南矿军[1]2002年在《半导体激光器性能表征及脉冲测量技术研究》文中研究说明本论文主要论述了自行设计开发的一套计算机控制的半导体激光器脉冲测量表征系统，以及在不同的脉冲驱动条件下应用本系统对InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱、InGaAsSb/AlGaAsSb脊波导多量子阱、InAlAs/InGaAs/InP中红外量子级联等叁种结构激光器的I-P、I-V及光谱特性进行的研究工作；通过对实验结果的分析，我们发展了分别基于脉冲I-P、I-V及光谱测量的叁种半导体激光器热特性表征方法，并得到了这些激光器的热阻等热特性参数，现将有关研究结果总结如下： 我们将脉冲发生器、数字示波器、傅里叶光谱仪、氦循环制冷系统、热电制冷系统、探针测试台、电流探头、光功率探测器等部件由计算机进行控制，组成了一套半导体激光器脉冲测量表征系统，该系统具有较宽的测量波段范围和较强的驱动脉冲脉宽调节能力，可满足多种激光器的脉冲测试要求。 结合系统硬件，我们利用GPIB技术自行开发了一套用于控制该系统的测量与数据处理的控制软件。该软件具有多个测量控制界面，可方便地完成硬件设置、测量过程控制、数据显示与存储等多个功能。实验表明，该软件具有较好的可操作性、可靠性与安全性。 利用所搭建的半导体脉冲测量表征系统，我们对1.3μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱、2.0μm InGaAsSb/AlGaAsSb脊波导多量子阱、8μm InAlAs/InGaAs/InP中红外量子级联等叁种结构激光器的I-P、I-V及光谱特性进行了研究，并得到了适合叁种激光器测量表征的测量控制参数与脉冲驱动条件。 在此基础上我们发展了基于脉冲I-P、I-V以及光谱测量的叁种半导体激光器热特性表征方法，实验结果表明：基于分析在不同脉冲驱动条件下1.3μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器的激射光谱与I-V特性，8μm InAlAs/InGaAs/InP中红外量子级联激光器光谱特性，2.0μm InGaAsSb/AlGaAsSb脊波导多量子阱的I-P特性，可以得到叁种激光器的热阻等热特性参数，文中报导了具体测量结果并对其进行了讨论。
范贤光[2]2009年在《脉冲注入式半导体激光器电—光—热特性及其测试技术研究》文中提出作为一种新型的激光光源,半导体激光器(Laser Diode,简称LD)因其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高和能直接调制,以及与其它半导体器件集成的能力强等优点,已经成为重要的商品而得到广泛的应用,其工作稳定性和可靠性在应用系统中起着关键作用。半导体激光器是精密的光电子器件,伴随着其应用范围的扩大,对其性能也提出了越来越高的要求,从晶片—管芯—组件装配的各个阶段,都要求对器件进行严格的测试,以保证器件的成品率和可靠性,从而对半导体激光器的性能表征测试技术的研究提出了新的要求。为此,本文对有关半导体激光器电-光-热特性的研究现状进行了详细分析,并针对目前半导体激光器性能表征测试存在的问题,对脉冲注入下半导体激光器特性及其表征测试进行了深入的研究和探讨。基于半导体激光器的单模速率方程,建立了脉冲注入式半导体激光器电学和光学等效电路模型,该模型将脉冲驱动源、寄生参量和热耗散电流集成到等效电路模型中,仿真与实验结果表明,该模型能够更有效地用于分析和表征器件的工作特性。利用该模型对脉冲注入下半导体激光器的工作特性进行了非稳态和稳态分析,得出了偏置电流、脉冲峰值电流、脉冲宽度和脉冲周期,以及工作温度对半导体激光器光电特性变化影响的基本规律,这为半导体激光器的脉冲驱动与测试技术的深入研究提供了理论基础。针对脉冲注入式半导体激光器热特性研究的需要,在对半导体激光器热产生机制及热流分析的基础上,建立了半导体激光器传热模型,并推导出计算脉冲注入式半导体激光器有源区的温度解析式,同时,建立脉冲注入式半导体激光器的热网络模型。实验结果表明,该方法是一种行之有效的建模方法,从而为脉冲注入下半导体激光器的传热特性分析及温度控制系统的研究提供了简便的模型。