中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所中國(guó)科學(xué)院固體激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

引言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、波長(zhǎng)范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以來，已成為光電子技術(shù)領(lǐng)域的重要器件。傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達(dá)100 … 1，在某些應(yīng)用中須附加光束整形系統(tǒng)。

1979年，Soda等提出了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的概念，與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器不同的是其激光出射方向垂直于襯底表面，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)接近，動(dòng)態(tài)單模性比較好，有望在光通信、光互連、光存儲(chǔ)、激光顯示和照明等領(lǐng)域大展身手。目前，Princeton Optronics公司獲得了VCSEL單管連續(xù)輸出的最高功率為5.5 W。可是，由于VCSEL的諧振腔是由頂部布拉格反射鏡（DBR）和底部布拉格反射鏡構(gòu)成，腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)同量級(jí)，導(dǎo)致器件發(fā)散角較大（半角寬度約15°）。為了獲得較小的發(fā)散角，一種垂直外腔面發(fā)射激光器（VECSEL）應(yīng)運(yùn)而生。由于采用外腔結(jié)構(gòu)，其腔長(zhǎng)由波長(zhǎng)量級(jí)增加到毫米至厘米量級(jí)，有效改善了光束質(zhì)量，理論極值達(dá)M2~1。

早期的垂直外腔面發(fā)射激光器依舊采用電抽運(yùn)（EP）方式，目前EP - VECSEL單管獲得了超過9 W的連續(xù)輸出。可是電抽運(yùn)VCSEL和VECSEL均因電流注入不均勻和串聯(lián)電阻熱堆積，在單橫模工作模式下高功率輸出受到限制。1997年，Kuznetsov等提出的光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射激光器（OP - VECSEL），也有人稱為半導(dǎo)體盤片激光器（SDL）。其綜合了高光束質(zhì)量的垂直腔面發(fā)射激光器和高功率激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出，覆蓋從深紫外到中紅外波段的廣闊波段。在紫外及藍(lán)紫光波段，半導(dǎo)體增益介質(zhì)以InGaN - GaN材料體系為主，在GaN基底材料上生長(zhǎng)出多個(gè)InGaN量子阱。在紅光至近紅外波段，半導(dǎo)體增益介質(zhì)主要采用在GaAs襯底上生長(zhǎng)InGaP – AlGaInP、GaAs - AlGaAs、InGaAs - GaAsP及GaInNAs - GaAs量子阱。1.5 μm附近波段主要在InP襯底上生長(zhǎng)AlGaInAs - InP量子阱來實(shí)現(xiàn)，2~3 μm則通過在GaSb襯底上生長(zhǎng)GaInAsSb - GaSb材料系來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于更長(zhǎng)的4~5 μm波段，襯底材料多為BaF2，增益介質(zhì)材料為PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe體系。同時(shí)，得益于其外腔的存在，可以方便地進(jìn)行鎖模而獲得超短脈沖輸出；還可以實(shí)現(xiàn)高效率的激光腔內(nèi)頻—頻轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展了輸出波長(zhǎng)范圍。

另外，OP - VECSEL的獨(dú)到之處在于半導(dǎo)體增益芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)p - n結(jié)、無(wú)電接觸，極大地簡(jiǎn)化其生長(zhǎng)過程，在提高增益芯片可靠性的同時(shí)，消除附加電阻上的熱效應(yīng)；抽運(yùn)波長(zhǎng)可選擇性設(shè)計(jì)；可獲得百納米的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍；半導(dǎo)體增益芯片上抽運(yùn)光斑較大，高功率時(shí)產(chǎn)生光學(xué)損傷的可能性減小；激光器體積緊湊，攜帶方便，實(shí)用程度高。在實(shí)際應(yīng)用中，方便作為儀器儀表和顯微鏡的配套光源，目前，單管OP - VECSEL連續(xù)輸出功率已高達(dá)106 W。

本文介紹了VCSEL，EP - VECSEL和OP - VECSEL的原理和特性，并綜述了其最新研究進(jìn)展、主要應(yīng)用和發(fā)展前景。

基本原理

2.1 VCSEL

如所示，典型的VCSEL包括頂發(fā)射和底發(fā)射兩種結(jié)構(gòu)。一般來說，早期典型器件是通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在N型GaAs襯底上生長(zhǎng)而成的。其主要由DBR作為激光腔鏡，量子阱有源區(qū)（MQWs）夾在n - DBR和p - DBR之間，由于量子阱厚度小，使單程增益很小，因此反射鏡的反射率較高，一般全反腔鏡反射率> 99.9%，輸出腔鏡反射率通過理論計(jì)算設(shè)定最佳的耦合輸出率（> 99%），然后，在襯底和p - DBR外表面制作金屬接觸層。通過在p - DBR或n - DBR上制作一個(gè)圓形出光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米到百微米量級(jí)，再和導(dǎo)熱性好的熱沉鍵合，提高芯片的散熱性能。由于GaAs襯底對(duì)800 nm附近的光有強(qiáng)吸收，所以在這個(gè)波段的器件通常采取頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。底發(fā)射結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生976 nm和1064 nm波段，為了減少襯底的吸收損耗，通常將襯底減薄到150 μm以下，再生長(zhǎng)一層增透膜，提高激光光束質(zhì)量，最后將增益芯片安裝在熱沉上，離有源區(qū)更近，因此散熱性更好。

2.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL的芯片包括電注入結(jié)構(gòu)、有源區(qū)和DBR，與傳統(tǒng)的VCSEL相比，其引入的外腔結(jié)構(gòu)增加了腔長(zhǎng)，如所示。諧振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔鏡等3個(gè)鏡面，是一種由兩個(gè)子諧振腔構(gòu)成的耦合諧振腔。激光器芯片上生長(zhǎng)的p - DBR、n - DBR以及夾在其中的有源區(qū)組成的諧振腔為有源腔，提供激射所需的增益；由p - DBR及外腔鏡組成的諧振腔可以通過控制不同傳輸模式的損耗，抑制高階橫模，從而改善光束質(zhì)量。

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