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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！( 五 )


在紫外波段 ， 直接从GaN基VECSEL中获得紫外光输出仍是一个亟待突破的难题 。 2000年 ， Zhou等利用三倍频锁模355 nm Nd … YAG激光器为抽运源 ， 采用GaN / AlGaN和SiO2 / HfO2DBR形成谐振腔 ， 获得了室温准连续条件下InGaN / GaN VECSEL的383 nm的紫外光 ， 输出功率为3 mW 。
综上所述 ， 面发射半导体激光器通过直接激发已可使输出波长覆盖从深紫外到数微米红外的波长范围 。 其中1 μm波段研究较为成熟 ， 在该波段VCSEL单管最高输出功率达5.5 W ， 阵列输出功率达100 kW；EP- VECSEL单管最高输出功率超过9 W ， 阵列输出达42 W；OP - VECSEL单管最高输出功率106 W ， 单频最高输出功率23.6 W 。 另外 ， 其突出的高转换效率也为面发射半导体增彩不少 ， VCSEL的转换效率最高可达63.4% 。 OP - VECSEL转换效率也高达50% 。
4 应用
通过激光技术可以扩展面发射半导体激光器的应用 ， 将其优点发挥到极致 。 利用偏硼酸钡（BBO）、三硼酸锂（LBO）、磷酸氧钛钾（KTP）等非线性晶体进行变频可得到更短波长的激光输出 ， 进一步扩展波长范围；半导体增益片具有数十纳米的增益带宽 ， 扩展腔结构亦可方便地插入滤波元件和调谐元件 ， 获得单频和可调谐激光输出；半导体可饱和吸收镜（SESAM）被动锁模和克尔透镜锁模可以获得飞秒级超短脉冲 ， 同时具有高重复频率 ， 这些技术使面发射激光器有更为广阔的应用前景 。
红外波段的808和980 nm着重于高功率面阵的研究 ， 用于抽运掺铒的光纤放大器和端面抽运Nd … YAG、Nd … YVO4等固体激光器以及红外照明、成像等应用 。 另外 ， Watkins等研制的单频窄线宽780、795和850 nm VCSEL可用于原子钟及其相关领域 ， 如基于原子钟新型传感器等 。 980 nm EP - VECSEL使用SESAM被动锁模已经获得了2.5 ps脉宽的激光输出 ， 其平均功率为53.2 mW、峰值功率为4.73 W、重复频率为18.2 GHz ， 均为目前EP - VECSEL锁模的最高水平 。 980 nm OP - VECSEL利用InGaAs增益芯片的克尔透镜效应锁模得到了脉宽为930 fs、重复频率为210 MHz和峰值功率为6.8 kW的激光输出 ， 为目前OP - VECSEL超短脉冲最高的峰值功率 ， 可应用于光通信和光时钟领域 。
1 μm激光的超短脉冲 ， 通过SESAM锁模脉冲宽度已经缩短至60 fs ， 重复频率高达175 GHz ， 平均功率提高到6.4 W ， 峰值功率亦提高到4.35 kW 。 使用碳纳米管可饱和吸收镜（GSAM）锁模 ， Husaini等获得了脉宽为353 fs、脉冲能量为2.8 nJ、平均功率为10 W的1030 nm输出 ， 为目前超短脉冲最高的平均功率 。 在高速计算系统和计量学等领域、光时钟、频率转换、高速电光采样、时间分辨光谱学等占有一席之地 。 近几年 ， M Squared Laser公司成功地实现了输出波长范围920~1050 nm的锁模VECSEL的商业化应用 ， 为日渐兴起的非线性显微镜市场提供了一种低成本、易操作的激光光源 。 2016年 ， Lubeigt等再次实现了脉冲130 fs以下 ， 重复频率为200 MHz、平均功率为0.85 W的锁模OP - VECSEL ， 有望代替钛宝石超快激光器在非线性领域的应用 。 2017年 ， Scheller等报道了产生1012和1015 nm的双波长OP - VECSEL ， 可用于差频产生太赫兹光源 。 图5是常用的2种SESAM被动锁模腔型 ， 激光的一个端镜为耦合输出镜 ， 另外一个端镜是被动锁模元件SESAM 。 图5（a）所示的V型腔通过移动耦合输出镜和SESAM的位置改变增益介质和SESAM上激光模式大小的比例 ， 获得可调节的脉宽输出 ， 图5（b）所示的Z型腔则具有更稳定的锁模输出 。

科学|垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状！
本文插图

图5 OP – VECSEL SESAM被动锁模示意图 。 （a）V型腔；（b）Z型腔
近红外波段中有三个石英光纤的低损窗口 ， 850 nm是第一个低损窗口 ， 主要用于短距离的高速数据通讯和光互连；1330 nm是第二个低损窗口；而1550 nm是第三个低损窗口 ， 也是损耗最低的一个窗口 。 因此 ， 1310 nm和1550 nm VCSEL分别用于中距离和远距离高速数据通讯和光互连、光并行处理、光识别系统等 。 目前 ， 850 nm VCSEL设备的传输速度可达160 Gb·s-1 。 1.3 μm VCSEL设备的传输速度可达到25 Gb·s-1 ， 1.5 μm VCSEL设备的传输速度可达56 Gb·s-1 。 2011年 ， Gierl等利用微机械技术（MEMS）进行调谐首次报道了1550 nm波段可调谐范围>100 nm的单模输出 ， 刷新了之前1550 nm最宽可调谐范围65 nm的记录 。 2012年 ， Jayaraman等报道了在InP1310 nm VCSEL中利用MEMS技术获得了150 nm的连续可调范围 ， 该器件在其整个调谐范围内扫描速度高达500 kHz ， 可用做光学相干断层扫描和高速瞬态光谱扫描的光源 。


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