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波长可连续调谐的高功率绿光激光器在生物医学、激光显示、激光雷达、光谱分析、激光加工等许多方面有着非常广泛的应用[1–5]. 光泵浦垂直外腔面发射激光器(vertical-external-cavity surface-emitting lasers, VECSELs), 又称半导体碟片激光器(semiconductor disk lasers, SDLs), 能在较高的输出功率水平下, 同时保持良好的光束质量[6,7]. 其半导体量子阱材料构成的增益介质具数十纳米的增益带宽, 结合灵活的外部谐振腔结构, 为高功率下较宽的波长连续调谐提供了可能性[8,9].
VECSEL在产生绿光方面具有几个显著的优势. 一是输出功率高, VECSEL能够以较高电光转换效率产生高功率的绿光输出[10]. 二是光束质量好, VECSEL产生的绿光通常具有很好的光束质量, 即具有接近衍射极限的较小发散角. 三是波长可连续调性[11], VECSEL可以利用外腔中的插入元件来实现激光波长的连续调谐.
近年来, 在1 μm波长附近的近红外可调谐VECSEL取得了不少进展. 2010年Borgentun等[12]采用直线谐振腔结构和1 mm厚的双折射滤波片(birefringent filter, BRF), 实现了从967—1010 nm的连续调谐. 2011年Borgentun等[13]采用直线腔结构和2 mm厚的BRF, 实现了中心波长995 nm附近最大输出功率7.5 W和32 nm的波长调谐范围. 2015年, Nakdali等[14]采用直线腔和1 mm厚的BRF, 得到了37 nm的波长调谐范围. 2017年Broda等[15]通过对增益芯片的特殊设计, 采用V型谐振腔, 在中心波长985 nm处, 实现了95 nm(937—1032 nm)波长调谐范围. 2023年Qiu等[16]采用直线腔和1 mm厚的BRF, 获得了从1044.5—1092.1 nm连续可调的波长覆盖.
在绿光波段, 2008年Maclean等[17]使用Z型结构谐振腔及4 mm厚的BRF, 实现了10 nm(526—536 nm)的波长连续可调谐, 在调谐范围内输出功率的最大值超过1 W. 2012年Lin等[18]利用VECSEL泵浦的腔内连续拉曼激光器和温度调谐的三硼酸锂(LiB3O5, LBO)晶体, 在绿光波段实现了17.5 nm(548.5—566 nm)的调谐. 同年, Hein 等[19]采用V型结构谐振腔及2 mm厚的BRF, 在513—535 nm的绿光光谱范围内获得22 nm的调谐, 并在524.7 nm处得到4.1 W的最大输出功率. 2014年Lukowski等[20]报道了一种共线双波长VECSEL, 利用T型结构谐振腔和1 mm厚度BRF, 获得了5 nm的调谐范围和超过2 W的绿光输出功率. 2019年, 邱小浪等[21]在直线谐振腔中插入LBO晶体, 利用0.15 mm厚的标准具, 产生了4 nm波长可调谐的倍频绿光, 在中心波长559 nm处的最大输出功率为65 mW. 上述可调谐绿光VECSEL的主要实验结果总结在表1中.
在上述报道的绿光激光器中, 不管是输出功率、可调谐范围还是转换效率, 都获得了比较好的结果, 但是高输出功率、宽调谐范围、高转换效率三者不能同时兼得. 本文用紧凑的V型谐振腔和I类相位匹配LBO作为非线性晶体, 研究不同厚度的BRF 对腔内倍频VECSEL的调谐特性和输出功率的影响, 获得了8.23 W的高功率输出和超过20 nm的波长调谐范围, 对应的吸收泵浦光到倍频绿光的光-光转换效率达到16.6%. 这种高功率的波长可调谐绿光激光器可以满足更多实际应用场景的需要, 进一步拓展绿光VECSEL的应用范围.
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本实验所用增益芯片的设计波长为1018 nm. 外延片采用逆向生长结构, 其生长顺序如图1(a)所示. 首先在GaAs衬底上沉积高Al组分的AlGaAs腐蚀阻挡层, 然后生长GaAs保护层. 接下来是由12对In0.2Ga0.8As/GaAs0.9P0.1多量子阱(multiple quantum wells, MQWs)构成的有源区, 其中的GaAsP势垒层在有源区同时起到应变补偿和泵浦吸收的作用. 所以, GaAsP中P的组分要进行合理优化设计, 以此保证既能补偿量子阱中的应变, 又能使泵浦的能量被有效地吸收. 然后是分布布喇格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR), 由30对GaAs/AlAs交替构成, 每层的光学厚度为1/4波长, 设计波长为1018 nm, 得出DBR的厚度约为4.7 μm. 图1(b)为DBR的反射谱和增益芯片的荧光(photoluminescence, PL)谱. DBR反射谱的中心波长在1016 nm附近, 其反射率在99.1%以上的带宽约为74 nm, 覆盖波长从977—1051 nm. 增益芯片PL谱的峰值波长也位于1016 nm处, 其半高全宽度(full width at half maximum, FWHM)为11 nm. 图1中增益芯片较宽的PL谱和DBR足够高反射率带宽的反射谱, 为后续高功率下宽波长调谐提供了基础.
