張志軍，陳 賀，張建偉，張繼業(yè)，張 卓，4，周 娜，韓 召，李文義，馮 暖，寧永強(qiáng)，王立軍

（1.遼寧科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 機(jī)器人工程系，遼寧 本溪 117004； 2.華晨寶馬汽車(chē)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110000；3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130033；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100049）

1 引 言

垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL）兼 具半導(dǎo)體激光器的增益可調(diào)優(yōu)點(diǎn)以及固體激光器的高光束質(zhì)量?jī)?yōu)點(diǎn)[1-4]。同時(shí)，VECSEL 還具有獨(dú)特的外腔振蕩結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空氣腔可以插入具有頻率轉(zhuǎn)換或模式過(guò)濾的光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)具有太赫茲波長(zhǎng)輸出的高光束質(zhì)量激光，并可以實(shí)現(xiàn)超窄脈沖超高功率激光、極短波長(zhǎng)紫外激光等，因而自其誕生以來(lái)一直受到廣泛關(guān)注[5]。

VECSEL 激光的雙波長(zhǎng)同時(shí)激射是通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)太赫茲激光的基礎(chǔ)；雙波長(zhǎng)同時(shí)輸出及可切換波長(zhǎng)的VECSEL 激光器還可以有效提高成像系統(tǒng)的抗干擾能力，未來(lái)在激光雷達(dá)領(lǐng)域也有廣闊應(yīng)用潛力。目前，國(guó)際上已經(jīng)報(bào)道了多種可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)輸出的VECSEL 結(jié)構(gòu)方案。早期研究中，通過(guò)設(shè)計(jì)兩組不同波長(zhǎng)增益芯片的共用光路，實(shí)現(xiàn)VECSEL 雙波長(zhǎng)激光輸出。如Fallahi 等提出T 型結(jié)構(gòu)的雙激光腔結(jié)構(gòu)[6]，該方法需要采用兩套泵浦系統(tǒng)與激光振蕩系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。Lu 等提出采用具有雙波長(zhǎng)同時(shí)反饋的體布拉格光柵（VBG）代替?zhèn)鹘y(tǒng)多腔中的多組波長(zhǎng)選擇光學(xué)透鏡[7]，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了腔型結(jié)構(gòu)。隨后，Zhang等提出共用光學(xué)腔的串聯(lián)雙增益芯片腔型[8]，然而在該結(jié)構(gòu)中仍然需要采用兩套泵浦系統(tǒng)以及兩套增益芯片散熱系統(tǒng)。采用單個(gè)增益芯片實(shí)現(xiàn)VECSEL 的雙波長(zhǎng)輸出無(wú)疑可以大幅簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)體積。Jasik 等報(bào)道了帶有兩組不同發(fā)光波長(zhǎng)量子阱的增益芯片結(jié)構(gòu)[9]，采用這種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了單增益芯片的雙波長(zhǎng)激射。但是，在這種結(jié)構(gòu)中，由于短波長(zhǎng)量子阱發(fā)出的激光恰好接近長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱的能帶帶邊，因而增益芯片內(nèi)存在嚴(yán)重的短波激光吸收效應(yīng)，導(dǎo)致雙波長(zhǎng)激射時(shí)兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度差異很大，并且該效應(yīng)無(wú)法通過(guò)外部的參數(shù)控制解決。

本文提出利用溫度調(diào)控VECSEL 增益芯片增益峰與腔模失配程度的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了單一量子阱組分的增益芯片的雙波長(zhǎng)激光輸出，并且輸出的激光波長(zhǎng)可以通過(guò)調(diào)整泵浦功率而進(jìn)行控制。 主要介紹了溫度調(diào)控VECSEL 增益芯片增益峰與腔模失配程度的設(shè)計(jì)方法、測(cè)試結(jié)果與原理分析，最后進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。

2 理論設(shè)計(jì)

2.1 增益與腔模位置設(shè)計(jì)

