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本工作的目标是研制分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL),实现单模激射.根据已有的研究积累,计划分四个阶段实现这一目标:1)多量子阱激光器、量子级联激光器能带与波函数设计的研究,分布反馈光栅结构的设计;2)分布反馈光栅刻蚀系统的研制与光栅制备;3)多模量子级联激光器器件工艺的研究;4)结合前三部分工作,研制分布反馈量子级联激光器.博士后工作期间已成功地实现前三个阶段的目标,正在进行第四阶段的工作.主要结果有:一、能带与波函数工程研究:作为量子级联激光器设计的前期工作,研究了多量子阱体系的能带、波函数与增益谱.分别采用含应变势的6带k·p模型与抛物带模型计算价带和导带的能带与波函数,得到薛定谔与泊松方程的自洽解,计算了多量子阱激光器的增益谱.将此方法用到1.55μm多量子阱激光器中,所得结果与实验报道定性吻合.对目前尚未成熟的InGaAsSb/AlGaAsSb 2.7μm多量子阱激光器,进行了有源区的优化设计,得出了提高增益的途径.开展了量子级联激光器的能带设计工作,运用非抛物带模型计算了静态下QCL"有源区/注入区"周期内各子能级的位置与归一化的波函数分布.二、针对8.5μm分布反馈量子级联激光器,设计了"金属/半导体"表面光栅结构,以避免分子束二次外延过程,并利用金属和半导体之间极大的介电常数之差获得良好的光反馈效果.利用平板波导理论计算了激光器的有效折射率,确定了激光器波长与光栅周期的数值关系.用分波理论计算了光栅结构对DFB-QCL性能的影响,结合光栅制备工艺,给出了DFB-QCL中光栅的优化设计.三、建立了一套全息法光栅刻蚀系统,研究了光栅刻蚀的整套工艺.在光路设计、光刻胶制备、光栅形貌实时监测等方面做了有益的探索,形成了自己的特色.在不同衬底与外延材料上刻蚀出不同周期的光栅,周期调节范围为0.4~1.4μm,误差<5nm,体现出相当高的精度.通过控制曝光、显影与腐蚀等过程的参数,实现了光栅结构在一定范围内的可控.四、深入研究了8.5μm InP基InGaAs/InAlAs量子级联激光器的器件工艺,设计了窄脊条、高台面的脊形波导结构,以提高激光器的电流限制和光学限制效果.攻克了高台面所引起的一系列技术难题,初步解决激光器流片的整套工艺.研制的QCL激光器实现了8.5μm波段的室温脉冲激射,阈值电流密度为920A/cm<'2>@50K,2.3kA/cm<'2>@300K,具有较好的温度稳定性.50K时单面峰值功率超过10mW.初步分析了激光器的低温和高温性能.作者的工作协助本小组实现了量子级联激光器"设计—材料—器件—测试"的自主的完整的研究链,为进一步的研究打下了理论和实验基础.