将生长好的外延片在衬底减薄至120 μm左右, 然后进行金属化处理, 再切割成4 mm×4 mm尺寸的芯片. 后续利用铟焊料将增益芯片、金刚石和铜热沉焊接在一起. 铜热沉后端连接半导体热电制冷装置(thermoelectric cooling, TEC)和水冷系统, 对增益芯片的温度进行适时控制. 图2(a)是实验所用到的V型激光谐振腔结构图, 图2(b)为实验装置的实物图. 图2(a)的激光谐振腔是一个由增益芯片、曲率半径为50 mm的M1、以及平面反射镜M2构成V型腔结构. M1镀有对1018 nm具有99.9%反射率和对509 nm具有99.5%透过率的膜层. 作为折叠镜, M2镀有对1018 nm和509 nm都是99.9%反射率的膜层. 倍频绿光在折叠镜M1处输出, 不会再返回到增益芯片, 以产生不必要的吸收, 形成增益芯片中的冗余热量.
泵浦源采用808 nm波长的光纤耦合输出半导体激光器, 泵浦光束经过1∶1成像比例的透镜对以大约30°入射角被聚焦到增益芯片上, 形成的泵浦光斑直径约为600 μm. 基频光通过以布儒斯特角放置的BRF后变为线偏振光, 以满足后续LBO晶体中频率变换对相位匹配的需要. 所用I类相位匹配非线性晶体LBO的尺寸为3 mm ×3 mm ×10 mm, 其两个通光面均镀有对1018 nm和509 nm波长增透的膜层.
在非线性频率变换过程中, 想要获得高转换效率, 需要选择合适的谐振腔、非线性晶体及其相位匹配类型. 谐振腔的设计主要考虑了增益芯片上激光光斑与泵浦光斑满足模式匹配条件, 以及在非线性晶体上获得尽可能小的光束束腰. 本实验中激光在增益芯片上的光斑直径约为600 μm, 与600 μm泵浦尾纤芯径经过1∶1成像后投射在芯片上的泵浦光斑大致相同. 非线性晶体LBO晶体放置在M1和M2之间的光束束腰处, 束腰的直径约为50 μm. 实验所用的V型谐振腔的腔模半径随位置以及腔内激光的偏振态的变化如图3所示.
非线性晶体LBO的长度优化至关重要. 一定条件下, 频率转换效率会随着晶体的长度增加而增加, 但一定的光束束腰尺寸存在一个理想晶体长度与之匹配. 束腰为
$ {\omega _0} $ 时所对应的晶体最佳长度L为[22]其中
$ \lambda $ 为激光波长. 本实验中的波长为1018 nm, LBO晶体所在处激光束腰直径约为50 μm, 计算得出晶体的最佳长度约为8.7 mm. 考虑到上述数值为估算值, 实验中选择了略长的10 mm长度的LBO.最后, 使用Sandia Nat公司开发的开源软件SNLO软件对非线性晶体LBO进行建模. 鉴于LBO晶体的I类相位匹配的有效非线性系数0.827 pm/V[23,24]明显大于其II类型相位匹配的有效非线性系数, 实验选择了I类相位匹配的LBO, 并将波长调谐元件BRF以布儒斯特角放置在谐振腔中, 产生线偏振光, 满足LBO的相位匹配要求.
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在插入LBO晶体产生倍频绿光之前, 先对VECSEL的基频激光调谐性能进行了测试. 在TEC设定温度为11 ℃, 泵浦吸收功率为50 W的条件下, 腔内以布儒斯特角分别插入厚度为1, 2, 4 mm的BRF, 围绕BRF的光轴旋转从而实现波长连续调谐. 图4显示了BRF厚度为1, 2, 4 mm时基频激光的波长调谐范围, 其最大值为47.1 nm, 对应波长范围为994.8—1041.8 nm. 使用2, 4 mm的BRF分别得到了38.8, 32.4 nm的连续可调谐范围.
