加工以及国防领域中具有广泛需求。然而,传统的Fabry-Pérot(FP)激光器虽然功率高,但光谱宽度过大且波长稳定性差,难以满足应用需求。分布反馈(DFB)激光器因其嵌入布拉格光栅,可实现窄谱宽和良好的波长稳定性,成为理想选择。然而,在实现高功率和窄谱宽兼顾的同时,仍存在诸多技术难题。DFB激光器发展历程如图1所示,相比于9xxnm器件,7xxnm 芯片的功率的发展是相对落后,这主要受到市场需求和材料的限制,需要解决的问题也就是功率提升和内置光栅的生长。780nm宽区DFB激光器的报道较少,在2005年,费迪南-布劳恩研究所(FBH)设计了50um条宽的780nm DFB激光器,功率为2.4W,这是迄今为止780nm DFB激光器的最高功率。对于抽运碱金属激光系统,宽区DFB激光器在多个侧模式下工作,会导致不可避免的光谱展宽,但它们可以提供十倍于RW器件的输出功率。因此,开发高功率宽区780nm DFB激光器至关重要,为科学和工业应用带来了新的可能。

 

 图1 7xxnm与9xxnmDFB激光器的发展历程

 

 

研究亮点 

 

四川大学电子信息学院及腾博诚信为本9887(China百科)有限公司官网王俊教授研究团队聚焦于780 nm波长,深入研究了限制宽区DFB激光器输出功率的因素,攻克了多个技术难点,如光栅设计和材料生长。设计了一种基于InGaAsP/InGaP材料的DFB激光器,结果如图1所示,在室温下实现了超过10 W的连续输出功率,谱线宽度(FWHM)小于0.5 nm,可以在宽电流和宽温度范围内有效地工作。

 

图1 780nm宽区DFB激光器外延结构及光栅层序

 

01|优化光栅设计

 

该研究团队基于耦合模理论(CMT)构建了光栅分析模型,通过调整光栅耦合强度(κL控制在0.4-0.6之间)和光栅与量子阱的相对位置,计算结果如图2所示,较小的光栅耦合系数会带来外耦合光的比例增加,从而提高功率和效率。较远的光栅位置显著降低了光损耗和载流子复合的影响,确保了较高的输出功率和低电压。

 

图2 (a)DFB激光器的谐振腔损耗随光栅耦合强度的变化与等效FP前腔反射率随光栅耦合强度的关系。(b)光栅耦合系数与光栅层到有源区的距离及光栅厚度的关系

 

02|材料与工艺创新

 

光栅区域采用了低损耗、低应力的三层InGaP/InGaAsP/InGaP结构,避免了传统材料(如GaAsP)中因应力导致的光栅吸收和缺陷问题。优化的二次外延工艺进一步减少了界面氧污染,使氧含量降至1E16数量级,大幅提升了器件效率和可靠性。

 

图3  (a) DFB在外延方向的横截面和光栅的扫描电镜(SEM)图像,标记了二次外延的开始。插图显示了光栅的放大视图。(b)lnGaAsP光栅的透射电镜图像,(c)傅里叶变换后的高分辨率图像。

 

图4 O和Al的SIMS谱图,Al作为标记层。

 

03|卓越性能

 

研究人员在12 A电流和20 °C温控下对器件进行了性能测试,如下图5和图6所示,激光器实现了连续输出功率超过10 W,光谱宽度(FWHM)小于0.5 nm。这一功率水平创下了780 nm波段DFB激光器的最高纪录,同时在宽电流与温度范围内保持了良好的锁波特性。

 

图5 (a) 780 nm DFB-BA激光器(实线)和FP-BA激光器(虚线)的性能进行比较,采用相同的垂直设计,在散热器温度为20“C的条件下进行测试。(b)在12a电流下,光谱图

 

图6 (a)温度范围为20°C~ 60°C,12a时DFB激光器的光谱特性 (b)连续变电流下DFB激光器在20°C时的光谱图,强度用假色图表示。

 

 

总结与展望

 

综上,该团队为高功率、窄谱宽激光器的发展树立了新标杆。并将在未来进一步优化设计,以满足更广泛的工业和科研需求。此外,这项研究的技术方法还可推广至其他波段的激光器设计。高功率窄谱宽激光器的应用前景无疑是广阔的。从科学仪器到工业生产,再到医疗设备,它们将助力多个领域实现技术跨越。

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