邱小浪 王爽爽 張曉健 朱仁江? 張鵬 郭于鶴洋 宋晏蓉

1) (重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,重慶 401331)

2) (北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院,北京 100124)

1 引 言

雙波長激光器廣泛應(yīng)用于干涉測量、光計(jì)算、精細(xì)激光光譜分析、光動力學(xué)醫(yī)療、光通信以及非線性頻率變換等各個領(lǐng)域,受到國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注[1?5].以非線性頻率變換中的差頻技術(shù)為例,對1 μm波段波長間隔Dl大約幾個納米的雙波長激光進(jìn)行差頻,即可產(chǎn)生太赫茲輻射; 而通過對波長間隔Dl為數(shù)十個納米至上百個納米的雙波長激光進(jìn)行差頻,則可以產(chǎn)生中紅外波段的相干輻射,在激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測、空間光通信、光譜學(xué)、遙感、醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[6?9].差頻產(chǎn)生太赫茲過程中要求兩束光強(qiáng)度比較一致,雙波長激光器就可以較好地滿足這一要求,避免普通的激光器在產(chǎn)生太赫茲輻射時難以穩(wěn)定振蕩輸出的情況[10].此外,利用雙波長激光器差頻獲得太赫茲輻射源,還可以很好地保證其時間和空間的同步特性,提高太赫茲波形成過程中能量轉(zhuǎn)換的效率.利用雙波長激光差頻產(chǎn)生中紅外相干輻射的方法,可以避免諸如光纖激光器、量子級聯(lián)激光器、鉛鹽基激光器和光學(xué)參量振蕩器等其他中紅外相干輻射源的一些缺點(diǎn),如復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)、較窄的調(diào)諧能力、不能產(chǎn)生短脈沖等[11?14].

光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(optically pumped vertical external cavity surface emitting lasers,OP-VECSELs)結(jié)合了固體薄片激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn),能同時獲得高輸出功率和高光束質(zhì)量[15,16].其發(fā)光波長可以利用成熟的能帶工程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì),覆蓋了從可見光到近紅外的較寬波段.另外,VECSELs靈活的外腔結(jié)構(gòu)允許在腔內(nèi)插入其他光學(xué)元件進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換[17?19]、濾波及調(diào)諧、鎖模等激光器功能擴(kuò)展[20?24].

相比于從傳統(tǒng)的氣體激光器或固體激光器中獲得雙波長輸出,利用VECSEL產(chǎn)生雙波長具有其突出的優(yōu)點(diǎn): 首先,在利用雙增益片產(chǎn)生雙波長的VECSEL中,不存在振蕩模式之間的競爭,因而可以獲得穩(wěn)定的雙波長振蕩輸出; 其次,可以利用單片VECSEL波長可設(shè)計(jì)的特點(diǎn),靈活調(diào)節(jié)輸出雙波長激光的波長間隔,為實(shí)際差頻應(yīng)用提供更多可能; 最后,因?yàn)?VECSEL 本身增益帶寬大,可調(diào)諧范圍寬,所以其產(chǎn)生的雙波長可調(diào)諧范圍相應(yīng)較大,用于差頻等非線性頻率變換過程中,能夠得到的差頻相干輻射,也可以較大幅度地進(jìn)行調(diào)諧.

利用內(nèi)部包含了兩個不同量子阱發(fā)光部分的單一增益芯片,Jasik等[25]2016年報(bào)道了雙波長連續(xù)光VECSEL,激光波長分別為991 nm和1038 nm;在增益芯片上增加金剛石散熱窗口后,雙波長輸出功率為1.79 W.通過改變增益芯片中半導(dǎo)體微腔的厚度,對量子阱發(fā)光波長進(jìn)行調(diào)整,該工作還獲得了另外兩組雙波長激光輸出,其波長分別為928 nm/977 nm 和 958 nm/1011 nm.2015年,Polanik[26]報(bào)道了單一增益芯片的VECSEL輸出雙波長激光,雙波長輸出功率達(dá) 10 W,激光波長分別為960.8 nm 和 997.5 nm,波長間隔為 36.7 nm.2008年,Leinonen等[27]報(bào)道了利用光學(xué)通濾波器將單一增益片的有源區(qū)域分開,實(shí)現(xiàn)輸出雙波長連續(xù)光的VECSEL,激光波長分別為 966 nm 和 1047 nm,最大輸出功率為2.13 W.