接下来测量了插入非线性晶体LBO后所得倍频绿光的波长可调谐范围. 在上述基频激光调谐实验中, 已经验证3种厚度的BRF均可以实现较宽范围的连续波长调谐. 在此基础上, 首先插入长度为10 mm的LBO晶体, 实现绿光激光输出. 然后, 使用厚度为1, 2, 4 mm的BRF作为调谐元件, 以布儒斯特角插入谐振腔对倍频绿光进行波长调谐. 在TEC设定温度为11 ℃, 泵浦吸收功率为50 W的条件下, 用厚度为1 mm的BRF获得了20.1 nm的最大连续可调谐范围. 如图4(a)所示, 波长在497.7—517.8 nm可调. 采用2, 4 mm的BRF, 分别获得了17.3, 12.8 nm的连续可调谐范围, 如图4(b), (c)所示.
基频激光的波长调谐范围应为倍频绿光的波长调谐范围的两倍左右. 结合图4(a)与图5(a)可知, 倍频绿光的波长调谐范围未到基频激光的一半, 这是由于基频激光边缘波长功率影响使得倍频效率不高, 倍频绿光最大波长调谐带宽为20.1 nm.
BRF的厚度越大, 相应的自由光谱范围越小, 插入BRF后SDL的波长调谐能力越弱, 会直接影响激光器的波长调谐范围. 同时, 越厚的BRF引入的腔内损耗也会增大, 可调谐激光器的输出功率相应减小, 也直接影响倍频绿光的波长调谐范围. 图6描述了在TEC设置温度为11 ℃, 泵浦吸收功率为50 W的条件下, 插入厚度为1, 2, 4 mm的BRF测得激光器的倍频光输出功率, 分别为7.05, 8.23, 3.90 W. 最后对激光的光束质量进行测量. 实验使用THORLABS的光束质量分析仪 (型号为: M00546490)对光束质量及发散角进行测量. 其原理是采用CCD面阵器件作为图像传感器直接探测, 将光束经衰减和变换后入射照射到CCD的感光面上实现测量. 得到
$ M_x^2 $ 和$ M_y^2 $ 分别为1.00和1.03, 倍频绿光的发散角为22 mrad, 约为1.26°.接下来对该可调谐激光器的最大输出特性进行研究, 测量没有放置非线性晶体LBO时基频激光的输出功率, 然后对比实验所得的最大倍频蓝光功率(即LBO长度为10 mm, BRF厚度为2 mm条件下的倍频绿光输出功率). 如图7所示, 当TEC设置温度为11 ℃时, 基频激光与倍频激光的阈值均为2.5 W左右. 当吸收泵浦功率为最大值50 W时, 基频激光输出功率为12.07 W, 倍频绿光输出功率为8.23 W, 对于整个激光器的倍频转换效率最高为68.2%. 随着泵浦功率的增大, 吸收泵浦光到绿光的光学转换效率呈现逐渐增大的趋势. 整个过程中, 最大光-光转换效率为16.6%.
不同厚度的BRF不仅用于对激光波长进行调谐, 而且对激光线宽也具有一定程度的压缩作用, 进而影响激光器整体的输出性能, 激光的谱线宽度定义为
其中,
$ \lambda $ 为激光波长,$ \Delta n = {n_{\text{o}}} - {n_{\text{e}}} $ 是o光和e光的折射率差, d为BRF的厚度, BRF越厚压窄线宽效果越好. 图8为VECSEL自由运转及插入不同厚度BRF时输出激光的谱线宽度. 自由运转下509 nm激光的线宽为2.65 nm, 在腔内插入1, 2, 4 mm厚度BRF情况下, 509 nm激光的线宽分别为2.32, 1.71, 1.47 nm, 线宽最大压缩了44.5%. 可以看出, 在谐振腔内使用单个BRF时, BRF的厚度越大, 激光谱线宽度越窄, 与理论相符.结合图5(a)、图6以及图8可知, 3种厚度的BRF并非越薄越好. 从输出功率和调谐范围来看, 相比2 mm厚的BRF, 1 mm厚的BRF带来的腔损耗小, 但是压窄激光线宽的效果差, 对应的输出功率偏低.
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利用设计波长为1018 nm的半导体增益芯片, 结合结构紧凑的V型谐振腔和I类相位匹配LBO晶体进行腔内倍频, 实现了509 nm的高功率和宽调谐VECSEL. 使用1 mm厚的BRF获得了基频光47.1 nm和倍频绿光20.1 nm的最大连续可调谐范围. 使用2 mm的BRF时该激光器在连续调谐过程中绿光最大输出功率超过8 W, 倍频转换效率达到68.2%. 使用4 mm的BRF时绿光激光线宽为1.47 nm, 压窄线宽效果最好. 倍频绿光VECSEL的光束质量优良, M 2因子在x和y方向分别为 1.00和1.03, 接近衍射极限. 该激光器可以同时获得较高的输出功率、较宽的调谐范围、以及良好的光束质量, 在生物医学、激光显示、光谱分析、激光加工等许多领域发挥重要作用, 具有很大的市场应用价值.
