带金刚石散热片的半导体碟片激光器在效率和功率标定上的局限性

1、本科生毕业设计（论文）参考文献译文本译文出处：A. J. Maclean, * R. B. Birch, P. W. Roth, A. J. Kemp, and D. Burns.Limits on efficiency and power scaling in semiconductor disk lasers with diamond heatspreaders. J. Opt. Soc. Am. B / Vol. 26, No. 12 / December 2009 2016年 3月译文要求一、 译文内容须与课题（或专业内容）联系，并需在封面注明详细出处。二、 出处格式为图书：作者.书名

2、.版本（第×版）.译者.出版地：出版者，出版年.起页止页期刊：作者.文章名称.期刊名称，年号，卷号（期号）：起页止页三、 译文不少于5000汉字（或2万印刷符）。四、 翻译内容用五号宋体字编辑，采用A4号纸双面打印，封面与封底采用浅蓝色封面纸（卡纸）打印。要求内容明确，语句通顺。五、 译文及其相应参考文献一起装订，顺序依次为封面、译文、文献。六、 翻译应在第七学期完成。译文评阅导师评语应根据学校“译文要求”，对学生译文翻译的准确性、翻译数量以及译文的文字表述情况等做具体的评价后，再评分。评分：_（百分制） 指导教师（签名）：_ 年 月 日带金刚石散热片的半导体碟片激光器在效率和功率标

3、定上的局限性半导体碟片激光器（SDL）是一种通用的激光光源，它能提供高功率水平的输出功率和衍射受限光束。尽管一种基于衬底移除的热管理方法使在1微米的区域内输出数十瓦的功率成为可能，利用腔内金刚石散热器的热管理已经实现了波长从红光到中红外的高功率性能水平。提出的模型表明这种二分法在方法上源于散热器能近似忽略内置于SDL的反射镜结构的热阻。带散热器的半导体碟片激光器在功率缩放上的限制被发现了：散热器中非轴向热流被证明通过泵浦光斑半径限制了功率缩放。一个1060纳米SDL在85微米的泵浦光斑半径下实现了7瓦的最大输出功率。1. 前言半导体碟片激光器（SDL）或者说垂直外腔面发射激光器（VECSEL）

4、1是作为一种多波长高功率激光光源产生的，它既有光泵浦掺杂介质激光器2的功能，还能设计半导体有源区域3的工作波长。这个有源元件上生长的适当材料制成的基板上，有一个分布布拉格反射器（DBR）反射镜和由一系列如图1-1（a)所示的量子阱（QWs）所组成的增益区域。这些量子阱被吸收了大多数泵浦光的限制层锁吸收，并被置于在装置顶面和DBR之间的微腔中形成的驻波场的波腹处。这个所谓的谐振周期增益（RPG）4的结构，确保了这个有量子阱的激光场的最佳重叠。这个结构用一个限制层来使载流子保持的有源区和覆盖层，并防止表面氧化。如图1-1（b)所示，激光腔是用这个主动镜作为一个腔镜建立的；一个或更多反射镜被用来完成

5、激光腔。半导体碟片激光器的碟片通常是用一个光纤耦合半导体激光器进行光泵浦的。这种架构的通用性可由图2-1来证明。这幅图展示了迄今为止报告的在各种不同波长，使用不同材料系统的情况下的最大输出功率5-21。最佳性能是在使用InGaAs器件时，大约为1微米，但功率水平性能从红光的670纳米5到2.35微米17都能实现。使用二次谐波生成还可以是这个范围扩展到可见光和紫外线5。如图2-1所示，不同的热管理方法适合不同的波长范围：一种是适合在波长约为1微米的器件上进行衬底移除的方法，一种是适合大多数其它波长的散热器方法。这种二分法的原因接下来将会探讨和解释。当装置在更高的泵浦功率下加热时，在DBR和由光学

