丁 源，柏 磊

(1.海軍裝備部駐揚州地區(qū)軍代室，江蘇 揚州 225101；2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

收稿日期:2020-08-19

0 引 言

隨著材料生長技術(shù)的發(fā)展和器件加工工藝的進步，高功率GaN基激光二極管(LD)目前已實現(xiàn)了商業(yè)化[1]，其波長可由紫外覆蓋至綠光波段。GaN基半導(dǎo)體激光器具有體積小、功率高、成本低等優(yōu)點[2]。然而受制于此種激光器的Fabry-perot(FP)雙晶面結(jié)構(gòu)和GaN半導(dǎo)體材料相對平坦的增益分布，導(dǎo)致其出射光譜較寬，且波長固定無法調(diào)諧，而目前很多領(lǐng)域中都需要用到這種短波長、窄脈寬的可調(diào)諧激光光源。根據(jù)郎佳紅等人[3]的研究表明，大容量全息數(shù)據(jù)存儲在使用400～430 nm波長的可調(diào)諧激光器時性能最佳；I.Courtillot等人[4]在2003年通過混頻產(chǎn)生461 nm的窄脈寬藍光激光光源，并將其用于激光冷卻技術(shù)；T.N.Anderson等人[5]在2007年使用波長385 nm的GaN基光柵外腔激光器和532 nm的Nd:YAG全固態(tài)激光器混頻，產(chǎn)生226.8 mn的深紫外激光，并應(yīng)用于NO氣體濃度的測量；N.Ruhnke等人[6]在2015年使用輸出波長445 nm、功率680 mW的可調(diào)諧激光器和BBO晶體實現(xiàn)光學(xué)倍頻，獲得波長222.5 nm的深紫外激光光源；

目前，實現(xiàn)上述工作模式的方法一般有2種。其一，在半導(dǎo)體激光器制造過程中，直接添加具備波長選擇特性的元件，如GaAs基的分布反饋式[7]和分布布拉格反射式[8]，激光二極管就具有可調(diào)諧波長、窄線寬和高輸出功率的發(fā)光特性。但受限于制造工藝的復(fù)雜性，此類GaN基LD目前仍在研發(fā)中，尚未商業(yè)化。另一種方式，通過在LD外部添加衍射光柵等具有分光特性的光學(xué)元件組成外腔實現(xiàn)光反饋，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)波長可調(diào)諧，還能有效壓窄LD的本征線寬。為了實現(xiàn)該類光柵耦合的外腔激光器(ECDL)，科研人員做了大量的工作。半導(dǎo)體外腔激光器包含2種結(jié)構(gòu)：Littrow構(gòu)型[9]和Littman構(gòu)型[10]。從提出Littrow外腔結(jié)構(gòu)和Littman外腔結(jié)構(gòu)至今，基于這2種構(gòu)型的外腔半導(dǎo)體激光器層出不窮。Dijun Chen等人搭建Littman構(gòu)型外腔，研究了780 nm波段外腔激光器的性能[11]。Deepak Vijayakumar等人也通過搭建Littman構(gòu)型外腔，研究了980 nm波段的高功率ECDL性能。我們之前研究過Littrow結(jié)構(gòu)的GaN基藍光激光器的相關(guān)特性。而關(guān)于藍光波段的GaN基Littman型ECDL報道目前較少。

本文利用商業(yè)化的高功率GaN基藍光LD搭建了Littman型光柵外腔激光器。在注入電流360 mA時，可實現(xiàn)449.7 nm～457.57 nm的7.8 nm調(diào)諧波長范圍。注入電流1 500 mA時，可達到643 mW輸出功率，此時光譜半高全寬(FWHM)僅為0.06 nm。

1 實驗裝置

該實驗裝置如圖1所示，使用GaN基半導(dǎo)體增益器件、非球面準(zhǔn)直鏡、閃耀光柵、鍍膜反射鏡等光學(xué)元件構(gòu)建Littman結(jié)構(gòu)光柵外腔激光器。

圖1 Littman結(jié)構(gòu)示意圖

實驗中使用增益器件是一種商用的高功率GaN基LD，發(fā)射波長約為450 nm(Nichia)。根據(jù)顯微鏡下的觀察，增益條紋寬度約為130 μm，厚度約為1 μm。使用時，將該LD安裝在銅質(zhì)基座上，并用TEC制冷裝置將工作溫度控制在20 ℃以內(nèi)，在連續(xù)波工作模式下，該器件的閾值為360 mA，注入電流1 500 mA時，最大輸出功率可達1.9 W。

在Littman外腔中，使用數(shù)值孔徑為0.5、焦距為8 mm的非球面透鏡(Thorlabs，35220-a)對增益器件進行準(zhǔn)直。光柵選用1 800 grove/mm的閃耀光柵，光柵刻線與增益器件的慢軸方向平行。外腔工作時，波長選擇沿增益器件快軸進行。由于增益器件快軸方向孔徑約1 μm，因此經(jīng)過光柵分光后的光譜只有一小部分能反饋回二極管中，反饋光在二極管中被放大，通過這種方式實現(xiàn)線寬壓窄。在littman結(jié)構(gòu)中，增益器件的本征光束經(jīng)由閃耀光柵衍射后，其一級衍射光由反射鏡反射回光柵，實現(xiàn)二次衍射，二次衍射產(chǎn)生的一級衍射光束由非球面鏡聚焦后反饋回增益器件，通過調(diào)節(jié)反射鏡角度，可以改變反饋光波長，從而實現(xiàn)輸出波長可調(diào)諧。