鑒于單增益芯片能夠提供的雙波長間隔即每一個波長的調(diào)諧范圍都比較有限,因而雙增益芯片的雙波長VECSEL被更多地使用.利用兩片獨(dú)立的增益片,Hessenius等[28]2012年報(bào)道了波長間隔可調(diào)的雙波長VECSEL,波長間隔可調(diào)范圍為35—52 nm,輸出功率為 13 W.2015年,Lukowski等[29]報(bào)道了利用雙增益芯片VECSEL連續(xù)輸出雙波長激光,波長分別為 970 nm 和 1170 nm,并在腔內(nèi)進(jìn)行了差頻過程,實(shí)現(xiàn)功率為5 mW、波長為 5.4 μm 的中紅外輸出.2016年,Zhang 等[30]報(bào)道了利用雙增益芯片VECSEL實(shí)現(xiàn)雙波長連續(xù)光輸出,波長間隔為 10 nm,腔內(nèi)功率達(dá)到 600 W,適合用于腔內(nèi)差頻產(chǎn)生太赫茲波.

本文利用設(shè)計(jì)波長分別為960 nm和1080 nm的兩塊增益芯片,通過一片偏振分束平片進(jìn)行共線合束,在Y型諧振腔中實(shí)現(xiàn)了不同偏振態(tài)的雙波長激光輸出,波長間隔為 147 nm,總輸出功率為293 mW.對偏振態(tài)的控制有利于非線性頻率轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)換效率的提高,將這種雙波長激光器用于差頻過程中,可獲得對應(yīng)的差頻輻射波長為7.1 μm的中紅外波段.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

雙波長VECSEL實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.增益芯片1的后端分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)由 25 對光學(xué)厚度為 1/4 波長的 GaAs/AlAs層材料組成,其上為6個8 nm厚的In0.185Ga0.815As/GaAs應(yīng)變多量子阱構(gòu)成的有源區(qū),設(shè)計(jì)發(fā)射譜的中心波長為 960 nm.設(shè)計(jì)中每個量子阱都位于半導(dǎo)體微腔(該微腔由芯片底部的DBR高反鏡和芯片最外層的半導(dǎo)體-空氣界面構(gòu)成)中激光駐波場的波峰處,構(gòu)成所謂的諧振周期增益結(jié)構(gòu) (resonant periodic gain,RPG)[16,31],使激光器的增益最大.因?yàn)榱孔于鍌€數(shù)較小,所以外延結(jié)構(gòu)中沒有設(shè)置應(yīng)變補(bǔ)償層.有源區(qū)之后是高勢壘的AlGaAs窗口層,用以阻擋載流子擴(kuò)散到表面產(chǎn)生非輻射復(fù)合.外延結(jié)構(gòu)的最后一層是GaAs材料,起到保護(hù)增益芯片不被氧化的作用.

圖1 雙波長 VECSEL 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.Schematic of the experimental setup of dualwavelength VECSEL.

增益芯片2的后端DBR則由30對光學(xué)厚度為1/4波長的Al0.2Ga0.8As/Al0.98Ga0.02As層組成,此DBR的特點(diǎn)是對808 nm抽運(yùn)波長透明,以便可以采用后端抽運(yùn)的方式.此增益芯片的有源區(qū)包含 16個 8 nm厚的 In0.26Ga0.74As/GaAsP0.02應(yīng)變量子阱,設(shè)計(jì)發(fā)光波長為 1080 nm.由于量子阱數(shù)目較大,因而設(shè)計(jì)中考慮了應(yīng)變的補(bǔ)償問題,用GaAs0.98P0.02層的張應(yīng)變補(bǔ)償In0.26Ga0.74As量子阱的壓應(yīng)變,所以在增益芯片2中,GaAs0.98P0.02既是抽運(yùn)吸收層,也起到應(yīng)變補(bǔ)償層的作用.有源區(qū)之上的窗口層和最外的保護(hù)層與增益芯片1類似.

生長好的外延片被劃分成 3 mm×3 mm 大小的增益芯片,再通過毛細(xì)鍵合在 7 mm×7 mm大小的SiC熱沉上,接下來采用化學(xué)腐蝕方法去除GaAs基質(zhì),最后整體用高導(dǎo)熱硅脂固定在散熱銅塊上,銅熱沉則與溫度可控的半導(dǎo)體制冷器(TEC)相連,TEC由循環(huán)水冷機(jī)對其制冷.