6、厚度的变化产生的表面红移之间会形成的微腔的谐振波长示于图1-1(c)的顶部。量子阱增益的峰值也会随着温度红移，但比谐振特性会更加迅速见图1-1（c)的底部折线。输出波长主要有谐振决定；所以，当温度在高泵浦功率下增加时，工作波长将最终移向增益区间之外，得到的增益将低于阈值，激光熄灭；这被称作热翻转，它限制了半导体碟片激光器的输出功率。 第二节简要介绍了用于管理在有源区域的温度升高的技巧；第三节则是介绍了有限元建模。第四节详细展示了关于1060纳米半导体碟片激光器的功率缩放的实验工作，包括输出耦合，温度上升，模式匹配和泵浦光斑尺寸缩放对激光输出的影响。 图1-1 半导体碟片激光器概要：（a)有源器

7、件结构，（b)腔型匹配，（c)反射率和增益谱的红移。2. 热管理为了实现高输出功率，在高泵浦功率下沉积在设备中的热量必须被有效去除。如图2-2所示，两种用于半导体碟片激光器的热管的方法被开发出来了：直接在散热片上进行衬底移除或是使用腔内散热器来抵消衬底的热阻抗。迄今发表的论文中最高功率已经使用了衬底移除技术。在大多数情况下生长方向是相反的，而DBR是最后生长的；一旦这个被安装在散热片上，衬底可以从晶片的内腔侧面被移除。相比之下，使用散热器的方法则不需要对半导体芯片进行任何的后处理，除了要将一个具有高导热性的透明薄片，通常是金刚石材料的，用液相辅助光胶粘到芯片的内腔表面22。从图2-1可以看出，

8、尽管使用衬底移除技术已经创造出最高的功率，但是在InGaAs材料的系统中它们被限制在1微米左右。这是因为该技术依赖于通过DBR除去热量。在最高功率装置中的反射镜是用的二元化合物GaAs或AlAs且有良好的导热性。然而，在其它波长区域使用的材料，例如在1.5微米装置中使用的二元或四元化合物反射镜23，具有差得多的热性能，而且通常材料之间的折射率差越小，需要的层数越多。在更长波长的DBR中还需要用更厚的层来增加热阻。 图2-1 使用SDL技术时的输出波长范围5-21 使用散热器的方式是直接从有源区域去除热量，绕过了DBR和衬底，所以在需要DBR材料具有高热阻抗的波长处能够大大改善的性能。因此，这种

9、与波长无关的热管理系统很适合SDL技术。本文所描述的工作研究的是使用金刚石散热器的SDL在l微米进行才做的装置中的功率缩放，但这种方法能应用到波长从红光到中红外的装置中去。图2-2 热管理技术概要：左边，标准组；中间，衬底移除；右边，散热器。3.热模拟A.与波长相关的热管理采用有限元分析构建模型是为了研究两种热管理技术的热性能和功率缩放潜力。每个设备中的稳态温度是用商业有限元分析软件包：COMSOL Multiphysics来模拟的。使用的SDL增益芯片的简化模型是基于24中采用的方法；轴对称被调用，以及材料相似的层中分配热导率的平均值（DBR中的层状结构导致了各向异性的热导率，因此其在轴向和

10、角向的热导率值要分别测算；但增益区域是模拟为一大块隔热材料）。 通过对据推断是由泵浦功率的波长偏移25造成的温度上升进行测试，关于用这种方法进行热模拟的预测已经被证实：理论和实验之间的合理一致被观察到了。为了比较在不同的波长所需的DBR结构的相对性能，实验使用了一种由合适材料构成的，简单的2m厚的增益层。在这里面，泵浦吸收固定为在100m半径的高斯分布中有1W的热沉积。每个装置的DBR结构是根据公布的外观设计14,23,26-30来构造的，使用的参数概括与表1。在有衬底的情况中，使用了一层300m厚的合适材料；在用散热器的情况中，使用了一个300m厚的金刚石薄片；在衬底移除的情况中，该装置被焊

11、接到300m厚的金刚石底座上。如图3-1所示，所有情况中SDL都是被模拟在一个铜座中，在下表面和上表面的一个环面的结合处用了100m厚的铟箔。在衬底移除的情况中，有源区域被焊接到了底座上；在所有情况中，实验发现使用直接粘和技术例如液相辅助光胶而不是在边界直接焊接（可见例子31)可降低有源区域的温度大约2摄氏度32。表3-1 热模型中的参数总览波长/nm引用/W/(mK）/W/(mK）/W/(mK）/W/(mK）/(nm)674266.4953.118.7444087.68502722.5259.437.8443948.69802829.671.4567.1444105.351060294459