利用该模型对影响脉冲注入式半导体激光器有源区温度稳定性的因素进行了分析,结果表明,脉冲峰值电流、脉冲宽度、脉冲周期以及外部环境温度都是影响有源区温度稳定性的重要因素。根据脉冲注入式半导体激光器电-光-热特性表征测试的需要,建立了集温度控制、脉冲驱动源与测试单元于一体的综合测试系统。以矩形脉冲信号作为耦合输出接口的开关控制信号,采用恒流源+耦合输出接口的方法来设计脉冲驱动电流源,有效地保证了脉冲电流的峰值稳定度、脉冲上升时间和下降时间,实现了脉冲电流幅值、脉冲宽度和脉冲周期,以及采样门信号的连续独立可调;测试单元以与脉冲电流源同步的采样门信号作为控制信号来控制高速的采样保持器,可实现多路脉冲信号快速同步采样;数字控制器采用高性能单片机与利用FPGA器件实现的逻辑控制相结合的设计方法,有效地提高了系统的可靠性和可扩展能力。通过与现有的连续半导体激光器特性参数测试系统的比对测试实验证明了所研制的脉冲注入式测试系统的可行性,且具有最小脉冲宽度达100ns的窄脉冲驱动和测试能力。该测试系统和测试方法有效地解决了热特性差或散热情况未知的半导体激光器特性表征测试。以脉冲注入下的端电压作为温敏参数进行了半导体激光器有源区温升测量,并以此作为热特性的表征。采用脉冲电流作为激励源来定标端电压的温度系数,同时研究了脉冲宽度和脉冲周期对端电压的影响规律,确定了采用脉冲宽度为100ns,脉冲周期为10μs的脉冲电流作为定标电流的可行性,该方法考虑了注入电流的自热效应,有效地提高了端电压温度系数的定标精度,利用脉冲注入式端电压法可以方便的测试激光器自发发射和受激发射阶段的器件的热特性,与其它方法相比,更具有通用性。
杨珣[3]2017年在《氧化锌基电泵浦紫外激光器件研究》文中研究指明氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,具有较大的激子束缚能(60 meV)和优异的光电性能,被视为制造低阈值高效紫外激光器的理想候选材料。ZnO基电泵浦紫外激光器的研究已经取得一定进展,但性能仍然需要进一步提高。本论文主要针对当前ZnO基电泵浦激光器的不足展开研究,取得的主要结果如下:(1)第一次实现了压电光电子学效应增强的ZnO电泵浦激光:半导体中的压电光电子学效应(piezophototronic effects)可以调控载流子输运、复合和分离,因而曾被用于改善光电器件,如太阳能电池、光电探测器和发光二极管的性能。在四面体结构的半导体材料中,ZnO具有最大的压电系数,我们首次利用压电效应来改善电泵浦激光器的性能,实验上构建了p-GaN/MgO/ZnO nanowires结构,该结构在16.0 kPa压强作用下,激射阈值从48 V降低到20 V,50 V偏压下的发光效率增加到3.95倍,注入电流增加到1.25倍,输出功率增加到4.96倍。激光器性能的改善来源于注入电流的改善和发光效率的提高。该结果将ZnO的叁个主要特点,包括大激子束缚能、大压电系数和容易形成纳米结构同时利用起来,可能为ZnO基激光器件的性能提升找到可行途径,也为压电效应找到新的应用领域。(2)第一次实现了电泵浦ZnO等离子激元模式激光:等离子体激光器利用表面等离子体激元实现光限制、传输和放大,具有很强的电磁场限制性和高自发辐射耦合因子,对电磁场的强限制性使等离子体激光器可以实现更小的物理尺寸和更快的操作速度。其次,高自发辐射耦合因子有利于降低激射阈值。在紫外波段,光子频率接近表面等离子体频率,场限制效应最强,但此波段金属损耗也最强,阻碍受激发射的实现。针对此问题,研究人员提出在金属和半导体之间插入低损耗介质层形成的混合型表面等离子体结构,将电磁场限制在介质层内,在提供强电磁场限制的同时可以降低金属损耗。基于上述金属-绝缘层-半导体(MIS)混合型表面等离子体结构,我们制作了p-GaN/MgO/ZnO/MgO/Ag结构,在该结构中首次实现了超低阈值(9.1 A/cm~2)的紫外波段电泵浦等离子体激光器。该结构中,ZnO被用作增益介质以匹配Ag表面等离子体频率,另外ZnO大的激子束缚能也有利于等离子体激光器的实现。电磁场被限制在MgO介质层中传播,具有较高的自发辐射耦合因子,同时减少了金属中的欧姆损耗。上述结果促进了电泵浦等离子体激光器的发展,也为改善ZnO基紫外激光器性能提供了一种可行方法。