偏振分光平片的入射角度為55°,設(shè)計(jì)波長為962 nm,兩面鍍膜均為對s偏振態(tài)高反、對p偏振態(tài)高透.耦合輸出鏡 (output coupler,OC)是曲率半徑R=150 mm 的寬帶反射鏡,其高反射率(> 99.5%)的反射帶寬為 850—1200 nm.兩塊增益芯片均采用前端面?zhèn)认虺檫\(yùn)方式,光纖耦合輸出的抽運(yùn)光經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng),入射在增益芯片表面,其中抽運(yùn)光與芯片法線夾角約30°.抽運(yùn)源最大輸出功率為 30 W,發(fā)射波長為 (808 ± 5) nm,光纖芯徑為400 μm.雙增益芯片雙波長VECSEL的諧振腔為圖1所示的Y型共線結(jié)構(gòu),在空間上可分為三個部分: 增益片1所在一臂長約為40 mm,振蕩激光為s偏振模式; 增益芯片2所在一臂長約為38 mm,振蕩激光為p偏振模式; 共線部分諧振腔長約為110 mm.

3 分析與討論

熱沉溫度為室溫,只抽運(yùn)增益芯片1時,測得的熒光和激光光譜如圖2所示.低抽運(yùn)功率下測得增益芯片1所發(fā)射熒光峰值波長位于950 nm,低于設(shè)計(jì)的量子阱發(fā)射波長960 nm,其原因是增益芯片量子結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的數(shù)值在外延生長過程中與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值之間產(chǎn)生了一定的偏差.抽運(yùn)功率大于激光器閾值功率后,測得的激光波長位于953 nm,比低抽運(yùn)下熒光峰值波長950 nm稍大,這是因?yàn)楫?dāng)抽運(yùn)功率持續(xù)增加,諧振腔內(nèi)形成激光振蕩后,有源區(qū)內(nèi)溫度上升,導(dǎo)致熒光波長峰值紅移,最終在 953 nm處形成諧振輸出激光.另一方面,熒光峰值波長以及對應(yīng)的振蕩激光波長也不會無限制地往長波長方向紅移,因?yàn)榧す獠ㄩL的紅移會使量子阱位置偏離有源區(qū)激光駐波場的波峰,使RPG部分地失諧,導(dǎo)致激光器增益下降,從而不滿足激光振蕩條件.激光器諧振腔內(nèi)各種增益及損耗機(jī)制平衡的結(jié)果是最終獲得了953 nm激光的穩(wěn)定輸出.

圖2 只抽運(yùn)增益芯片1時所得熒光和激光光譜Fig.2.Photoluminescence and laser spectra when gain chip 1 is pumped only.

熱沉溫度為室溫,只抽運(yùn)增益芯片2時,低抽運(yùn)下測得的熒光光譜和形成激光振蕩后測得的激光光譜如圖3所示.與增益芯片1不同,增益芯片2有兩個熒光峰值,波長分別是1048 nm和1094 nm,而增益芯片2量子阱的設(shè)計(jì)發(fā)射波長為1080 nm,介于兩個實(shí)際的熒光波長峰值之間.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是增益芯片2的半導(dǎo)體諧振微腔是反諧振結(jié)構(gòu),此反諧振結(jié)構(gòu)對熒光光譜的調(diào)制作用使芯片的熒光光譜出現(xiàn)了兩個峰值.抽運(yùn)功率大于激光器閾值功率后,測得的激光波長位于 1100 nm.激光沒有出現(xiàn)在較小的熒光峰值1048 nm處,而是出現(xiàn)在較大熒光峰值1094 nm附近,則是由于芯片底部DBR的反射率在1094 nm處明顯高于其在1048 nm處的數(shù)值,模式競爭的結(jié)果導(dǎo)致激光振蕩位于 1094 nm 附近.實(shí)際激光波長 1100 nm 比熒光峰值1094 nm稍大,其原因與增益芯片1中的情形類似.

圖3 只抽運(yùn)增益芯片 2 所得熒光和激光光譜Fig.3.Photoluminescence and laser spectra when gain chip 2 is pumped only.

室溫下,同時抽運(yùn)兩片增益芯片,即可獲得雙波長激光輸出.圖4為雙波長激光輸出的激光光譜,吸收抽運(yùn)功率為 5.8 W.較短激光波長為 953 nm,較長激光波長為1100 nm,且兩個波長的強(qiáng)度相差不大.長波長1100 nm的光譜半高全寬度為2.7 nm,短波長953 nm的光譜半高全寬度為1.1 nm.很明顯,增益芯片2中半導(dǎo)體微腔的反諧振結(jié)構(gòu)在犧牲了芯片增益大小的同時,展寬了增益譜的譜寬,從而也一定程度地增加了振蕩激光的光譜線寬,所以長波長1100 nm激光的線寬要比短波長953 nm激光的線寬大.雙波長振蕩激光的波長間隔為147 nm,用于差頻過程中對應(yīng)的輻射位于7.1 μm,處于中紅外波段.

