摘要:双波长激光光源在干涉测量、非线性频率变换产生中红外及太赫兹波段相干辐射等方面有重要的应用. 外腔面发射激光器具有输出功率高、光束质量好、发射波长可设计等突出优势, 非常适合用于双波长的产生. 用有源区为In_0.185Ga_0.815As/GaAs应变多量子阱、设计波长为960 nm, 以及有源区为In_0.26Ga_0.74As/GaAsP_0.02应变多量子阱、设计波长为1080 nm的两块半导体增益芯片, 在一个共线Y型谐振腔中, 获得了激光波长分别为953 nm和1100 nm的双波长输出, 对应光谱线宽为1.1 nm和2.7 nm, 波长间隔147 nm. 室温下, 每块增益芯片的抽运吸收功率均为5.8 W时, 双波长激光器总的输出功率达到293 mW.
关键词: 外腔面发射激光器/
双波长/
Y型腔/
偏振分束片

English Abstract

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双波长激光器广泛应用于干涉测量、光计算、精细激光光谱分析、光动力学医疗、光通信以及非线性频率变换等各个领域, 受到国内外众多研究者的关注^[1-5]. 以非线性频率变换中的差频技术为例, 对1 μm波段波长间隔Δ_λ大约几个纳米的双波长激光进行差频, 即可产生太赫兹辐射; 而通过对波长间隔Δ_λ为数十个纳米至上百个纳米的双波长激光进行差频, 则可以产生中红外波段的相干辐射, 在激光制导、激光雷达、环境监测、空间光通信、光谱学、遥感、医疗等领域有着重要的应用^[6-9]. 差频产生太赫兹过程中要求两束光强度比较一致, 双波长激光器就可以较好地满足这一要求, 避免普通的激光器在产生太赫兹辐射时难以稳定振荡输出的情况^[10]. 此外, 利用双波长激光器差频获得太赫兹辐射源, 还可以很好地保证其时间和空间的同步特性, 提高太赫兹波形成过程中能量转换的效率. 利用双波长激光差频产生中红外相干辐射的方法, 可以避免诸如光纤激光器、量子级联激光器、铅盐基激光器和光学参量振荡器等其他中红外相干辐射源的一些缺点, 如复杂的光路设计、较窄的调谐能力、不能产生短脉冲等^[11-14].
光抽运垂直外腔面发射半导体激光器(optically pumped vertical external cavity surface emitting lasers, OP-VECSELs)结合了固体薄片激光器和半导体激光器的优点, 能同时获得高输出功率和高光束质量^[15,16]. 其发光波长可以利用成熟的能带工程根据实际需要进行设计, 覆盖了从可见光到近红外的较宽波段. 另外, VECSELs灵活的外腔结构允许在腔内插入其他光学元件进行非线性频率转换^[17-19]、滤波及调谐、锁模等激光器功能扩展^[20-24].
相比于从传统的气体激光器或固体激光器中获得双波长输出, 利用VECSEL产生双波长具有其突出的优点: 首先, 在利用双增益片产生双波长的VECSEL中, 不存在振荡模式之间的竞争, 因而可以获得稳定的双波长振荡输出; 其次, 可以利用单片VECSEL波长可设计的特点, 灵活调节输出双波长激光的波长间隔, 为实际差频应用提供更多可能; 最后, 因为VECSEL本身增益带宽大, 可调谐范围宽, 所以其产生的双波长可调谐范围相应较大, 用于差频等非线性频率变换过程中, 能够得到的差频相干辐射, 也可以较大幅度地进行调谐.
利用内部包含了两个不同量子阱发光部分的单一增益芯片, Jasik等^[25]2016年报道了双波长连续光VECSEL, 激光波长分别为991 nm和1038 nm; 在增益芯片上增加金刚石散热窗口后, 双波长输出功率为1.79 W. 通过改变增益芯片中半导体微腔的厚度, 对量子阱发光波长进行调整, 该工作还获得了另外两组双波长激光输出, 其波长分别为928 nm/977 nm和958 nm/1011 nm. 2015年, Polanik^[26]报道了单一增益芯片的VECSEL输出双波长激光, 双波长输出功率达10 W, 激光波长分别为960.8 nm和997.5 nm, 波长间隔为36.7 nm. 2008年, Leinonen等^[27]报道了利用光学通滤波器将单一增益片的有源区域分开, 实现输出双波长连续光的VECSEL, 激光波长分别为966 nm和1047 nm, 最大输出功率为2.13 W.
鉴于单增益芯片能够提供的双波长间隔即每一个波长的调谐范围都比较有限, 因而双增益芯片的双波长VECSEL被更多地使用. 利用两片独立的增益片, Hessenius等^[28]2012年报道了波长间隔可调的双波长VECSEL, 波长间隔可调范围为35—52 nm, 输出功率为13 W. 2015年, Lukowski等^[29]报道了利用双增益芯片VECSEL连续输出双波长激光, 波长分别为970 nm和1170 nm, 并在腔内进行了差频过程, 实现功率为5 mW、波长为5.4 μm的中红外输出. 2016年, Zhang 等^[30]报道了利用双增益芯片VECSEL实现双波长连续光输出, 波长间隔为10 nm, 腔内功率达到600 W, 适合用于腔内差频产生太赫兹波.
本文利用设计波长分别为960 nm和1080 nm的两块增益芯片, 通过一片偏振分束平片进行共线合束, 在Y型谐振腔中实现了不同偏振态的双波长激光输出, 波长间隔为147 nm, 总输出功率为293 mW. 对偏振态的控制有利于非线性频率转换中转换效率的提高, 将这种双波长激光器用于差频过程中, 可获得对应的差频辐射波长为7.1 μm的中红外波段.

