Brightness Analysis of High-Power Edge-Emitting Lasers

Abstract

High-brightness lasers are the preferred sources of lights in applications that require high output power and good beam quality. One of such applications is the generation of visible light from near-infrared light through second-harmonic generation in a nonlinear crystal. Second-harmonic generation is a nonlinear process, which is highly dependent on the intensity, which means that efficient second-harmonic generation requires high power seed laser. In addition, a good beam quality is necessary to couple the laser into the nonlinear crystal efficiently. In this thesis, ridge waveguide lasers and tapered power amplifier lasers were analyzed. The goal was to find the optimal ridge waveguide design parameters that lead to the highest brightness values, and to see if the tapered power amplifier lasers are able to achieve higher brightness compared to the ridge waveguide lasers. Two epitaxial structures were analyzed for the ridge waveguide lasers: a symmetric structure and an asymmetric structure, emitting around 1180 nm and 1154 nm, respectively. Only the symmetric structure was analyzed for the tapered power amplifier lasers. The output power and beam quality factors were measured and the brightness values were calculated as a function of drive current for all the laser components, and the optimum ridge waveguide design parameters leading to the highest brightness values were found for both of the epitaxial structures. The tapered laser components that were analyzed were found to have lower brightness than the ridge waveguide lasers, implying that their design should be further optimized.

Korkean kirkkauden laserit ovat tavoiteltavia valonlähteitä sovelluksissa, joissa vaaditaan korkea ulostuloteho ja hyvä säteenlaatu. Yksi sellainen sovellus on näkyvän valon tuottaminen lähi-infrapunavalosta taajuuskahdennuksella epälineaarisessa kiteessä. Taajuuskahdennus on epälineaarinen prosessi, joka on voimakkaasti riippuvainen valon intensiteetistä, mikä tarkoittaa sitä, että tehokas taajuuskahdennus vaatii korkean tehon laserlähteen. Hyvä säteenlaatu on myös välttämätön, jotta laser saadaan kytkettyä epälineaariseen kiteeseen tehokkaasti.

Tässä lopputyössä analysoitiin harjanneaaltojohdelasereita ja taperoituja tehovahvistinlasereita. Tavoitteena oli löytää optimaaliset harjanneaaltojohteen parametrit, jolla saavutetaan suurimmat kirkkauden arvot, ja selvittää voidaanko taperoidulla vahvistinlasereilla saavuttaa suuremman kirkkauden kuin harjanneaaltojohdelasereilla.

Harjanneaaltojohdelasereiden kohdalla tarkasteltiin kahta epitaksiaalista rakennetta: symmetristä ja antisymmetristä rakennetta, joiden emissioaallonpituudet olivat noin 1180 nm ja 1154 nm. Taperoitujen vahvistinlasereiden kohdalla tarkasteltiin ainoastaan symmetristä rakennetta.

Kaikille laserkomponenteille määritettiin teho ja säteenlaatukerroin, sekä laskettiin kirkkaus virran funktiona, ja kummallekin epitaksiaaliselle rakenteelle löydettiin harjanneaaltojohteen parametrit, jotka tuottivat suurimmat kirkkauden arvot. Osoittautui, että mitattujen taperoitujen laserkomponenttien kirkkauden arvot olivat pienemmät kuin harjanneaaltojohdelaserien kirkkauden arvot, mikä viittaa siihen, että niiden rakenne vaatii optimointia.