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科学|垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状！( 四 )


2004年 ， Kurdi等首次报道了InGaAsP EP - VECSEL室温输出1550 nm激光 ， 该口径为50 μm的InP基VECSEL连续输出功率为0.3 mW ， 准连续条件下输出达2.76 mW 。 利用掩埋隧道结型和离子注入结型控制电流均匀性 ， 获得了1550 nm的3 mW脉冲输出和0.5 mW单横模输出 。 2010年 ， Harkonen等利用掩埋隧道结型在GaInAsSb VECSEL中获得了2.34 μm脉冲光输出 ， 设计了30~90 μm口径的器件 ， 并在90 μm口径的器件中获得最高的脉冲峰值功率为1.5 mW 。
3.3 OP - VECSEL
在红外波段 ， 850 nm激光常采用量子阱内抽运方式以提高量子效率 ， 减小热效应 。 其中 ， Zhang等使用806 nm光纤耦合激光二极管抽运GaAs / AlGaAs VECSEL ， 得到最大功率1.02 W的855 nm输出 。 Beyertt等使用833 nm抽运光阱内抽运获得了865 nm的1.6 W的激光输出 ， 光光转换效率高至50% 。 美国相干公司研制的InGaAs / GaAs VECSEL ， 获得了30 W的980 nm和19 W的920 nm的连续多模输出 ， 为目前980 nm单管OP - VECSEL获得的最高功率 。 960 nm基模激光也获得了数十瓦的功率输出 。 Rudin等报道了20.2 W输出的InGaAs/ GaAs VECSEL ， 其DBR对激光反射率R为99.95% ， 同时对抽运光反射率为97% ， 使抽运光得以两次通过增益区 ， 吸收可达85% 。 使用808 nm激光器45°入射抽运 ， 斜效率为49% ， 光光转换效率为43% ， 光束质量因子M2 ≈ 1.1 ， 这是目前OP - VECSEL单管基模输出的最高功率 。
目前1 μm波段研究最为成熟 。 Lee等在背端抽运OP - VECSEL中利用液体毛细管绑定散热窗口获得了9.1 W的1079 nm连续输出 ， 这是背端抽运获得的最高输出功率 。 Heinen等利用热电制冷器控制温度 ， 提高芯片和基底的键合质量 ， 利用金刚石作为散热片 ， 在3 ℃时获得了106 W的1028 nm连续InGaAsOP - VECSEL多模激光输出 ， 这是目前单管最高输出功率 ， 在输出功率为99.6 W时 ， 光光转换效率达45% 。 Zhang等利用腔内的双折射滤波片和5%的输出耦合镜 ， 获得了23.6 W的1013 nm单频输出 ， 为目前单频输出的最高功率 。 在更长的1160~1200 nm波段 ， 由于InGaAs / GaAs中In的组分更高 ， 晶格应变更严重 ， Kantola等在InGaAs / GaAs量子阱中生长了GaAsP应力补偿层 ， 在热沉-15 ℃下获得了50 W的1180 nm输出 ， 光光转换效率为28% 。 2017年 ， Leinonen等在AlGaInAsOP - VECSEL中利用特制的金反射镜将未吸收的光再次反射进增益区 ， 增强吸收 ， 在热沉-5 ℃下获得了33 W的1275 nm激光输出 。
Lyytikainen等和Rantamaki等合作进行了1.3~1.55 μm的研究 ， 先后获得了2.7 W的1.3 μm输出、2.6 W的1.57 μm输出和1 W的1.56 μm单频输出 ， 以及5 W的1.48 μm激光输出 。 2014年他们设计了腔内金刚石散热芯片结构 ， 并利用980 nm抽运AlGaInAs / InP结构 ， 获得1300 nm出光功率为7.1 W ， 且M2< 1.25 ， 为该波段输出的最高功率 。
2~5 μm中红外波段已经获得数十瓦级输出 。 Hopkins等在AlGaIn / AsSb VECSEL中获得了5 W的2 μm激光输出 ， 利用双折射滤波片可调谐波长范围为80 nm 。 2015年 ， Holl等利用1470 nm低量子亏损抽运并结合前后散热热沉 ， 在0 ℃条件下获得了2 μm激光的最高输出 ， 功率达20 W ， 之后换用金刚石散热片在室温下获得了17 W的激光输出 。 Ishida等使用1.55 μm光纤激光抽运PbSrS / PbS和PbTe / CdTe VECSEL ， 通过控制温度 ， 分别获得了2.65~3 μm和3.3~4.2 μm的激光输出 ， 最高功率分别达2 W和700 mW 。 而在BaF2衬底上生长PbTe / PbEuTe增益区并使用Al作为散热片 ， 亦获得了300 mW的5 μm波长输出 。
在可见光波段 ， 同GaN - VCSEL ， 直接激发材料获得紫光以及蓝光的主要难点集中在生长优质的DBR结构、合适的抽运源、腔结构的设计 ， 以及高效的热管理 。 Debusmann等利用375 nm染料激光器抽运InGaN OP - VECSEL ， 获得415 nm蓝光 ， 单脉冲能量为60 nJ ， 相应峰值功率22 W 。 2015年 ， Baumg?rtner等在热沉温度-15 ℃条件下 ， 于GaInP / AlGaInP OP - VECSEL中获得了1.6 W的665.5 nm连续红光 ， 2016年 ， 利用多程量子阱抽运 ， 将功率提高到2.5 W ， 这是目前红光OP - VECSEL的最高输出功率 。


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