圖4 雙波長 VECSEL 輸出的激光光譜圖Fig.4.Laser spectra of the dual-wavelength VECSEL.

953 nm和1100 nm單獨(dú)振蕩以及雙波長工作時VECSEL的輸出功率如圖5所示.增益芯片1單獨(dú)工作時,當(dāng)吸收的抽運(yùn)功率大于4.5 W后,有源區(qū)內(nèi)的熱效應(yīng)導(dǎo)致激光輸出功率開始下降.單獨(dú)工作的增益芯片1最大輸出功率約為97.2 mW.增益片2單獨(dú)工作時,在吸收的抽運(yùn)功率大于5.8 W后,激光輸出功率才出現(xiàn)下降.單獨(dú)工作的增益芯片2最大輸出功率為186.6 mW.

圖5 953 nm 和 1100 nm 單獨(dú)振蕩以及雙波長工作時VECSEL的輸出功率Fig.5.Output powers of the VECSEL when only 953 nm or 1100 nm mode oscillating,and dual-wavelength operating.

由圖5可以看出,抽運(yùn)功率較低時,增益芯片1的輸出功率大于增益芯片2的輸出功率.但是當(dāng)吸收抽運(yùn)功率超過4.5 W后,增益芯片2的輸出功率開始超越增益芯片1.這種情況出現(xiàn)的原因是由于增益芯片1的DBR的每層厚度本身比增益芯片2的小,況且增益芯片1中DBR總層數(shù)也小于增益芯片2中DBR的總層數(shù),即增益芯片1中DBR的厚度明顯小于增益芯片2中DBR厚度,其熱阻也就更小,相應(yīng)的熱效應(yīng)更低,激光器在相同抽運(yùn)下的輸出功率更大.當(dāng)吸收抽運(yùn)功率增加到超過4.5 W后,芯片1中積累的熱效應(yīng)使激光器凈增益下降,輸出功率也隨之下降,但芯片2中具有更多數(shù)目的量子阱,仍能維持足夠的凈增益,支持輸出功率的繼續(xù)增長.直至芯片吸收的抽運(yùn)功率超過5.8 W之后,有源區(qū)的熱效應(yīng)致使增益芯片2的凈增益也開始下跌,使雙波長總的輸出功率出現(xiàn)下降.雙波長VECSEL在增益芯片1和2的吸收抽運(yùn)功率為5.8 W時,輸出功率達(dá)到最大值293 mW.

由圖5可知,雙波長振蕩時VECSEL的總輸出功率要略高于每塊芯片單獨(dú)工作時的功率之和.我們認(rèn)為其可能的原因是: 當(dāng)增益芯片1單獨(dú)工作時,激光振蕩的p分量完全透出諧振腔之外,成為損耗; 同理,當(dāng)增益芯片 2 單獨(dú)工作時,其 s分量完全反射出諧振腔.但當(dāng)兩塊芯片被同時抽運(yùn),激光器工作在雙波長狀態(tài)下的時候,芯片1的p分量透射到達(dá)芯片2,會被芯片2部分吸收,相當(dāng)于在芯片2上增加了部分抽運(yùn)能量,一定程度地增大了芯片2的輸出,從而使雙波長振蕩的總輸出功率略高于每塊芯片單獨(dú)工作時的功率之和.

4 結(jié) 論

利用兩塊設(shè)計(jì)波長不同的增益芯片和偏振分束平片,在Y型共線諧振腔中獲得了雙波長外腔面發(fā)射激光輸出.當(dāng)兩塊增益芯片的吸收抽運(yùn)功率均為5.8 W時,雙波長激光器總的輸出功率為293 mW,其激光波長分別為 953 nm 和 1100 nm,光譜線寬分別為 1.1 nm 和 2.7 nm.激光器所輸出雙波長的間隔是147 nm,其對應(yīng)的差頻輻射為7.1 μm,處于典型的中紅外波段,在痕量氣體分析、環(huán)境監(jiān)測和遙感等方面都有重要的應(yīng)用.這種雙波長外腔面發(fā)射激光器可以通過對不同增益芯片的發(fā)光波長進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì),從而獲得較大范圍內(nèi)所需要的任意波長,通過腔內(nèi)差頻過程,產(chǎn)生從數(shù)微米至十幾微米較大覆蓋范圍的中紅外相干輻射.今后的工作包括進(jìn)一步優(yōu)化增益芯片的量子設(shè)計(jì)、改善芯片的外延生長質(zhì)量、提高雙波長輸出的功率,以及進(jìn)一步提升激光器的穩(wěn)定性,并在共線腔中完成腔內(nèi)差頻過程,獲得中紅外相關(guān)輻射輸出.