本研究中VECSEL 器件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中VECSEL 的增益芯片結(jié)構(gòu)為典型的半VCSEL 激光器結(jié)構(gòu)[10]。增益芯片的發(fā)光區(qū)采用9 個(gè)InGaAs量子阱作為增益材料，InGaAs 兩側(cè)采用GaAsP 作為勢(shì)壘層，同時(shí)也作為應(yīng)變補(bǔ)償層，補(bǔ)償由于In-GaAs 帶來(lái)的應(yīng)變效應(yīng)。增益芯片的DBR（Distributed Bragg reflector）反射鏡采用35 對(duì)周期性的GaAs/AlAs 材料，可保證最高反射率達(dá)到99.99%。為實(shí)現(xiàn)高效的激光振蕩，增益芯片有源區(qū)（Active region）的光學(xué)厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，駐波波峰設(shè)計(jì)均位于量子阱位置。由于發(fā)光區(qū)的光場(chǎng)限制作用，可以在增益芯片的激光反射譜上看到明顯的中心凹陷，該位置對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)稱為VECSEL 的 腔 模 波 長(zhǎng)[11]，如 圖2 所 示。

圖1 VECSEL 裝置示意圖（a）以及增益芯片折射率及駐波分布情況（b）Fig.1 The setup of VECSEL used in our work and the refractive index（a）and stand wave within the gain chip（b）

圖2 增益芯片反射譜（紅線）及量子阱增益譜（藍(lán)線）Fig.2 The reflectivity spectrum of gain chip（red line）and the gain spectrum of quantum wells（blue line）

從圖2 中增益芯片的反射譜可以看出，反射譜在980 nm 附近有明顯凹陷，該處對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)即為腔模波長(zhǎng)，本結(jié)構(gòu)腔模波長(zhǎng)位于980 nm 附近。常規(guī)VECSEL 的增益芯片的InGaAs 量子阱增益譜位置一般位于腔模波長(zhǎng)附近，以保證腔模波長(zhǎng)得到足夠大的腔模增益。在本研究中，我們將InGaAs增益譜的峰值波長(zhǎng)相對(duì)腔模位置進(jìn)行大幅藍(lán)移，見(jiàn)圖2 中藍(lán)色增益譜，其峰值位置位于955 nm 附近，與腔模波長(zhǎng)位置相差約為25 nm，我們稱這種設(shè)計(jì)理念為增益-腔模大失配的設(shè)計(jì)[12]。

圖2 中，由于增益譜距離腔模位置較遠(yuǎn)，增益譜的譜寬無(wú)法覆蓋腔模波長(zhǎng)位置，因此增益芯片的腔模波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的增益（也稱為腔模增益）數(shù)值極低。對(duì)于增益芯片，由于其底部具有高反射的DBR 反射鏡結(jié)構(gòu)，因而在反射帶附近的位置一旦獲得足夠的光增益，便可以形成激光振蕩激射。圖2 中，增益芯片的反射帶左側(cè)位置明顯可以獲取更大的增益，我們稱該增益為反射帶的帶邊增益。由于此時(shí)帶邊增益遠(yuǎn)高于腔模增益，因而可以預(yù)測(cè)此時(shí)在激光腔內(nèi)振蕩的激光波長(zhǎng)將會(huì)首先出現(xiàn)在反射帶帶邊位置。

對(duì)于InGaAs 量子阱結(jié)構(gòu)，溫度升高將造成其能帶帶隙收縮，對(duì)應(yīng)的發(fā)光峰向長(zhǎng)波方向漂移（紅移）[13]，并且整個(gè)量子阱的增益譜也將隨工作溫度變化紅移。模擬的InGaAs 量子阱增益譜隨工作溫度的變化情況如圖3 所示。隨著溫度升高，增益光譜快速紅移，增益譜峰值波長(zhǎng)隨工作溫度的溫漂速率約為0.33 nm/K；在紅移的同時(shí)，量子阱增益譜形狀變化很小，但是增益峰值出現(xiàn)了快速衰減。對(duì)于整個(gè)增益芯片來(lái)說(shuō)，其反射譜取決于組成DBR 以及發(fā)光區(qū)的半導(dǎo)體材料折射率，而DBR 中的GaAs/AlAs 材料以及發(fā)光區(qū)的InGaAs與GaAsP 等材料的折射率穩(wěn)定性很好，隨工作溫度的變化約為（1.74～2.04）×10-4/K 左右[14]，因而增益芯片反射譜的溫度漂移系數(shù)極小，約為0.06 nm/K[12,15]。由圖2 中增益譜與反射帶大失配的器件結(jié)構(gòu)可以推測(cè)，隨著增益芯片溫度的升高，增益譜將迅速接近腔模位置，對(duì)應(yīng)的腔模增益將逐步增加，而帶邊增益逐步降低。