徐洪浩[4]2014年在《钕掺杂含镧钒酸盐晶体的生长和性质表征》文中研究指明激光器作为20世纪最重要的发明之一,经过50多年的发展,已经在国家安全、科学研究、医疗卫生和日常生活中等各个领域发挥着重大的作用。固体激光器由于其体积小、稳定性高、结构简单等特点,成为激光器研究的重点,引领着激光器的研究方向。激光器工作模式可以分为连续输出模式和脉冲输出模式,其中脉冲激光由于具有大脉冲能量、高峰值功率、超短脉冲宽度等优点,有着很多重要的应用。例如当与物质相互作用时,由于脉冲能量很高,会产生一系列的新现象,例如强光自聚焦、受激拉曼散射和受激布里渊散射等一系列非线性光学效应；同时在精密加工、超快过程测量等方面有着重要的实际应用。获得脉冲激光的手段主要有调Q技术和锁模技术。调Q激光技术的提出是激光器的发展史上的一个重要突破,人们在压缩脉冲宽度和增加峰值功率上的实际要求,不断推动着调Q技术的发展。Q开关的种类由最初的机械开关逐渐发展为电光开关、声光开关和被动Q开关等,其中被动Q开关由于设计简单、便于小型化和成本低等特点,成为广泛使用的一类Q开关。最初人们采用有机染料作为被动Q开关,后来人们发现含有色心的r2：LiF和掺有吸收离子的Cr4+:YAG等晶体材料同样具有良好的可饱和吸收作用,近年来,新型的石墨烯、拓扑绝缘体和二硫化钼等材料也被用作被动Q开关,采用调Q技术,人们已经获得了脉冲能量为毫焦和峰值功率为兆瓦的脉冲激光。锁模技术是另一种获得脉冲激光的技术,锁模主要分为被动锁模和主动锁模,对于被动锁模,最初人们采用有机染料作为可饱和吸收体来获得锁模脉冲,克尔透镜锁模技术的发明为固体锁模提供了一种相对简单的方法。现在商业化的半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为主要的可饱和吸收材料,在锁模激光器中得到广泛应用。同时一些新的材料例如碳纳米管和石墨烯也被发现具有可饱和吸收作用,并被证明可以用来锁模。人们在发展脉冲激光技术的同时,也在积极探索新型脉冲激光增益材料。首先人们对不同激活离子进行了研究,例如Tm3+离子具有较长的上能级寿命,有利于能量的存储,适合用作调Q激光器；而Ti3+、Cr3+和Yb3+等离子具有宽的发射光谱,理论上,脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数,所以这类激活离子适合超短脉冲的产生,其中Ti3+掺杂的蓝宝石就是一种重要的获得飞秒脉冲的增益材料。另外基质材料对激活离子的光谱的性质也有很大的影响,以Nd3+离子为例,采用有序晶体等有序材料作为基质,虽然热学性质良好,但是其发射谱线尖锐,不利于超短脉冲激光的产生；采用玻璃为基质,通常具有宽的发射谱线和大的荧光寿命,适合脉冲激光的产生,但是这类增益介质的热学性质较差。无序晶体集成了晶体和玻璃的优点,既保持晶体优良的热学性质,又具有了玻璃较宽的发射光谱,已经成为了脉冲激光材料研究的热点。混晶虽然在结构上具有晶体的长程有序的特点,但是激活离子在混晶中是随机取代的,占据的格位并不同,而位于不同格位的激活离子周围的晶格场不同,具有不同的荧光谱,不同格位激活离子谱线的相互迭加在宏观上造成了混晶荧光谱的非均匀加宽,所以混晶同样具有较宽的荧光谱线,适合用作脉冲激光材料。钒酸盐晶体一种优良的激光晶体材料,其中掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)最早被人们发现,现在已经作为商业化的激光增益材料广泛应用于日常生活的各个方面,并且和掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)和掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)并成为叁大基础激光晶体,钒酸镥(LuVO4)和钒酸钆(GdVO4)作为钒酸钇的同系物,也被证明具有优良的激光性能。