双波长VECSEL实验装置如图1所示. 增益芯片1的后端分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)由25对光学厚度为1/4波长的GaAs/AlAs层材料组成, 其上为6个8 nm厚的In_0.185Ga_0.815As/GaAs应变多量子阱构成的有源区, 设计发射谱的中心波长为960 nm. 设计中每个量子阱都位于半导体微腔(该微腔由芯片底部的DBR高反镜和芯片最外层的半导体-空气界面构成)中激光驻波场的波峰处, 构成所谓的谐振周期增益结构(resonant periodic gain, RPG)^[16,31], 使激光器的增益最大. 因为量子阱个数较小, 所以外延结构中没有设置应变补偿层. 有源区之后是高势垒的AlGaAs窗口层, 用以阻挡载流子扩散到表面产生非辐射复合. 外延结构的最后一层是GaAs材料, 起到保护增益芯片不被氧化的作用.
图 1 双波长VECSEL实验装置示意图
Figure1. Schematic of the experimental setup of dual-wavelength VECSEL.

增益芯片2的后端DBR则由30对光学厚度为1/4波长的Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.98Ga_0.02As层组成, 此DBR的特点是对808 nm抽运波长透明, 以便可以采用后端抽运的方式. 此增益芯片的有源区包含16个8 nm厚的In_0.26Ga_0.74As/GaAsP_0.02应变量子阱, 设计发光波长为1080 nm. 由于量子阱数目较大, 因而设计中考虑了应变的补偿问题, 用GaAs_0.98P_0.02层的张应变补偿In_0.26Ga_0.74As量子阱的压应变, 所以在增益芯片2中, GaAs_0.98P_0.02既是抽运吸收层, 也起到应变补偿层的作用. 有源区之上的窗口层和最外的保护层与增益芯片1类似.
生长好的外延片被划分成3 mm × 3 mm大小的增益芯片, 再通过毛细键合在7 mm × 7 mm大小的SiC热沉上, 接下来采用化学腐蚀方法去除GaAs基质, 最后整体用高导热硅脂固定在散热铜块上, 铜热沉则与温度可控的半导体制冷器(TEC)相连, TEC由循环水冷机对其制冷.
偏振分光平片的入射角度为55°, 设计波长为962 nm, 两面镀膜均为对s偏振态高反、对p偏振态高透. 耦合输出镜(output coupler, OC)是曲率半径R = 150 mm的宽带反射镜, 其高反射率(> 99.5%)的反射带宽为850—1200 nm. 两块增益芯片均采用前端面侧向抽运方式, 光纤耦合输出的抽运光经过准直聚焦系统, 入射在增益芯片表面, 其中抽运光与芯片法线夹角约30°. 抽运源最大输出功率为30 W, 发射波长为(808 ± 5) nm, 光纤芯径为400 μm. 双增益芯片双波长VECSEL的谐振腔为图1所示的Y型共线结构, 在空间上可分为三个部分: 增益片1所在一臂长约为40 mm, 振荡激光为s偏振模式; 增益芯片2所在一臂长约为38 mm, 振荡激光为p偏振模式; 共线部分谐振腔长约为110 mm.