圖3 量子阱增益譜隨工作溫度的變化情況Fig.3 The influence of temperature on the gain spectra of quantum well

為評(píng)估增益芯片結(jié)構(gòu)有效增益隨工作溫度的變化關(guān)系，我們計(jì)算了不同工作溫度下帶邊增益與腔模增益系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，當(dāng)工作溫度較低時(shí)，帶邊增益數(shù)值要遠(yuǎn)高于腔模增益，這是因?yàn)閳D2 中增益譜相對(duì)反射譜腔模位置有大的失配。隨著溫度升高，帶邊增益系數(shù)迅速降低，而這是由于增益譜溫漂速率遠(yuǎn)大于帶邊波長(zhǎng)造成的。在溫度超過(guò)310 K時(shí)，帶邊增益迅速降低，其增益數(shù)值將不足以支撐帶邊波長(zhǎng)激射。

從圖4 中可以看出，腔模增益隨溫度的變化趨勢(shì)與帶邊增益變化趨勢(shì)恰好相反。當(dāng)溫度較低時(shí)，腔模增益很小，難以支撐腔模波長(zhǎng)激射；隨著溫度升高，增益譜隨工作溫度升高快速紅移，而由于腔模波長(zhǎng)的溫度漂移系數(shù)比增益譜小了近一個(gè)量級(jí)，這會(huì)使得圖2 中的增益譜向著較長(zhǎng)的腔模波長(zhǎng)位置快速移動(dòng)，因此在溫度升高時(shí)腔模增益數(shù)值也將相應(yīng)地增加。

圖4 帶邊模式增益與腔模增益隨工作溫度的變化Fig.4 The band-edge gain and cavity-mode gain of our structure changing with the operating temperatures

由圖4中帶邊增益與腔模增益的變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)，當(dāng)溫度較低時(shí)，VECSEL將出現(xiàn)只有帶邊波長(zhǎng)激射的現(xiàn)象。當(dāng)采用較高泵浦功率泵浦增益芯片時(shí)，由于增益芯片大的產(chǎn)熱量造成自身溫度升高，因此帶邊波長(zhǎng)激射的激光功率將逐步飽和。當(dāng)泵浦功率增加到一定程度，腔模增益將達(dá)到與帶邊增益接近的水平，此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)激射的現(xiàn)象，該位置如圖4 所示。隨著泵浦功率進(jìn)一步增加，帶邊波長(zhǎng)所能獲得的增益快速衰減，此時(shí)將只有腔模波長(zhǎng)可以正常激射。因此，可以預(yù)測(cè)，我們提出的這種增益譜與腔模大失配的增益芯片結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)整泵浦光功率將可以實(shí)現(xiàn)帶邊波長(zhǎng)激射、雙波長(zhǎng)激射以及腔模波長(zhǎng)激射三種工作狀態(tài)。

2.2 振蕩激光腔設(shè)計(jì)