他们都具有四方结构,都可以采用提拉法生长,并且熔点都在1800℃左右,基于这些相同点,人们将他们两两混合组成LuGdVO4、YGdVO4和LuYVO4等钒酸盐混晶,作为脉冲激光材料已经被人们广泛研究,其光谱具有明显的非均匀加宽,调Q性能证明了这类混晶具有较强的脉冲增强效应。钒酸镧(LaVO4)是钒酸盐家族的另一个成员,它在晶体结构上属于单斜晶系,由于其螺旋生长特性,采用提拉法不容易获得高质量晶体,晶体结构上的差异使得含镧的钒酸盐混晶在脉冲激光性能上更加具有优势,而当前人们对钒酸盐混晶的研究主要集中在同结构钒酸盐晶体的混合上,对含镧的钒酸盐混晶的研究反而较少,尤其是含镧钒酸盐混晶的脉冲激光方面的性能更是没有系统的研究。含镧钒酸盐混晶指的是LaxRn1-xVO4(Rn=Y、Lu和Gd)系列混晶,相比之前研究较多的LuGdVO4、YGdVO4和LuYVO4混晶,它具有自己的优势。第一,钒酸镧晶体属于单斜晶系,而钒酸钇、钒酸镥和钒酸钆晶体都属于四方晶系,不同晶系的晶体相互混合将对激活离子周围的晶格场造成更大的变化,进而造成光谱更大的非均匀加宽；第二,La3+相比于Y3+、Lu3+和Gd3+等离子具有最大的离子半径,这种大的离子半径的差异同样会引起激活离子周围晶格场大的变化,造成光谱更大的非均匀加宽。晶体结构和离子半径上的差异意味着相对少的La3+掺杂量就可以为光谱带来相同量的非均匀加宽,这样就可以最大限度的保证激光增益介质的热学性质。在晶体生长方面,加入较少的La3+,使含镧的钒酸盐混晶仍然保持四方结构,这样就可以避免了钒酸镧晶体的螺旋生长,生长出高质量晶体。本论文从探索脉冲激光材料出发,生长了钕掺杂的含镧钒酸盐混晶(Nd:LaxRn1-xVO4(Rn=Y、Lu和Gd)),并对其组分、晶体结构、热学性质、光谱性质和激光性能进行了表征,主要工作如下：一、晶体生长、晶体组分与结构采用提拉法,生长了Nd:LaxRn1-xVO4(Rn=Y、Lu和Gd)系列混晶,并对晶体提拉炉和提拉法的生长工艺进行了简单的介绍,讨论了生长过程中需要注意的问题。通过X射线荧光方法,确定了生长的混晶的具体组分,并计算了Nd3+在叁种系列混晶中的分凝系数。利用X射线衍射,对生长的混晶结构进行了分析,确定晶体属于四方晶系,空间群为I41/amd,并计算出相应的晶胞参数。二、热学性质对生长的Nd:La0.11Y0.899VO4、Nd:La0.05Lu0.95VO4、Nd:La0.12Gd0.88VO4和Nd:Lao.25Gd0.75VO4四种混晶进行了详细的热学性质的测量,主要测量了热膨胀系数、比热、热扩散系数和热导率,以及这些热学参数随温度变化的规律。与Nd:YVO4、Nd:LuVO4和Nd:GdVO4叁种单晶的热学性质相比有所下降,但是仍然能满足中小功率激光器的要求。叁、光学性质对所生长的Nd:La0.11Y0.89VO4、Nd:La0.05Lu0.95VO4、Nd:La0.12Gd0.88VO4和Nd:La0.25Gd0.75VO4四种混晶的光学性质进行了研究。利用最小偏向角法,对Nd:La0.11Y0.89VO4、Nd:La0.12Gd0.88VO4和Nd:La0.25Gd0.75VO4叁种混晶的折射率进行了测量,并拟合出色散曲线,为后续光谱的计算和晶体的镀膜奠定了基础；对Nd:La0.11Y0.89VO4、Nd:La0.05Lu0.95VO4、Nd:La0.12Gd0.88VO4和Nd:La0.25Gd0.75VO4四种混晶的偏振吸收光谱和偏振发射光谱进行了测量,计算出了相应的吸收截面、发射截面和受激辐射寿命等光谱参数。与Nd:YVO4、Nd:LuVO4和Nd:GdVO4叁种单晶的光谱性质相比,含镧钒酸盐混晶具有较宽的吸收和发射谱线、小的发射截面和长的荧光寿命,适合在脉冲激光器中应用。通过对不同温度下荧光谱和荧光寿命的测量,发现随着温度的升高,荧光寿命逐渐变长,而谱线宽度逐渐变宽。四、激光性质采用激光二极管(laser diode, LD)泵浦,对生长的钒酸盐混晶进行了连续激光性能研究,发现a切的钒酸盐混晶相对于c切的钒酸盐混晶有更好的连续激光性能,其中Nd:La0.11Y0.89VO4,a切晶体的斜效率为46.5%,c切晶体的斜效率为43.9%; Nd:La0.05Lu0.95VO4两者的斜效率分别为43.7%和16.8%；Nd:La0.12Gd0.88VO4,两者的斜效率分别为38.8%和26.9%。