热沉温度为室温, 只抽运增益芯片1时, 测得的荧光和激光光谱如图2所示. 低抽运功率下测得增益芯片1所发射荧光峰值波长位于950 nm, 低于设计的量子阱发射波长960 nm, 其原因是增益芯片量子结构相关参数的数值在外延生长过程中与设计标准值之间产生了一定的偏差. 抽运功率大于激光器阈值功率后, 测得的激光波长位于953 nm, 比低抽运下荧光峰值波长950 nm稍大, 这是因为当抽运功率持续增加, 谐振腔内形成激光振荡后, 有源区内温度上升, 导致荧光波长峰值红移, 最终在953 nm处形成谐振输出激光. 另一方面, 荧光峰值波长以及对应的振荡激光波长也不会无限制地往长波长方向红移, 因为激光波长的红移会使量子阱位置偏离有源区激光驻波场的波峰, 使RPG部分地失谐, 导致激光器增益下降, 从而不满足激光振荡条件. 激光器谐振腔内各种增益及损耗机制平衡的结果是最终获得了953 nm激光的稳定输出.
图 2 只抽运增益芯片1时所得荧光和激光光谱
Figure2. Photoluminescence and laser spectra when gain chip 1 is pumped only.

热沉温度为室温, 只抽运增益芯片2时, 低抽运下测得的荧光光谱和形成激光振荡后测得的激光光谱如图3所示. 与增益芯片1不同, 增益芯片2有两个荧光峰值, 波长分别是1048 nm和1094 nm, 而增益芯片2量子阱的设计发射波长为1080 nm, 介于两个实际的荧光波长峰值之间. 出现这种现象的原因是增益芯片2的半导体谐振微腔是反谐振结构, 此反谐振结构对荧光光谱的调制作用使芯片的荧光光谱出现了两个峰值. 抽运功率大于激光器阈值功率后, 测得的激光波长位于1100 nm. 激光没有出现在较小的荧光峰值1048 nm处, 而是出现在较大荧光峰值1094 nm附近, 则是由于芯片底部DBR的反射率在1094 nm处明显高于其在1048 nm处的数值, 模式竞争的结果导致激光振荡位于1094 nm附近. 实际激光波长1100 nm比荧光峰值1094 nm稍大, 其原因与增益芯片1中的情形类似.
图 3 只抽运增益芯片2所得荧光和激光光谱
Figure3. Photoluminescence and laser spectra when gain chip 2 is pumped only.

室温下, 同时抽运两片增益芯片, 即可获得双波长激光输出. 图4为双波长激光输出的激光光谱, 吸收抽运功率为5.8 W. 较短激光波长为953 nm, 较长激光波长为1100 nm, 且两个波长的强度相差不大. 长波长1100 nm的光谱半高全宽度为2.7 nm, 短波长953 nm的光谱半高全宽度为1.1 nm. 很明显, 增益芯片2中半导体微腔的反谐振结构在牺牲了芯片增益大小的同时, 展宽了增益谱的谱宽, 从而也一定程度地增加了振荡激光的光谱线宽, 所以长波长1100 nm激光的线宽要比短波长953 nm激光的线宽大. 双波长振荡激光的波长间隔为147 nm, 用于差频过程中对应的辐射位于7.1 μm, 处于中红外波段.
图 4 双波长VECSEL输出的激光光谱图
Figure4. Laser spectra of the dual-wavelength VECSEL.