直行腔結(jié)構(gòu)的VECSEL 只需要調(diào)整輸出鏡片的位置即可實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)激光的有效振蕩，是最為簡(jiǎn)潔實(shí)用的外腔結(jié)構(gòu)。本研究選擇如圖1 所示的直行腔結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證增益芯片工作效果。為滿足外腔振蕩的穩(wěn)定條件，需將輸出鏡片的曲率半徑、空氣腔腔長(zhǎng)與泵浦光斑尺寸三者配合。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，我們采用曲率半徑為50 mm 的平凹輸出鏡片，理論模擬了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光振蕩時(shí)泵浦光斑尺寸與空氣腔長(zhǎng)的關(guān)系[16]，如圖5 所示。本研究中，我們采用凱普林公司的150 μm 光纖輸出808 nm 半導(dǎo)體激光器模塊作為增益芯片泵浦源，采用一組成像鏡組將泵浦光照射到增益芯片上，因而增益芯片上的光斑尺寸也為150 μm。根據(jù)圖5 中所計(jì)算的穩(wěn)定振蕩關(guān)系，對(duì)應(yīng)的激光腔長(zhǎng)為42 mm。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，需要前后移動(dòng)外腔鏡以使得腔長(zhǎng)與增益得到最佳匹配。同時(shí)，對(duì)于輸出鏡鏡片的傾角也應(yīng)該實(shí)時(shí)調(diào)試，因?yàn)殓R片與增益芯片同軸與否將會(huì)對(duì)輸出光束的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。對(duì)由增益芯片與平凹鏡組成的直行空氣腔內(nèi)部的光束傳輸情況進(jìn)行了模擬[17]，見(jiàn)圖5 插圖。插圖中的紅色填充部分為光束分布區(qū)域，光束最左側(cè)位置為增益芯片，光束直徑為150 μm；光束最右側(cè)位置為平凹鏡片位置，為方便計(jì)算，將平凹鏡片等效成了對(duì)光場(chǎng)有會(huì)聚作用的平面?？梢钥闯觯す夤鈭?chǎng)在空氣腔內(nèi)形成了穩(wěn)定的振蕩分布，并且由于光場(chǎng)在空氣腔傳輸時(shí)有一定的發(fā)散，光斑尺寸在平凹鏡位置處增大至接近400 μm。

圖5 輸出鏡曲率半徑5 cm 時(shí)，穩(wěn)定振蕩時(shí)直型腔泵浦光斑尺寸與外部空氣腔腔長(zhǎng)的關(guān)系，插圖為本研究所用直型腔內(nèi)部光場(chǎng)分布模擬結(jié)果。Fig.5 The relationship of pumping spot on the gain chip and the length of line-shape cavity when the curvature of concave mirror is 5 cm，inserted figure is the simulation result of the optical field distribution within the external cavity.

3 結(jié)果與討論

制備增益芯片后，采用808 nm 泵浦源照射增益芯片并直接捕捉從增益芯片正面發(fā)出的光譜，增益芯片基底溫度控制在0 ℃。我們通過(guò)改變泵浦功率得到不同泵浦功率下增益芯片的發(fā)光光譜，如圖6 所示。為方便對(duì)比發(fā)光光譜，我們對(duì)發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行了歸一化處理。在三種不同泵浦功率下，增益芯片的發(fā)光光譜均出現(xiàn)了兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的波長(zhǎng)峰，分別位于953 nm 與995 nm 附近。增益芯片的發(fā)光波長(zhǎng)比圖4 中所設(shè)計(jì)的帶邊波長(zhǎng)及腔模位置略長(zhǎng)，這說(shuō)明增益芯片外延生長(zhǎng)過(guò)程中的厚度比設(shè)計(jì)值略大。

圖6 中隨著泵浦功率的變化，增益芯片PL 光譜中的兩個(gè)主波長(zhǎng)相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)明顯差異。當(dāng)泵浦光功率為10 W 時(shí)，950 nm 位置處的發(fā)光波長(zhǎng)光強(qiáng)明顯要大于980 nm 位置處的光強(qiáng)。而當(dāng)泵浦功率增加到17 W 時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)位置處的PL光譜強(qiáng)度近乎一致。隨著泵浦功率增加到25 W，980 nm 位置的光強(qiáng)強(qiáng)度增加，大于950 nm 位置處的光強(qiáng)。這與我們前述分析的圖4 中的發(fā)光過(guò)程是一致的。

圖6 不同泵浦功率下增益芯片正面的歸一化光致發(fā)光光譜（PL 光譜），增益芯片基底溫度為0 ℃。Fig.6 The normalized photoluminescence spectra of gain chip under different pumping powers at the temperature of 0 ℃

將制備的增益芯片固定到控溫0 ℃的基座后，采用透射率3%的平凹外腔鏡進(jìn)行外腔調(diào)試，實(shí)現(xiàn)激光輸出，并獲得了輸出激光與泵浦激光的功率曲線以及在不同泵浦功率下的激光光譜，如圖7 所示。

圖7 （a）VECSEL 系統(tǒng)激光功率與泵浦功率關(guān)系曲線；（b）不同泵浦功率下的激光光譜。Fig.7 （a）The relationship of the output power changing with the pumping power.（b）The lasing spectra under different pumping powers.