另外c切的Nd:La0.11Y0.89VO4、Nd:La0.2Y0.8VO4和Nd:La0.05Lu0.95VO4等晶体具有双波长发射的特性。以Cr4+:YAG为饱和吸收体,对a切的Nd:La0.11Y0.89VO4、Nd:La0.05Lu0.95VO4和Nd:La0.12Gd0.88VO4混晶进行了被动调Q激光实验,获得的最大脉冲能量分别为97.3μJ、114.9μJ和124.7μJ,通过与Nd:YVO4、Nd:LuVO4和Nd:GdVO4的对比,证明了La3+的掺杂,确实起到了脉冲增强作用。通过对Nd:La0.12Gd0.88VO4、 Nd:La0.25Gd0.75VO4和Nd:La0.3Gd0.7VO4混晶调Q激光特性研究,在相同条件下,发现Nd:La0.3Gd0.7VO4获得了最大的脉冲能量与峰值功率,分别为131.5μJ和15.3KW。以SESAM为饱和吸收体,对a切的Nd:La0.11Y0.89VO4、 Nd:La0.12Gd0.88VO4混晶进行了被动锁模激光性能的研究,分别获得了脉冲宽度为6.8ps、7.6ps和3.4ps的锁模脉冲。利用c切的Nd:La0.11Y0.89VO4混晶,获得了稳定的σ偏振态的双波长锁模输出。针对a切钒酸盐晶体的偏振发射特性,通过对损耗的控制,分别获得π偏振态锁模、σ偏振态锁模和双偏振态锁模。通过以上的研究,我们证实了钕掺杂含镧钒酸盐混晶具有优良的热学和光谱性质,是一种优良的激光增益介质。其光谱具有明显的非均匀加宽,适合脉冲激光器的应用。
何友军[5]2003年在《半导体激光器的热特性及封装技术研究》文中研究指明本学位论文工作主要围绕半导体激光器的热特性及封装技术两方面展开，以1.3μm InAsP／InGaAsP脊波导多量子阱激光器和InAlAs／InGaAs／InP中红外量子级联激光器为研究对象，针对半导体激光器材料和结构特点，通过模拟和实验分析解决激光器的散热。其主要内容如下： 1．在商用有限元软件基础上，研究和开发了激光器热特性的模拟分析方法。采用这方法，对1.3μm InAsP／InGaAsP脊波导多量子阱激光和8μm InAlAs／InGaAs／InP中红外量子级联激光器外延层朝下和衬底层朝下两种烧结方式进行了热分析，得到了其热分布和热阻参数。通过获得的模拟结果的对比，判断得到外延层朝下的烧结方式可以更好改善激光器的散热效果。我们首次对量子级联激光器在脉冲激射条件下的热阻进行了模拟分析。通过分析，得到在脉冲激射下，激光器的表观热阻跟输入的脉冲周期和脉宽有关，表观热阻值随注入脉冲占空比的增加而减小，并趋近于稳态热阻。我们还模拟了1.3μm InksP／InGaksP脊波导多量子阱半导体激光器在脉冲激射条件下的热特性，对不同腔长，脊波导宽度，焊料层厚度和热导率等对激光器热特性的影响进行了模拟，得到了激光器热阻跟这些参数的关系，并在模拟计算的基础上讨论了结构和工艺条件对激光器热特性的影响。 2．根据实验室的现有条件，研究了激光器封装中的烧结工艺，即采用真空蒸发镀膜方法，按照实验所获得的优化工艺参数将焊料均匀蒸镀到自行设计加工的镀金铜热沉上；为将激光器管芯烧结在铜热沉上，自行设计制作了烧结装置，并据此装置制定了详细工艺流程，采用此工艺对1.3μm InAsP／InGaAsP脊波导多量子阱激光器管芯进行了烧结，满足了实验要求。 3．利用实验室的半导体激光器脉冲测量表征系统，对烧结前后的1.3μm InAsP／InGaAsP脊波导多量子阱激光器进行了脉冲I-V，I-P特性测试，通过I-P特性测试，确认了烧结工艺的散热效果及对激光器输出功率的改善。通过I-V特性测试，确认了我们开发的烧结工艺的有效性，并对不同的管芯烧结方式的散热效果及其与模拟结果的差别进行了比较和讨论。
