中國科學院理化技術研究所中國科學院固體激光重點實驗室

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中國科學院大學

引言

半導體激光器具有體積小、質量輕、效率高、波長范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產等優點，自20世紀70年代初實現室溫連續運轉以來，已成為光電子技術領域的重要器件。傳統的邊發射半導體激光器已實現較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達100 … 1，在某些應用中須附加光束整形系統。

1979年，Soda等提出了垂直腔面發射激光器（VCSEL）的概念，與傳統的邊發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。由于諧振腔長與波長接近，動態單模性比較好，有望在光通信、光互連、光存儲、激光顯示和照明等領域大展身手。目前，Princeton Optronics公司獲得了VCSEL單管連續輸出的最高功率為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成，腔長與波長同量級，導致器件發散角較大（半角寬度約15°）。為了獲得較小的發散角，一種垂直外腔面發射激光器（VECSEL）應運而生。由于采用外腔結構，其腔長由波長量級增加到毫米至厘米量級，有效改善了光束質量，理論極值達M2~1。

早期的垂直外腔面發射激光器依舊采用電抽運（EP）方式，目前EP - VECSEL單管獲得了超過9 W的連續輸出。可是電抽運VCSEL和VECSEL均因電流注入不均勻和串聯電阻熱堆積，在單橫模工作模式下高功率輸出受到限制。1997年，Kuznetsov等提出的光抽運垂直外腔面發射激光器（OP - VECSEL），也有人稱為半導體盤片激光器（SDL）。其綜合了高光束質量的垂直腔面發射激光器和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時獲得高功率和高光束質量的激光輸出，覆蓋從深紫外到中紅外波段的廣闊波段。在紫外及藍紫光波段，半導體增益介質以InGaN - GaN材料體系為主，在GaN基底材料上生長出多個InGaN量子阱。在紅光至近紅外波段，半導體增益介質主要采用在GaAs襯底上生長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AlGaInAs - InP量子阱來實現，2~3 μm則通過在GaSb襯底上生長GaInAsSb - GaSb材料系來實現。對于更長的4~5 μm波段，襯底材料多為BaF2，增益介質材料為PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe體系。同時，得益于其外腔的存在，可以方便地進行鎖模而獲得超短脈沖輸出；還可以實現高效率的激光腔內頻—頻轉換，擴展了輸出波長范圍。

另外，OP - VECSEL的獨到之處在于半導體增益芯片結構簡單、無p - n結、無電接觸，極大地簡化其生長過程，在提高增益芯片可靠性的同時，消除附加電阻上的熱效應；抽運波長可選擇性設計；可獲得百納米的波長調諧范圍；半導體增益芯片上抽運光斑較大，高功率時產生光學損傷的可能性減小；激光器體積緊湊，攜帶方便，實用程度高。在實際應用中，方便作為儀器儀表和顯微鏡的配套光源，目前，單管OP - VECSEL連續輸出功率已高達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展、主要應用和發展前景。

基本原理

2.1 VCSEL

如所示，典型的VCSEL包括頂發射和底發射兩種結構。一般來說，早期典型器件是通過金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）技術在N型GaAs襯底上生長而成的。其主要由DBR作為激光腔鏡，量子阱有源區（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算設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，再和導熱性好的熱沉鍵合，提高芯片的散熱性能。由于GaAs襯底對800 nm附近的光有強吸收，所以在這個波段的器件通常采取頂發射結構。底發射結構可用于產生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，再生長一層增透膜，提高激光光束質量，最后將增益芯片安裝在熱沉上，離有源區更近，因此散熱性更好。

2.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL的芯片包括電注入結構、有源區和DBR，與傳統的VCSEL相比，其引入的外腔結構增加了腔長，如所示。諧振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔鏡等3個鏡面，是一種由兩個子諧振腔構成的耦合諧振腔。激光器芯片上生長的p - DBR、n - DBR以及夾在其中的有源區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，從而改善光束質量。

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