由圖7（a）可以看出，VECSEL 系統(tǒng)的輸出功率曲線與常規(guī)報(bào)道有明顯不同，出現(xiàn)了兩次閾值現(xiàn)象以及功率飽和現(xiàn)象。當(dāng)VECSEL 的泵浦光功率在5 W 左右時(shí)激光系統(tǒng)開(kāi)始激射，隨著泵浦功率的增加，激光輸出功率也逐步增加。當(dāng)泵浦功率達(dá)到15 W 時(shí)，輸出功率曲線出現(xiàn)熱飽和，并隨后出現(xiàn)功率衰減。然而當(dāng)泵浦功率超過(guò)17.2 W時(shí)，輸出功率曲線隨泵浦功率增加而快速增加，出現(xiàn)了二次閾值現(xiàn)象。當(dāng)泵浦光功率進(jìn)一步增加至22 W 時(shí)，輸出功率再次飽和，并且隨泵浦功率增加輸出功率開(kāi)始衰減。圖7（a）中的功率曲線與常規(guī)VECSEL 的報(bào)道有著明顯不同。一方面，出現(xiàn)了兩次閾值現(xiàn)象，分別位于泵浦功率5 W 及泵浦功率17.2 W 兩個(gè)位置，說(shuō)明有兩個(gè)不同的模式在不同泵浦功率下出現(xiàn)激射。另一方面，VECSEL 的功率曲線有兩次功率飽和現(xiàn)象，而第一次功率飽和出現(xiàn)在第二個(gè)閾值之前，說(shuō)明第一次的功率飽和是由于模式競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)產(chǎn)生的，而第二次的功率飽和現(xiàn)象是熱效應(yīng)引起的。

圖7（b）顯示了4 個(gè)不同泵浦功率下的激光光譜情況。通過(guò)不同泵浦功率下的激光波長(zhǎng)可以看出，整個(gè)VECSEL 的出光波長(zhǎng)有三種狀態(tài)。當(dāng)泵浦光源的功率為12 W 時(shí)，此時(shí)的泵浦功率小于第一個(gè)熱飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率，VECSEL為單波長(zhǎng)工作，且激光波長(zhǎng)位于952.7 nm，該波長(zhǎng)位置為增益芯片的帶邊波長(zhǎng)。當(dāng)泵浦光源功率達(dá)到15 W，此時(shí)圖7（a）中的出射激光功率達(dá)到飽和，在998 nm 附近出現(xiàn)了第二個(gè)激射波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)為增益芯片的腔模波長(zhǎng)，此時(shí)帶邊波長(zhǎng)與腔模波長(zhǎng)同時(shí)存在。隨著泵浦功率進(jìn)一步增加至18 W，泵浦功率已經(jīng)超過(guò)圖7（a）中第二閾值，VECSEL 呈現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)度近似相等的雙波長(zhǎng)激射現(xiàn)象，此時(shí)VECSEL 的激光功率為350 mW。雙波長(zhǎng)激射的波長(zhǎng)位置分別位于954.2 nm和1 001.2 nm。該雙波長(zhǎng)的位置相比泵浦功率為15 W 時(shí)出現(xiàn)了紅移，這是因?yàn)楸闷止β试黾訉?dǎo)致增益芯片內(nèi)部溫度升高[18]。當(dāng)泵浦功率繼續(xù)增加至21 W時(shí)，VECSEL的輸出波長(zhǎng)變?yōu)閱尾ㄩL(zhǎng)輸出，此時(shí)的激光波長(zhǎng)位于1 002.4 nm。上述圖7（b）中VECSEL的激射波長(zhǎng)變化趨勢(shì)與圖4中理論分析的帶邊波長(zhǎng)與腔模波長(zhǎng)增益變化趨勢(shì)是吻合的。圖7（b）中VECSEL 的發(fā)光波長(zhǎng)與圖6 中的PL 光譜有所差異，主要體現(xiàn)在激光波長(zhǎng)位置比圖6 中的PL 光譜位置有所紅移，這或許是因?yàn)檩敵鐾馇荤R的反射譜中心更偏向于長(zhǎng)波長(zhǎng)位置，在激光振蕩時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的反饋更為明顯，導(dǎo)致整個(gè)外腔的波長(zhǎng)選擇向著長(zhǎng)波方向偏移。