953 nm和1100 nm单独振荡以及双波长工作时VECSEL的输出功率如图5所示. 增益芯片1单独工作时, 当吸收的抽运功率大于4.5 W后, 有源区内的热效应导致激光输出功率开始下降. 单独工作的增益芯片1最大输出功率约为97.2 mW. 增益片2单独工作时, 在吸收的抽运功率大于5.8 W后, 激光输出功率才出现下降. 单独工作的增益芯片2最大输出功率为186.6 mW.
图 5 953 nm和1100 nm单独振荡以及双波长工作时VECSEL的输出功率
Figure5. Output powers of the VECSEL when only 953 nm or 1100 nm mode oscillating, and dual-wavelength operating.

由图5可以看出, 抽运功率较低时, 增益芯片1的输出功率大于增益芯片2的输出功率. 但是当吸收抽运功率超过4.5 W后, 增益芯片2的输出功率开始超越增益芯片1. 这种情况出现的原因是由于增益芯片1的DBR的每层厚度本身比增益芯片2的小, 况且增益芯片1中DBR总层数也小于增益芯片2中DBR的总层数, 即增益芯片1中DBR的厚度明显小于增益芯片2中DBR厚度, 其热阻也就更小, 相应的热效应更低, 激光器在相同抽运下的输出功率更大. 当吸收抽运功率增加到超过4.5 W后, 芯片1中积累的热效应使激光器净增益下降, 输出功率也随之下降, 但芯片2中具有更多数目的量子阱, 仍能维持足够的净增益, 支持输出功率的继续增长. 直至芯片吸收的抽运功率超过5.8 W之后, 有源区的热效应致使增益芯片2的净增益也开始下跌, 使双波长总的输出功率出现下降. 双波长VECSEL在增益芯片1和2的吸收抽运功率为5.8 W时, 输出功率达到最大值293 mW.
由图5可知, 双波长振荡时VECSEL的总输出功率要略高于每块芯片单独工作时的功率之和. 我们认为其可能的原因是: 当增益芯片1单独工作时, 激光振荡的p分量完全透出谐振腔之外, 成为损耗; 同理, 当增益芯片2单独工作时, 其s分量完全反射出谐振腔. 但当两块芯片被同时抽运, 激光器工作在双波长状态下的时候, 芯片1的p分量透射到达芯片2, 会被芯片2部分吸收, 相当于在芯片2上增加了部分抽运能量, 一定程度地增大了芯片2的输出, 从而使双波长振荡的总输出功率略高于每块芯片单独工作时的功率之和.

利用两块设计波长不同的增益芯片和偏振分束平片, 在Y型共线谐振腔中获得了双波长外腔面发射激光输出. 当两块增益芯片的吸收抽运功率均为5.8 W时, 双波长激光器总的输出功率为293 mW, 其激光波长分别为953 nm和1100 nm, 光谱线宽分别为 1.1 nm和 2.7 nm. 激光器所输出双波长的间隔是147 nm, 其对应的差频辐射为7.1 μm, 处于典型的中红外波段, 在痕量气体分析、环境监测和遥感等方面都有重要的应用. 这种双波长外腔面发射激光器可以通过对不同增益芯片的发光波长进行准确的设计, 从而获得较大范围内所需要的任意波长, 通过腔内差频过程, 产生从数微米至十几微米较大覆盖范围的中红外相干辐射. 今后的工作包括进一步优化增益芯片的量子设计、改善芯片的外延生长质量、提高双波长输出的功率, 以及进一步提升激光器的稳定性, 并在共线腔中完成腔内差频过程, 获得中红外相关辐射输出.