雙波長輸出半導(dǎo)體激光器在干涉測量、光譜分析、干涉成像以及差頻太赫茲等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）結(jié)合了固體激光器高光束質(zhì)量和半導(dǎo)體激光器波長豐富的特點，可以同時實現(xiàn)高輸出功率、良好的光束質(zhì)量、大的覆蓋波長范圍等。同時，VECSEL擁有靈活的外腔腔型，可以通過在腔內(nèi)加入光學(xué)元件實現(xiàn)濾波及調(diào)諧、鎖模、倍頻等功能。近年來，采用VECSEL方案實現(xiàn)激光的雙波長輸出成為該領(lǐng)域研究的熱點。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張建偉教授團(tuán)隊提出了一種采用單個增益芯片實現(xiàn)雙波長輸出的光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VECSEL）。該VECSEL雙波長穩(wěn)定輸出時的最大激光功率可以達(dá)到560 mW，光斑在正交方向呈現(xiàn)對稱高斯形貌，正交方向發(fā)散角分別為6.68°和6.87°。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《紅外與毫米波學(xué)報》期刊。

這項研究提出的VECSEL系統(tǒng)由泵浦激光、熱沉及控溫TEC、增益芯片和輸出耦合鏡組成。增益芯片發(fā)光區(qū)由兩組不同發(fā)光波長的量子阱組成，其中一組發(fā)光波長較短的量子阱采用吸收區(qū)泵浦的方式，另一組發(fā)光波長較長的量子阱采用阱內(nèi)泵浦方式。VECSEL工作時，增益芯片底部的熱沉溫度通過半導(dǎo)體制冷片TEC控制。

（a）雙波長VECSEL增益芯片外延結(jié)構(gòu)圖；（b）VECSEL增益芯片有源區(qū)能帶圖

VECSEL系統(tǒng)示意圖

在VECSEL工作時，吸收區(qū)泵浦的短波長量子阱率先激射，由于發(fā)光波長較長的量子阱對短波長量子阱的強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)，此時可以觀察到兩種波長的光譜峰值強(qiáng)度隨時間周期性振蕩，采用高靈敏探測器觀察到VECSEL此時的輸出激光呈現(xiàn)出脈沖輸出形式。

隨著泵浦功率進(jìn)一步增加，VECSEL的輸出激光呈現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長輸出。在襯底溫度為-10℃時，實現(xiàn)了雙波長輸出最大功率達(dá)到了560 mW，激光波長分別在967.5 nm和969.8 nm。另外，采用提出的這種方案，在泵浦功率較低時，還可以實現(xiàn)VECSEL的脈沖調(diào)制現(xiàn)象。雙波長輸出VECSEL具有高斯對稱的光斑形貌，兩個正交方向上的激光發(fā)散角僅有6.68°和6.87°。

TEC控溫溫度為-10℃時，不同泵浦功率下VECSEL的激光光譜圖

在-10℃溫度下VECSEL在泵浦功率為5 W時的輸出遠(yuǎn)場分布，插圖為輸出光斑二維彩圖

總而言之，這項研究提出了采用兩組不同發(fā)光波長的量子阱作為發(fā)光層的VECSEL增益芯片結(jié)構(gòu)，通過改變外部光學(xué)泵浦功率水平，實現(xiàn)了穩(wěn)定的雙波長輸出。這種新型增益芯片結(jié)構(gòu)將在實現(xiàn)雙波長激光以及光調(diào)制等應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景。

審核編輯：劉清