12、.137.74450101300144474.5704451681550235038.4912.76811318.423003011.9523.220.3337073.7图3-1 三个SDL建模的装配安排概要：（a)标准装置，（b)衬底移除,(c)腔内散热器。左边缘是旋转对称轴线；底面保持在零温度。每种情况下的最大温升见于图3-2。与没有进行热管理的生长晶圆的情况相比，衬底移除显著降低那些在1m区域的装置的温度。但是，温升的降低在波长更长和更短时则是大大减少：在波长为1.5m的InP中温升降低了不到50%。在使用散热器的情况中还在1m区域显示了重大的进步；然而，在其它波长的模拟中也发现了这一进

13、步，这说明微腔散热器的使用在SDL的热管理中是一项通用的技术。图3-2 在不同波长要求的材料系统下对不同的热管理技术在SDL芯片1W热堆积产生的最大温升的仿真（虚线仅为表示清晰）。B.在恒定泵浦强度下的光斑尺寸缩放SDL的命名类似于它们的掺杂介电薄盘对应物33，通过用一个比薄盘厚度大得多的泵浦光斑半径对薄盘进行均匀泵浦，在对应物里通过同时增加泵浦功率和泵浦范围34可以将激光放大到很高的功率。用衬底移除进行热管理，在约1微米范围进行操作的装置先前已经检查了那些限制SDL的功率缩放的因素35-38。还没有对用散热器方法进行热管理的装置进行类似实验的工作被报道出来。为了研究SDLs光斑缩放尺寸的可能

14、性和使用散热器与衬底移除两种方法之间的不同，本文所述实验中构建了一个InGaAs1060 nm SDL的FEA模型。实验还考虑到泵浦光束的横向强度分布理想情况下，薄盘激光器的泵浦应该是一个顶帽型分布，这是为了确保有一个轴向的热流；然而，通常用于为SDLs进行泵浦的光纤耦合半导体激光器提供的光斑却是近似高斯型强度分布。如图3-1所示，在模型中，变薄的装置（衬底移除后）被焊接在一个铜块上的金刚石基座上；使用了散热器的装置则是用铟粘在铜底座上，同时两种情况中都有一个保留环面和装置的顶部相连。 在恒定泵浦强度下，最大温升可用来测算泵浦光斑尺寸。两种不同构型的SD装置的结果见于图3-3。泵浦光斑半径（在

15、高斯型泵浦中取1/e2半径）从50到500微米对应的泵浦功率是从2.5到250瓦。从图3-3中可以很清楚的看到，数据显著偏离于从一个真正的扩展系统中得到的预期恒定温度。在使用散热器的情况中，偏离毫无疑问是由散热器的三维热流引起的。增益区域的散热是通过在半导体材料的散热器中提取热量来完成的。然后要么直接通过散热器，要么通过半导体结构，热量传递到了底座，但通过的范围更大，因此热阻更低了。泵浦光斑尺寸的限制是由于需要通过散热片将热量横向的泵浦区域的中间传到边缘。这一过程的有效热阻增加了泵浦光斑半径，还导致了图3-3中的温升的增加。至于在薄板装置的情况中，一个可能的猜想是一维轴向热流通过DBR到达底座

16、占了主要影响。但是，即使是变薄的装置且泵浦强度分布为顶帽型，在DBR中的横向热流和底座也还能阻止真正的一维热流，并导致了功率缩放可能性的限制。因此，指出两种对SDLs进行热管理的方法都限制了功率缩放的可能性是很重要的。特别是在变薄的SDLs中，使用顶帽型泵浦是更好地；但是，一维热流并不能确保，有源区域温度还是单调的随光斑尺寸上升。图3-3 在两种热管理技术和两种泵浦强度分布下当泵浦光斑半径在32k W/cm2的连续泵浦下增加时在增益区域获得的最大温升。 当光斑尺寸较小（<100m）时,使用散热片的方法温升更小；然而，对于此模型中1微米的发射光，变薄的装置缩放性能要好的多。随着泵浦光斑尺寸