简贵胄[6]2000年在《GaInAsSb/AlGaAsSb半导体激光器器件工艺及表征技术研究》文中指出本论文对2μm 波段 GaInAsSb/AlGaAsSb 多量子阱半导体 激光器的器件工艺及器件性能表征技术进行了研究。建立了计算机 控制的脉冲工作条件下半导体激光器参数测试系统；研究了该器件 制作所需用的湿法刻蚀工艺：并进行了脊型波导结构激光器件的工 艺流片和性能测试表征，得到以下结果： 我们利用实验室现有设备建立了采用GPIB 总线相连按，由 计算机进行控制的半导体激光器脉冲特性测试系统，用于进行半导 体激光器的I-P、I-V特性研究。该测试系统在脉冲测量中驱动电流 可达1A以上，脉宽可在100ns以下。 对基于酒石酸的腐蚀液进行了研究。实验结果表明由氢氟 酸、酒石酸和双氧水构成的腐蚀液适用于GaSb/AlGaAsSb器件的工 艺制作。该腐蚀液对于GaSb和AlGaAsSb材料具有稳定的刻蚀速率， 选用合适的溶液组份可以得到较低的刻蚀速率，并发现该腐蚀液对 AlGaAsSb 的腐蚀速率和其Al组份之间呈抛物线关系，在合适的Al 组份下可对AlGaAsSb和GaSb两种材料进行非选择性的刻蚀。 选用 MBE生长的 GalnAsSb/AlGaAsSb激光器材料，采用脊 型波导器件工艺进行了器件流片。器件为加宽波导分别限制结构， 具有3个量子阱。在室温准连续条件下获得了激射输出，阈值电流 为90mA，最高脉冲激射温度达到 80℃。 研究了该器件在脉冲电流驱动下的I-P特性，测量结果表明 导致激光器尚不能在室温连续下受激的主要原因仍然是有源区非辐 射复合太大及产生的热量无法有效耗散，致使激光器注入电流在刚 达到阈值就开始进入饱和状态，导致无法激射。 对GaInAsSb/AlGaAsSb激光器激射光谱进行了研究。实验结果表明：随着注入电流的增大，有源区温度的升高所引起的光谱红 移超过了由注入电流增大引起载流于分布变化所致的光谱兰移。这 两种效应共同作用使得该器件的激射光谱随着注入电流的的增加向 长波方向移动。
田振男[7]2017年在《基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究》文中研究指明随着现代科学技术的飞速发展,体积小型化、模块集成化、功能多样化、性能稳定化与功耗低量化几乎成为所有仪器设备和功能器件的发展方向。以此为契机诞生的微光学系统在理论上相对完善,微光学元器件展现出传统宏观光学元件前所未有的优良性能。微光学的发展不仅拓宽了光学领域的研究范围,使仪器设备的小型化、集成化成为可能,还给微细加工领域提出了更高的要求。目前主流的微纳加工技术有光学曝光、电子束曝光、纳米压印、刻蚀技术与激光加工技术。其中飞秒激光直写技术凭借其超越衍射极限的加工精度和穿透表面的真叁维加工能力与其他微加工手段形成鲜明的技术互补。飞秒激光直写技术应用于微光学元器件的制备已有20多年的历史。本论文以飞秒激光加工技术为基础,设计并制备了多种尺度的功能化微光学元器件。主要包括的微光学元器件有:(一)折射型微光学元器件:针对边发射半导体激光器的发光特点设计并制备了关于光轴非对称的整形微透镜。将激光器的快/慢轴发散角分别从60°和9°减小到6.9 mrad和32.3 mrad。制备了变焦微透镜阵列,该元器件独特的光学功能有望在消场曲、3D实时显示、叁维并行加工中发挥重要作用。(二)衍射型微光学元器件:在铌酸锂内部,通过激光诱导折射率改变的方法制备了掩埋型螺旋波带片。该元器件在复杂外界环境中保有稳定的光学性能。在蓝宝石晶体内制作了大尺寸消球差波带片。定量表征了该器件的球差特性并与同尺寸球面镜和非球面镜进行比较。制作了折射/衍射混合结构产生涡旋光场,大大简化了涡旋光产生系统的复杂度。(叁)微腔激光器:制备了定向单模悬空微腔激光器。提出通过简单圆孔修饰的方法实现微腔激光器性能的提升。本文以飞秒激直写技术为基础、以功能化微光学元器件的制备为导向,在微光学元器件的设计、制备、表征等方面做了深入的研究。从脆弱的有机物到坚硬的光学材料,从表面加工到内部诱导折射率改变,从定性展示到定量表征,本工作为飞秒激光制备微光学元器件面向商品化研究做了大量的技术积累和理论支持。