2 結(jié)果和討論

實驗前，我們先對自由運轉(zhuǎn)LD的發(fā)光特性進行了表征。圖2為自由運轉(zhuǎn)的增益裝置光輸出功率與注入電流的曲線(P-I曲線)，插圖為外腔激光器在不同波長時的閾值，從測試數(shù)據(jù)可以看出，外腔激光器的閾值電流，相較于自由運轉(zhuǎn)增益器件減少了約40 mA，這是因為外部光反饋降低了原本增益器件內(nèi)腔的損耗。當(dāng)輸出波長為454 nm時，外腔激光器的閾值電流最小為279 mA，與自由運轉(zhuǎn)增益器件的光譜峰值對應(yīng)，并且偏離中心波長越遠，閾值電流越大，但都略低于自由運行設(shè)備的閾值。

圖2 P-I曲線與閾值曲線

隨后，我們對不同注入電流下，外腔激光器的光譜進行了測試，圖3為不同注入電流下外腔激光器的歸一化光譜。由圖3可以看出，在增益器件本征光波長附近，實現(xiàn)了外腔波長可調(diào)諧激光輸出，尤其在本征波長中心位置附近，外腔激光器的自發(fā)輻射抑制比大于35 dB。當(dāng)注入電流為360 mA時，可調(diào)諧波長最寬，這是因為此時電流在閾值附近，增益器件尚未激射，內(nèi)腔自發(fā)輻射對光柵外腔的影響較小。當(dāng)注入電流大于閾值后，增益器件自身內(nèi)腔激射，到可調(diào)諧波長范圍邊緣時，增益器件本征激射光影響增強，測試時將自發(fā)輻射抑制比控制在10～20 dB。

圖3 不同注入電流下的光譜圖

通過光譜可以看出，隨著電流的增加，光譜的峰值出現(xiàn)紅移，這是因為在大電流工作狀態(tài)下，工作介質(zhì)溫度升高，半導(dǎo)體介質(zhì)受到熱效應(yīng)和帶內(nèi)填充效應(yīng)的影響發(fā)生光譜紅移現(xiàn)象。

此外，還研究了外腔激光器對出射光的線寬壓窄作用。如圖4所示，選取了不同注入電流下，可調(diào)諧范圍中心波長的光譜做比較，為了方便對比，對實際波長進行了偏移處理。從圖中可以看出，當(dāng)注入電流為360 mA時，半高全寬(FWHM)僅為0.02 nm，該值已達到了測試使用的光譜儀分辨率極限；隨著電流的增大，光譜逐漸展寬，到1 500 mA時，F(xiàn)WHM達到0.06 nm，仍保持著良好的單模特性，說明在大功率工作狀態(tài)下，外腔仍能保持較好的波長選擇特性。

圖4 不同調(diào)諧范圍中心波長半高全寬(FWHM)比較

最后測試了不同注入電流下可調(diào)諧波長與輸出功率的關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)注入電流為360 mA時，輸出光波長可由449.7 nm調(diào)諧至457.5 nm，調(diào)諧范圍為7.8 nm，此時工作電流剛好在自由運轉(zhuǎn)增益器件的閾值附近；當(dāng)電流增加到500 mA時，受增益器件本征光影響，調(diào)諧范圍從7.8 nm減小至3.4 nm；持續(xù)增加電流至1 000 mA，波長由453 nm到455.8 nm可調(diào)，可調(diào)諧范圍2.8 nm；當(dāng)電流增加到1 500 mA時，可調(diào)諧范圍為3.1 nm，當(dāng)輸出波長為455.6 nm時，有最大輸出功率643 mW。結(jié)合圖3的光譜圖可以看出，部分輸出光并不是單一波長，尤其在可調(diào)諧波長范圍邊緣，內(nèi)腔自激明顯。為準(zhǔn)確統(tǒng)計實際有效光功率，使用軟件通過計算有效光譜面積與光譜總面積的比例關(guān)系計算出實際有效光功率。如圖中虛線曲線所示，越接近可調(diào)諧范圍邊緣，自發(fā)輻射對外腔的影響越大，實際有效光功率明顯下降。

圖5 不同注入電流下可調(diào)諧波長與輸出功率的關(guān)系

3 結(jié)束語

制作了一臺基于商用大功率GaN-LD的Littman型外腔激光器。利用光柵2次衍射及1 μm發(fā)射孔徑進行波長選擇，實現(xiàn)了寬波長調(diào)諧范圍和窄線寬的激光輸出。在1 500 mA的注入電流下，通過旋轉(zhuǎn)平面反射鏡的角度，實現(xiàn)了波長從454.3 nm到457.4 nm可調(diào)諧，最大輸出功率可達643 mW。光譜測量結(jié)果表明，此時激光線寬約為0.06 nm，中心波長處放大自發(fā)輻射抑制比大于35 dB，峰值波長在不同注入電流下鎖定良好。綜合上述對激光器性能的測試，相信該激光器在全息數(shù)據(jù)存儲、激光冷卻、氣體測量和光學(xué)倍頻等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。