17、的增加，衬底移除变成了在1微米的SDLs中使温升最小化的更好选择。然而，即便如此，模型显示，SDLs仍然不能在单个的增益区域实现那种缩放，那种在掺杂介电薄盘激光器中可以看见的缩放34。在什么泵浦半径下变薄的装置表现得比使用散热片的装置更好取决于使用的半导体材料系统，所以在不同的波长范围各有不同。但值得一提的是，就如图7中根据5,6,14,19,24,39-41的模型所示，当波长远离1微米时，使用散热片的方法似乎在所有合理的泵浦光斑半径下都比变薄的装置表现的更好。因此，如果目标是考虑各种波长，那么对于使用散热片的方法的功率缩放可能性的研究就是至关重要的。故而，本文将重点讨论使用散热片的方法。图3

18、-4 变薄的装置（焊接到金刚石和铜的底座上）与带有金刚石散热片的装置在增益区域的平均温升之比。在各种泵浦光斑半径下，设计作用在不同波长的不同的SDL5,6,14,19,24,39-41用不同的点标出。虚线上方的点表示在变薄的装置中温升更高。4.效率分析这一部分的工作将会是探索在带金刚石散热片的SDL中的功率缩放。在这里将会讨论那些影响激光器在泵浦功率受限是的性能的因素： 输出耦合传输，设备的工作温度，以及芯片中空腔的基模与泵浦光斑的重叠，这一重叠使得亮度和功率能够变化。接下来将会用金刚石散热片对泵浦光斑尺寸增加所引起的功率缩放，特别是功率缩放的限制，进行研究。 本实验所使用的SDL材料是三星高

19、级技术研究所生产的，由35对DBR反射镜组成，这些反射镜由AlGaAs 和AlAs材料的四分之一波长层组成；增益区域含有15个7纳米厚的InGaAs量子阱，GaAsP补偿层和GaAs限制层是这些量子阱处于驻波场的波腹；一个AlGaAs窗口层和一个覆盖层就构成了如29,42所描述的结构。然后一个4mm×4mm的芯片被用液相辅助光胶粘在了250微米后的单晶金刚石薄板上了22。把芯片嵌在一块水冷黄铜上之后，用10瓦，808纳米的光纤耦合（0.2NA）半导体激光器对SDL芯片进行泵浦，在芯片上形成了一个约40微米半径的光斑。最后一个激光腔如之前的图1所构造；除非另有说明，选择臂长为59和26

20、0毫米腔(带一个曲率半径为-100毫米的折叠式反射镜）来给增益芯片提供半径为40微米的基模。底座温度为10摄氏度，输出耦合透射率为9（再次，除非另有说明）。A.输出耦合第一个研究的关于这个SDL的输出功率可能性因素是输出耦合器传输。输出耦合器改变后，测量的斜率效率和泵浦功率阈值如图4-1所示。实线表示的是斜率效率的趋势。在常规分析中通常用斜率效率来预测输出耦合器传输，其中效率是与有效的部分和腔内总的损耗的比率（T/T+L)有关的1,43。很明显，当输出耦合透射率很大时，SDL严重偏离这一趋势。这是由在更大的输出耦合下装置的内部效率减少所引起的21.由于更高的输出耦合器传输导致的更大损耗需要更大

21、的增益，这相应地需要在量子阱中有更高的载流子密度，作为副作用，需要的更高的泵浦功率会导致在阈值时的更高的温度。下面是Smowton和Blood所做的分析44,在这些情况中，导致内效率降低的原因有两个：主要是在限制层中载流子复合率的增加导致了载流子损耗的增加，再就是载流子横向速度导致激光模式和增益之间的重叠减少。效率的减少会进一步恶化发热问题。当输出耦合器传输率为9%时有做大输出功率，所以下面所有的实验中都使用这一输出耦合器传输率。图4-1 当输出耦合传输在1%和20%之间变化时的激光斜率效率和阈值泵浦功率。实线表示基于有用部分与总损耗之比的斜率效率预期趋势(虚线仅为清晰）。 输出耦合器传输的阈

