垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的雙波長調(diào)控研究

雙波長激光器是一種具有較大應(yīng)用潛力的光源，其應(yīng)用范圍包括非線性頻率變換、雙波長干涉技術(shù)、光通信、光動力學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域，因此備受國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注。由于半導(dǎo)體激光器具有效率高、質(zhì)量輕、波長范圍廣、可靠性高等優(yōu)勢，如果能通過半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)雙波長激光輸出，則十分有利于推動雙波長光源的實用化進程。

垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）兼具固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點，能夠同時獲得高輸出功率和高光束質(zhì)量。此外，VECSEL具有靈活的外腔結(jié)構(gòu)，可以在腔內(nèi)加入多種光學(xué)元件，從而實現(xiàn)波長調(diào)諧、鎖模和非線性頻率轉(zhuǎn)換等功能。因此，VECSEL具有成為理想雙波長半導(dǎo)體激光器的潛力，研究者們也一直致力于實現(xiàn)雙波長VECSEL。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)、長春中科長光時空光電技術(shù)有限公司的研究團隊聯(lián)合提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的VECSEL，通過調(diào)控泵浦光功率，實現(xiàn)了VECSEL輸出的兩個激光波長之間的相互轉(zhuǎn)換，雙波長的間隔接近50 nm。在0℃時，每個激射波長的最大輸出功率都在1.5 W以上。隨著泵浦功率的改變，激射波長可以在950 nm和1000 nm之間切換，同時還可以在1.5 W以上的功率水平下實現(xiàn)雙波長同時激射。這種可切換波長及雙波長同時激射的VECSEL器件在光調(diào)制、差頻等領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《紅外與毫米波學(xué)報》期刊。

與以往的雙波長VECSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，這項研究中，研究人員主要通過對增益譜的熱調(diào)制實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。VECSEL的增益芯片采用了底發(fā)射的面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，在未摻雜的GaAs襯底上先后生長了阻擋層、共振周期結(jié)構(gòu)的多量子阱有源區(qū)以及布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR）結(jié)構(gòu)。在有源區(qū)和襯底之間生長了GaInP作為刻蝕阻擋層，主要用于仿制襯底去除工藝對芯片結(jié)構(gòu)的破壞，并且其具有比泵浦吸收區(qū)更高的勢壘，也能夠阻止載流子擴散到表面形成非輻射復(fù)合。此增益芯片的有源區(qū)由9個InGaAs / GaAsP / AlGaAs應(yīng)變量子阱組成。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，9個量子阱的位置位于駐波波峰中心位置，形成共振周期結(jié)構(gòu)，避免了空間燒孔效應(yīng)，并且能夠獲得更高的光學(xué)增益。

VECSEL系統(tǒng)工作示意圖，插圖為該器件增益芯片的駐波光場

研究人員進一步測試了該VECSEL器件的性能。通過提高增益-腔模預(yù)偏移量的增益芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不同的泵浦功率下，增益譜被調(diào)諧到由反射率譜的下降傾角決定的兩種模式中的一種，實現(xiàn)了增益芯片激射波長可在950 nm和1000 nm之間切換。此外，在特定的泵浦功率下，可以實現(xiàn)VECSEL雙波長同時激射。在0℃時，兩個激射波長對應(yīng)的最大輸出功率均超過1.5 W，雙波長的頻差在15.66 THz。雙波長VECSEL中兩種振蕩模式的相對強度可以通過微調(diào)泵浦功率來調(diào)節(jié)，且兩種振蕩模式均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

VECSEL增益芯片的發(fā)光區(qū)PL光譜及整體結(jié)構(gòu)反射譜

在0℃下，VECSEL器件的輸出性能（a）及其泵浦功率在8 W和20 W時的遠場發(fā)散角（b）

在0℃下，VECSEL器件出光光譜隨泵浦功率的變化關(guān)系（a），以及泵浦功率不變的情況下，VECSEL器件輸出波長隨溫度的變化關(guān)系（b）

在0℃下，VECSEL器件在單一波長輸出時的光束質(zhì)量M2（a），以及VECSEL器件在雙波長運轉(zhuǎn)時的光束質(zhì)量M2，插圖為其輸出光斑的形貌（b）

這項研究提出的雙波長激光器可以避免復(fù)雜的增益芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)雜的外延生長，同時也不需要在外腔中插入并調(diào)諧光學(xué)元件，加之其體積小、堅固、穩(wěn)定、實用，在光調(diào)制、差頻等領(lǐng)域具有較高的實用價值。

審核編輯：劉清