吕晓静[8]2016年在《基于激光吸收光谱技术的脉冲爆轰发动机流场测试研究》文中提出脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)作为一种基于爆轰燃烧的新概念推进系统,具有非常广泛的应用前景。目前针对PDE的理论与实验研究均得了很大的进展,但是实现其工程化应用还面临着很多难题和挑战。流场温度、速度及燃气组分浓度等参数的动态变化能够更加准确的描述PDE的整个工作过程,从而为PDE性能提升研究提供重要辅助作用。开展针对PDE流场参数的测试研究工作具有重要的工程应用价值。激光吸收光谱技术作为一种非接触式气体在线测试手段,凭借其独特的单谱线扫描方式、极快的响应速度与极高的环境适应性等优点,成为PDE流场参数的有效诊断技术。本文基于激光吸收光谱技术,针对无阀式气液两相PDE的管内外流场参数开展了测试研究,对PDE的工作过程、冲量特性及燃气温度组分分布进行了诊断分析,对多光路非均匀流场二维重建算法进行了仿真研究。主要内容如下:(1)针对变压力环境下的吸收光谱特性进行了研究分析。在负压环境下对8.77cm-1CO谱线进行了谱线参数标定,为PDE燃气组分CO测试研究提供更准确的谱线参数。以CO2为特征气体,对6330～6337cm-1波段谱线在高压环境下的吸收光谱加宽特性进行了仿真与实验研究。针对高压环境下吸收光谱严重加宽且基线上移从而导致吸收率计算误差加大的问题,提出了一种基于直接完整透射光的吸收率计算方法,从透射光信号中直接获取光谱吸收率、线宽及谱线中心波数等关键光谱参数,为激光吸收光谱技术应用于PDE工作过程中高压燃气喷射阶段的测试研究计算基础。(2)根据双谱线测试原理设计搭建了基于波分复用技术的光纤分布式PDE管内燃气测试系统,实现了流场参数测试的远程控制,并对PDE的工作过程进行了诊断分析。采用7158.6/7444.35cm-1谱线对PDE管内流场燃气温度与H20组分浓度进行了同步测试实验。创新性地利用PDE工作循环过程中吸收光谱峰值变化与激光信号强度变化两种方法对无阀式PDE填充进程完成所需时间进行判断,并以此判断填充系数对应点火时间间隔。对不同填充系数条件下的发动机爆轰效果进行测试研究,分析稳定爆轰形成所需填充系数条件。当前实验条件下,当填充系数大于或等于84%时PDE管内可形成稳定爆轰,而填充系数小于等于76%时PDE管内的燃烧方式为爆燃,并未形成稳定爆轰;对PDE工作过程中燃气温度及H20气体浓度变化情况进行了同步监测,并对PDE从爆轰形成传播、高温高速燃气喷射、废气排放及燃料氧化剂填充的整个工作过程进行了分析研究;采用4338.77cm-1吸收谱线对不同工况下CO气体浓度的变化情况进行监测,研究不同燃料当量比对PDE工作过程的影响。在燃料当量比1.09～1.31范围内,当量比对PDE工作循环前期的爆轰形成传播及高温高速燃气排放阶段的影响要低于管内缓燃效应的影响。(3)基于吸收光谱技术对PDE冲量特性进行了分析研究。根据双谱线测温法及多普勒测速法分别对PDE管口处燃气温度及速度开展了测试研究工作,根据动量原理计算燃气冲量,实现了PDE冲量的间接测量,获得了PDE单个工作循环过程中的燃气密度、冲量及排气质量等燃气排放参数的变化情况。当前实验条件下,单次爆轰循环过程中PDE产生的总冲量为1.87N·s,其中燃气动量贡献的部分占总冲量的69.7%。爆轰燃气动量对冲量的贡献在爆轰附着膨胀阶段、壅塞膨胀阶段、膨胀减弱阶段及缓燃阶段分别占总冲量的53.0%、27.8%、6.7%和12.5%,相应的燃气排放质量占总质量百分比分别为17%、29.6%、16%和37.4%,缓燃阶段所产生的冲量要远低于爆轰附着膨胀及壅塞膨胀阶段所产生的冲量。(4)针对PDE管外流场边界不确定且实时变化的特点,引入单光路非均匀流场测试技术,对PDE管外非均匀流场燃气温度及H20浓度分布情况进行了测试研究。采用CE/SE算法对PDE管外流场分布情况进行了数值仿真研究,并以此建立两段式矩形分布模型、考虑温度边界效应的梯形分布模型及高斯分布模型叁种管外流场分布模型假设,并通过误差分析选取梯形分布模型开展PDE管外非均匀流场参数测试研究。基于单光路非均匀流场测试原理选取四条特征吸收谱线(7170.28cm-1 7170.28cm-1 7185.60cm-1和7444.35cm-1),利用时分复用技术使选取的吸收谱线同时扫描PDE管外流场测试区域,并根据吸收谱线穿过测试区后的光谱吸收率建立非线性方程组,采用最小二乘计算方法进行求解,获得了不同测试点处燃气温度及H20组分浓度在PDE单个工作循环过程中的参数变化情况。基于PDE管外温度场分布重建结果计算当地声速,提出利用声波与爆轰波在传播速度上的显着差异对PDE噪声近远场分界点进行判定的方法。