22、值的变化有三个原因：泵浦功率要达到在量子阱中的透明度要求，泵浦功率要产生做够的热量使量子阱增益峰值能和子谐振腔非常匹配，泵浦功率要适应于较大的输出耦合相关的腔内损耗的增加。前两个因素即使在输出耦合和其他腔内损耗都很小时也会导致阈值增大；第三个因素解释了为何阈值会连续增大。这种阈值随泵浦功率增加的形式和Kuznetsov et al所做的预测1是一致的,这抵消了前两种因素带来的影响。金刚石散热片顶面和DBR之间形成的腔内标准具45会导致更高的增益和有效输出耦合的减小，相比于如果把金刚石散热片做成楔形并涂上防反射层来阻止这种标准具效应后所会发生的，这会减慢阈值泵浦功率随输出耦合传输的增长。B.温度

23、实验还研究了SDL芯片的温度的影响；图9画出了斜率效率和阈值泵浦功率与底座温度的函数的图。一个因素导致效率下降14%相当于系统的损耗增加了大约1%。这种缓慢的斜率减少和阈值泵浦功率增加导致的底座温度上升30K是与量子阱外载流子泄漏的增加和非辐射复合的增加是一致的。导致斜率效率的减少的效应和那些导致在搞输出耦合下内部效率的减少的效应是相同。这个装置中底座温度上升30K可以等效于泵浦功率上升约6瓦，所以很明显，随着泵浦功率的增加效率会逐渐减小，最终到达一个激光器会熄灭的点。最佳输出最重要的特点应该是使激光器尽可能冷却；然而，温度上升时性能的降低很小且不会阻碍应用上的操作。图4-2 SDL在各种底座

24、温度下的输出功率，斜率效率和阈值泵浦功率。C.模式重叠图4-3详述了测量过的光束质量，阈值泵浦功率，最大输出功率随着腔的基模与泵浦光斑尺寸（高斯型泵浦光束的1/e2半径）的比值的变化，其中腔长的改变会调整腔的模式半径。随着腔的模式减小到泵浦光斑尺寸之下，作为光束质量开始恶化的证据，结果高阶横模开始震荡；然而，输出功率仍然保持在最大值。对齐以促进腔内基模半径比泵浦模式更大提供了一个最佳光束质量；然而，在腔内模式分布两侧的未泵浦量子阱区域的剩余吸收导致了阈值泵浦功率的增加和总的输出功率的持续减少，但同时扮演了一个软孔，禁止了高阶横模的震荡。模式尺寸的小心平衡腔内模式略大于泵浦模式导致了一个轻微（约

25、5%）的输出功率减少，尽管还是保留了单横模震荡。这种模式匹配机制下SDL提供了所能提供的最佳亮度。这种调节SDL亮度的能力有一定的消极影响，特别是在用SDL作为泵浦光源时。图4-3 当腔长随激光模式与泵浦模式之比变化时，SDL的光束传播参数，9W的泵浦功率下的输出功率和阈值泵浦功率（虚线仅为清晰）。D.翻转受限领域为了探究泵浦光斑尺寸的变化对SDL性能的影响，特别是增加光斑尺寸是如何缩放输出功率的，实验需要一个更高功率的泵浦光源。为此，实验使用了一个光纤耦合（核心直径是200微米）半导体激光器作为泵浦光源。功率缩放的一般方法是增大泵浦光斑尺寸，如此则在泵浦过程中更大的区域将被加热；因此，对于同

26、样的温升在有源区域将会吸收更多的泵浦功率。在碟片掺杂介电激光器中，这种方法在使单个碟片产生几千瓦的输出功率中发挥了重大影响，同时也有预料中的限制因素横向的自发辐射放大（ASE）34。在SDL中，已报道的单盘（衬底移除变薄了的）最大输出功率是40瓦9，使用散热片的则是10瓦11。衬底移除装置的SDL在大的泵浦光斑尺寸下也观察到了ASE35，但是其中的热限制因素还不清楚，特别是在散热片情况中。图4-4显示了当泵浦光斑半径增加时SDL的输出功率的传输特点。在这种情况中腔体结构和排列保持不变;但是，正如在图4-3中所看到的，当腔内基模半径小于泵浦光斑尺寸是输出功率并不会剧烈变化，所以，尽管改变腔去匹配