509 nm高功率宽调谐外腔面发射激光器
509 nm high power wide-tuned external cavity surface emitting laser
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摘要: 报道了一种高功率宽调谐外腔面发射绿光激光器, 利用设计的1018 nm半导体增益芯片、折叠镜以及后端镜构成结构紧凑的V型腔, 使用长度为10 mm的I类相位匹配三硼酸锂(LiB3O5, LBO)非线性频率变换晶体进行腔内倍频, 实现了509 nm波长的高功率绿光输出. 通过在腔内插入双折射滤波片(birefringent filter, BRF), 可获得连续调谐的激光波长. 当BRF厚度为1 mm时, 基频激光和倍频绿光的波长调谐范围分别为47.1 nm 和20.1 nm. 可调谐绿光的最大输出功率为8.23 W, 对应的倍频转换效率为68.2%, 相应的从吸收泵浦光到倍频绿光的光-光转换效率为16.6%.Abstract: High power widely tunable green lasers have potential applications in many fields such as biomedicine, lidar, laser spectroscopy, laser display, underwater wireless optical communication, and fine processing of nonferrous metals. Vertical-external-cavity surface-emitting lasers, also known as semiconductor disk lasers, have the advantages of high power, good beam quality, and wide bandwidth of gain medium. In this work, a gain chip with a reverse-growth epitaxy structure and an emitting wavelength of 1018 nm is designed. In the DBR reflection spectrum, a bandwidth of 74 nm is achieved above a reflectivity of greater than 99.1%, laying a solid foundation for achieving high-power widely tunable output. The laser cavity combines a 1018 nm semiconductor gain chip, a folded mirror, and a plane mirror to construct a compact V-type resonant cavity. A class-I phase-matched LBO nonlinear crystal with a length of 10 mm is placed at the beam waist of the cavity to realize an efficient frequency doubling process to produce a 509 nm green laser. To meet the requirement for the polarization during frequency conversion and to tune the oscillating wavelength of the laser, a birefringent filter (BRF) is employed in the laser resonant cavity. When the thickness of the used BRF is 1 mm, the obtained wavelength tuning range of the fundamental laser and the frequency doubled green laser are 47.1 nm and 20.1 nm, respectively, showing a good tuning capability of the laser. The laser’s performance varies with the thickness of the BRF. When using a 2 mm BRF, a maximum power output of the frequency-doubled green laser reaches 8.23 W during continuous tuning, indicating an ideal compatibility of wide tuning characteristics with a high power output. Meanwhile, its beam quality M 2 factors are 1.00 and 1.03 in the x- and y-direction, respectively, demonstrating a near diffraction-limited excellent beam quality. This green laser also possesses a frequency doubling conversion efficiency of up to 68.2%, which can efficiently converse the fundamental laser into the frequency doubled green laser. The optical-to-optical conversion efficiency from the absorbed pump light to the frequency-doubled green light also reaches 16.6%. Meanwhile, from the spectral linewidths of the green lasers under different thickness values of BRFs it is found that the thicker the BRF, the narrower the laser line width is, which is consistent with the theoretical result.
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图 1 (a) VECSEL外延片结构示意图; (b) 增益芯片的反射谱及荧光谱
Figure 1. (a) Schematics of the epitaxial structure of the VECSEL wafer; (b) the reflection spectrum and the PL spectrum of the gain chip.
图 2 (a) 倍频绿光VECSEL的V型谐振腔结构图; (b) 实验装置实物图
Figure 2. (a) The V-type resonant cavity of the frequency-doubled green VECSEL; (b) the photograph of the experimental setup.
图 3 V型谐振腔内基频激光腔模半径随位置的变化
Figure 3. Changes of the cavity mode in the V-type cavity with various position.
图 4 BRF厚度为1 , 2, 4 mm时基频激光的波长调谐范围
Figure 4. Tuning range of the fundamental laser with BRF thicknesses of 1, 2, and 4 mm.
图 5 BRF厚度为1, 2, 4 mm倍频绿光的波长调谐范围
Figure 5. Tuning range of the frequency-doubled green laser with BRF thicknesses of 1, 2, and 4 mm.
图 6 腔内插入厚度为1, 2, 4 mm的BRF时倍频绿光的输出功率曲线
Figure 6. Output powers of the frequency-doubled green laser under different BRF thicknesses of 1, 2, and 4 mm.
图 7 (a) 基频激光与倍频绿光功率对比曲线; (b) 吸收泵浦光到倍频绿光转换效率曲线
Figure 7. (a) Comparison of the output powers of the fundamental laser and the frequency-doubled green laser; (b) the optical-to-optical efficiency from absorbed pump laser to green laser.
图 8 自由运转及插入不同厚度BRF时VECSEL的光谱线宽
Figure 8. Spectral linewidths of the VECSEL under free operation and inserting BRF with different thicknesses.
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