(5)针对PDE管外流场温度变化范围较广的测试条件,提出了应用于多光路吸收光谱二维流场重建中的自适应代数迭代重建算法(SAATA),并通过多种投影重建仿真,对SAATA算法在燃烧场二维重建中的可行性进行了考察。SAATA算法具有较高的温度灵敏度,在300～3000K温度范围内均能较好地实现温度场与浓度场的重建;在温度变化平缓与陡峭两种情况下的流场重建中均能较准确地捕捉到流场形状、温度峰值位置与幅值等流场特征;SAATA算法对测量噪声灵敏度较低,在噪声等级0.1%～10%范围内均具有较好的算法稳定性。本文基于激光吸收光谱技术对PDE流场进行了诊断研究,研究结果直观描述了PDE的整个工作过程。通过仿真对SAATA算法在PDE非均匀流场重建的可行性进行了理论研究,为PDE流场全方位诊断提供方案设计参考。本文研究对于推动激光吸收光谱技术在燃烧场诊断应用方面具有非常重要的理论意义与工程价值。
荆云波[9]2017年在《窄脉冲半导体激光器驱动电源技术研究》文中研究表明半导体激光器以其优异的特性,在工业生产、医疗、光纤通信以及军事等众多高端技术领域发挥着至关重要的作用。脉冲形式驱动的半导体激光器更是以其独有的特点在各领域得到广泛应用。因为半导体激光器的驱动电流以及工作温度的稳定性对其输出性能有着显着的影响,所以对其脉冲驱动电源技术的研究有着十分重要的意义。首先本文阐述了半导体激光器的工作原理,分析了各项特性对其输出性能的影响。以半导体激光器的特性以及应用需求为基础,提出了对脉冲驱动电路输出性能的要求。通过研究对比叁种脉冲驱动电路的实现形式以及性能特点,针对参数要求设计了半导体激光器的脉冲驱动电路以及相应的半导体激光器保护电路。其次半导体激光器需要在恒定的工作温度下才能发挥良好的性能,因此本文介绍了半导体激光器的恒温控制原理。恒温控制系统根据自动控制原理,以NTC热敏电阻作为温度传感器,以半导体制冷器控制温度。论文分析了恒温控制系统各部分的工作原理并完成了相应的电路设计。脉冲驱动电路以MOSFET作为核心器件,运用负反馈原理构成稳流电路,实现脉冲电流的稳定输出,并通过MOSFET的并联提升驱动电路输出的脉冲电流。在脉冲驱动电路的初步仿真验证中存在脉冲电流的上升沿宽度过大的问题。通过分析加入了互补对称电路用以提升MOSFET的开关速度。改进后脉冲驱动电路经仿真验证其脉冲电流上升沿宽度得到大幅改善,达到设计要求。最终在完成了脉冲驱动以及半导体激光器保护电路板后对其输出性能进行了实验验证,该脉冲驱动电路输出的脉冲电流幅值可达150A;脉冲宽度20μs~500μs;重复频率为1~200Hz;上升沿宽度小于10μs,满足设计要求。
参考文献：
[1]. 半导体激光器性能表征及脉冲测量技术研究[D]. 南矿军. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2002
[2]. 脉冲注入式半导体激光器电—光—热特性及其测试技术研究[D]. 范贤光. 哈尔滨工业大学. 2009
[3]. 氧化锌基电泵浦紫外激光器件研究[D]. 杨珣. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 2017
[4]. 钕掺杂含镧钒酸盐晶体的生长和性质表征[D]. 徐洪浩. 山东大学. 2014
[5]. 半导体激光器的热特性及封装技术研究[D]. 何友军. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2003
[6]. GaInAsSb/AlGaAsSb半导体激光器器件工艺及表征技术研究[D]. 简贵胄. 中国科学院上海冶金研究所. 2000
[7]. 基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究[D]. 田振男. 吉林大学. 2017
[8]. 基于激光吸收光谱技术的脉冲爆轰发动机流场测试研究[D]. 吕晓静. 南京理工大学. 2016
[9]. 窄脉冲半导体激光器驱动电源技术研究[D]. 荆云波. 长春工业大学. 2017
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