27、每一点的泵浦光斑尺寸会明显改善光束质量，但这对输出功率没什么影响。在每个泵浦光斑尺寸激光器输出都会有代表性的向下折，因为有源区域变得太热，同时量子阱增益峰值从子谐振腔移开了。正如在图3-3中的模型里看到的，在恒定的泵浦密度下，温度会随着泵浦光斑尺寸上升，或者换句话说，达到一个给定温度所需要的泵浦密度在较大的泵浦光斑尺寸下回减小。实现最大输出功率的点（即翻转点）的泵浦密度会随着泵浦光斑尺寸下降，这符合模型中的预期。图4-4 当泵浦光斑半径变化时SDL的功率传输特性。7瓦的最大输出功率是在85微米的泵浦光斑半径下实现的；超过这一点，尽管激光输出在更高的泵浦功率下会翻转，但斜率效率的降低意味着输出功

28、率会更低。这在图4-5中体现出来。图4-5绘制了输出功率和斜率效率随泵浦光斑尺寸变化的图。在大的泵浦光斑尺寸下的效率减少在小的泵浦功率下仍然可见，和FEA模型中每单位泵浦功率下温升的增加是一致的，且如图4-2中所示，在更高的温度下斜率效率会减小。这一效率的减小可能是由于限制层载流子复合率的增加和在分段4.A44讨论过的载流子移动的增加所引起的。图4-5 SDL在不同的泵浦光斑尺寸下运行时的最大输出功率和斜率效率。 由于散热片内的热流的径向分量，一种基于在恒定泵浦密度下增加泵浦功率以实现功率缩放的方法因此在根本上被限制在使用腔内散热片的SDL上，尽管在使用衬底移除技术下可以实现更高的功率9。然而

29、，由于外腔的几何外形，通过在单个腔内使用多个增益芯片可能扩大功率的缩放9,46,47。尽管使用多个增益芯片增加了系统的复杂性，但其优势在于缩放输出功率所需要的更高的泵浦功率可以模块化，而不是依靠更加强大的单个泵浦光源或联合数个低功率光源去泵浦单个芯片。子谐振腔共振与量子阱增益峰值之间的补偿对于优化一个SDL的性能也是至关重要的。这一点被Kin et al检验了，实验中所用装置和本实验非常类似，也带有金刚石散热片29；这一工作公开了在本实验中所使用的材料的生长。然而，重要的是理解一个已给定补偿的装置的最优化，因为这个补偿不能无限的增加来适应越来越大的温升：在更高的温度下，由于材料增益的减小，载流

30、子非辐射复合的增加和载流子移动的增加，装置的效率会显著的减小。5.总结在一个应用需要特殊的波长时，半导体碟片激光器（SDLs)是一个很有吸引力的解决方法。当使用散热片方法进行热管理时尤为如此正如在分段3.A中描述过的，这一方法通过补偿反射镜结构带来的热阻抗最大化了这些装置的光谱范围。因此研究这种方法下功率和亮度的缩放可能性是确定SDL的应用范围的重要一步。本文研究了使用一个金刚石散热片的SDL的泵浦光斑区域的功率缩放，并确定了单个泵浦区域的功率极限。散热片内的非轴向热流导致的这一限制引起了增益区域内每单位泵浦功率的温升随泵浦光斑尺寸的增加而增加。大的泵浦光斑半径带来的效率减小也限制了功率缩放的

31、可能性。此外，还观察到了在更高输出耦合下的斜率效率的降低。这些效应都和更高载流子密度和温度下量子效率的减小是一致的。更进一步，通过仔细设计谐振腔以确保对芯片内谐振腔基模的泵浦的最佳重叠，可以实现衍射受限输出，提供一个不仅高功率而且高亮度的光源。尽管用一个散热片进行热管理时单个泵浦区域的泵浦功率是有限的，仍然可以可靠实现高光束质量的功率输出例如在1微米的10瓦11和2微米的6瓦16。当这和多个泵浦芯片同时使用时，可以在一个大波长范围内从红光（0.67微米）到中红外（2.8微米），且通过倍频可下至可见光到紫外实现可靠功率输出。在波长上的灵活性使SDLs成为一种适应性非常强的激光技术。参考文献1 M

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