對(duì)VECSEL 在兩種工作狀態(tài)下的激光發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量后，得到其發(fā)散角與光斑形貌如圖8 所示。由插圖二維光斑可以看出，輸出光斑為圓形對(duì)稱的高斯光斑形貌。因此我們?cè)趫D8 中給出了對(duì)稱光斑水平方向的一維光場(chǎng)分布情況。泵浦功率12 W 時(shí)激光半高寬發(fā)散角為5.7°，激光光斑具有圓形對(duì)稱性，根據(jù)圖7 中的光譜可以看出，此時(shí)為單波長(zhǎng)激射，且激射波長(zhǎng)在952.7 nm。當(dāng)泵浦功率增加至18 W 時(shí)，此時(shí)的激光光譜為雙波長(zhǎng)激射光譜，激光發(fā)散角半高寬增加至7.9°，然而激光光斑仍然具有圓形對(duì)稱性。

圖8 不同泵浦功率下VECSEL 的激光發(fā)散角，插圖為不同泵浦功率下的二維光斑。Fig.8 The divergence angle of VECSEL under different pumping powers，insert is the two dimensional shape of spot.

雙波長(zhǎng)激射時(shí)發(fā)散角增加，一方面是由于此時(shí)泵浦功率較高，增益芯片內(nèi)部溫度升高；另一方面或許是由于此時(shí)位于雙波長(zhǎng)工作狀態(tài)，增益芯片內(nèi)部的模式競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，兩種波長(zhǎng)在增益芯片的分布面積有所不同，導(dǎo)致增益區(qū)面積增大，然而此時(shí)的激光光斑仍然為圓形對(duì)稱的高斯形狀。雖然在上述工作狀態(tài)下增益芯片內(nèi)部存在模式競(jìng)爭(zhēng)，然而由于外腔結(jié)構(gòu)本身的光斑分布是由增益芯片表面泵浦光斑與外腔鏡參數(shù)決定（見(jiàn)圖5），因而有利于實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中激光光斑仍然保持圓形對(duì)稱性。這也體現(xiàn)了采用外腔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)良好光斑的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文報(bào)道了采用增益譜與反射譜大失配設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)VECSEL 的方法，預(yù)測(cè)這種方法將帶來(lái)三種不同的波長(zhǎng)輸出狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在低泵浦功率下，由于帶邊波長(zhǎng)獲得更高的增益，因而此時(shí)的激光波長(zhǎng)為帶邊模式波長(zhǎng)。隨著泵浦功率繼續(xù)增加，增益芯片內(nèi)部溫度升高，增益譜向著腔模波長(zhǎng)漂移，由此引起帶邊波長(zhǎng)與腔模波長(zhǎng)的同時(shí)激射，VECSEL 出現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長(zhǎng)激射現(xiàn)象。當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步增加，增益譜與腔模波長(zhǎng)匹配度增加，帶邊波長(zhǎng)被抑制，只有腔模波長(zhǎng)可以穩(wěn)定激射。雙波長(zhǎng)激射強(qiáng)度接近時(shí)，激光功率達(dá)到359 mW。通過(guò)VECSEL 的功率曲線可以觀察到由于模式競(jìng)爭(zhēng)引起的二次閾值現(xiàn)象。VECSEL在不同工作狀態(tài)下的激光光斑均為圓形對(duì)稱形貌，激光發(fā)散角略有增加，這或許來(lái)自波長(zhǎng)模式競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的增益區(qū)載流子分布面積增大。雙波長(zhǎng)同時(shí)激射的VECSEL 可通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲激射，對(duì)科技進(jìn)步有重要意義；波長(zhǎng)可切換及雙波長(zhǎng)激射的VECSEL在多波段激光雷達(dá)及抗干擾雷達(dá)中將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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