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    高功率窄谱宽：780nm宽条DFB激光器功率突破10W

    12/30

    2024

    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，，，，驰鸣生物CTO、、、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苏州驰鸣生物光电技术股份有限公司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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