垂直外腔面发射半导体激光器的双波长调控研究

双波长激光器是一种具有较大应用潜力的光源，其应用范围包括非线性频率变换、双波长干涉技术、光通信、光动力学医疗等领域，因此备受国内外众多研究者的关注。由于半导体激光器具有效率高、质量轻、波长范围广、可靠性高等优势，如果能通过半导体激光器实现双波长激光输出，则十分有利于推动双波长光源的实用化进程。

垂直外腔面发射半导体激光器（Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）兼具固体激光器和半导体激光器的优点，能够同时获得高输出功率和高光束质量。此外，VECSEL具有灵活的外腔结构，可以在腔内加入多种光学元件，从而实现波长调谐、锁模和非线性频率转换等功能。因此，VECSEL具有成为理想双波长半导体激光器的潜力，研究者们也一直致力于实现双波长VECSEL。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院大学、长春中科长光时空光电技术有限公司的研究团队联合提出一种结构紧凑的VECSEL，通过调控泵浦光功率，实现了VECSEL输出的两个激光波长之间的相互转换，双波长的间隔接近50 nm。在0℃时，每个激射波长的最大输出功率都在1.5 W以上。随着泵浦功率的改变，激射波长可以在950 nm和1000 nm之间切换，同时还可以在1.5 W以上的功率水平下实现双波长同时激射。这种可切换波长及双波长同时激射的VECSEL器件在光调制、差频等领域有较大应用潜力。相关研究成果已发表于《红外与毫米波学报》期刊。

与以往的双波长VECSEL结构设计相比，这项研究中，研究人员主要通过对增益谱的热调制实现波长转换。VECSEL的增益芯片采用了底发射的面发射激光器结构，在未掺杂的GaAs衬底上先后生长了阻挡层、共振周期结构的多量子阱有源区以及布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR）结构。在有源区和衬底之间生长了GaInP作为刻蚀阻挡层，主要用于仿制衬底去除工艺对芯片结构的破坏，并且其具有比泵浦吸收区更高的势垒，也能够阻止载流子扩散到表面形成非辐射复合。此增益芯片的有源区由9个InGaAs / GaAsP / AlGaAs应变量子阱组成。在整体结构设计中，9个量子阱的位置位于驻波波峰中心位置，形成共振周期结构，避免了空间烧孔效应，并且能够获得更高的光学增益。

VECSEL系统工作示意图，插图为该器件增益芯片的驻波光场

研究人员进一步测试了该VECSEL器件的性能。通过提高增益-腔模预偏移量的增益芯片结构设计，在不同的泵浦功率下，增益谱被调谐到由反射率谱的下降倾角决定的两种模式中的一种，实现了增益芯片激射波长可在950 nm和1000 nm之间切换。此外，在特定的泵浦功率下，可以实现VECSEL双波长同时激射。在0℃时，两个激射波长对应的最大输出功率均超过1.5 W，双波长的频差在15.66 THz。双波长VECSEL中两种振荡模式的相对强度可以通过微调泵浦功率来调节，且两种振荡模式均表现出良好的稳定性。

VECSEL增益芯片的发光区PL光谱及整体结构反射谱

在0℃下，VECSEL器件的输出性能（a）及其泵浦功率在8 W和20 W时的远场发散角（b）

在0℃下，VECSEL器件出光光谱随泵浦功率的变化关系（a），以及泵浦功率不变的情况下，VECSEL器件输出波长随温度的变化关系（b）

在0℃下，VECSEL器件在单一波长输出时的光束质量M²（a），以及VECSEL器件在双波长运转时的光束质量M²，插图为其输出光斑的形貌（b）

这项研究提出的双波长激光器可以避免复杂的增益芯片结构设计和复杂的外延生长，同时也不需要在外腔中插入并调谐光学元件，加之其体积小、坚固、稳定、实用，在光调制、差频等领域具有较高的实用价值。

审核编辑：刘清