雙波長(zhǎng)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(xiàn)性頻率變換、雙波長(zhǎng)干涉技術(shù)、光通信、光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域，因此備受?chē)?guó)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(zhǎng)范圍廣、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，如果能通過(guò)半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出，則十分有利于推動(dòng)雙波長(zhǎng)光源的實(shí)用化進(jìn)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(diǎn)，能夠同時(shí)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(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧、鎖模和非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換等功能。因此，VECSEL具有成為理想雙波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的潛力，研究者們也一直致力于實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)VECSEL。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、長(zhǎng)春中科長(zhǎng)光時(shí)空光電技術(shù)有限公司的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的VECSEL，通過(guò)調(diào)控泵浦光功率，實(shí)現(xiàn)了VECSEL輸出的兩個(gè)激光波長(zhǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換，雙波長(zhǎng)的間隔接近50 nm。在0℃時(shí)，每個(gè)激射波長(zhǎng)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(zhǎng)可以在950 nm和1000 nm之間切換，同時(shí)還可以在1.5 W以上的功率水平下實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)同時(shí)激射。這種可切換波長(zhǎng)及雙波長(zhǎng)同時(shí)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(bào)》期刊。

與以往的雙波長(zhǎng)VECSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，這項(xiàng)研究中，研究人員主要通過(guò)對(duì)增益譜的熱調(diào)制實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)了GaInP作為刻蝕阻擋層，主要用于仿制襯底去除工藝對(duì)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(shì)壘，也能夠阻止載流子擴(kuò)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(gè)InGaAs / GaAsP / AlGaAs應(yīng)變量子阱組成。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，9個(gè)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(chǎng)

研究人員進(jìn)一步測(cè)試了該VECSEL器件的性能。通過(guò)提高增益-腔模預(yù)偏移量的增益芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)了增益芯片激射波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)VECSEL雙波長(zhǎng)同時(shí)激射。在0℃時(shí)，兩個(gè)激射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最大輸出功率均超過(guò)1.5 W，雙波長(zhǎng)的頻差在15.66 THz。雙波長(zhǎng)VECSEL中兩種振蕩模式的相對(duì)強(qiáng)度可以通過(guò)微調(diào)泵浦功率來(lái)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)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(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系（b）

在0℃下，VECSEL器件在單一波長(zhǎng)輸出時(shí)的光束質(zhì)量M2（a），以及VECSEL器件在雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光束質(zhì)量M2，插圖為其輸出光斑的形貌（b）

這項(xiàng)研究提出的雙波長(zhǎng)激光器可以避免復(fù)雜的增益芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜的外延生長(zhǎng)，同時(shí)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(jiān)固、穩(wěn)定、實(shí)用，在光調(diào)制、差頻等領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。

審核編輯：劉清