1 引言

波长可调谐的小型化连续运转绿光激光器在光动力学治疗^[1]、激光多普勒测速^[2]、激光扫描共聚焦显微镜^[3]等方面具有十分重要的应用。在市场庞大的激光显示领域,可调谐绿光激光器能够提供多个工作波长,有效削弱激光显示中的散斑效应,提升消费者的观看体验^[4]。

目前,主要利用激光二极管抽运的固体激光技术来获得高功率绿光激光器,因为固体激光介质具有较高的增益,并且其上能级寿命较长,非常适合调Q运转,从而提高基频光向绿光转换的倍频效率^[5-7]。但固体绿光激光器也存在不足之处,比如固体激光介质对抽运光的吸收谱很窄,因此它对抽运光源的波长漂移很敏感,对激光二极管抽运源的稳定性要求极高;此外,一般的固体倍频绿光激光器中存在所谓的“绿噪声”,其输出的绿光波长调谐范围非常有限。

在连续运转、中小功率、可调谐绿光激光的应用中,可利用波导结构的周期极化非线性晶体通过对小型化、高效率的半导体激光器进行倍频来获得绿光。波导结构的周期极化非线性晶体不仅可以提高倍频转换效率,而且所允许的调谐范围比较宽^[8-9]。这种类型的激光器需要一个宽带可调谐的外腔光纤耦合激光二极管,用外部衍射光栅作为调谐元件,其所输出的绿光波长调谐范围达到21 nm,最大输出功率超过12 mW^[10]。

光抽运垂直外腔面发射激光器(VECSEL),又称半导体薄片激光器,综合了固体薄片激光器和半导体激光器的优点,可获得具有高光束质量和高输出功率的激光输出^[11-13],且波长可以利用能带工程根据需要进行设计,还可以方便地在腔内插入其他元件进行调谐、滤波或者锁模运转^[14-16],在生命科学^[17]、激光医疗^[18]、太赫兹波产生^[19]以及微量物证的提取^[20]等方面得到了广泛应用。

在其众多应用之中,外腔面发射器的一个重要应用是激光非线性频率变换^[21],其光束质量优良,在所使用的外腔结构中,可方便地在腔内插入非线性晶体,充分利用极高的腔内功率密度,获得较为理想的倍频转换效率。与倍频固体绿光激光器相比,用外腔面发射激光器腔内倍频获得的绿光有2个显著特点:1)不存在固体绿光激光器中的“绿噪声”,因为外腔面发射激光器所用的谐振腔很短,其增益介质是半导体材料,激光上能级寿命比固体工作物质小几个数量级^[22];2)半导体材料的增益带宽较宽,使得这种绿光激光器比固体绿光激光器具有更大的可调谐优势^[23]。

外腔面发射激光器中,单增益芯片输出的波长为535 nm倍频绿光的功率超过7 W^[24]。采用多增益芯片级联的结构,美国相干公司在外腔面发射激光器中获得了功率超过50 W的532 nm连续绿光输出^[25]。在可调谐绿光方面,将长度为11 mm的三硼酸锂晶体(LBO)作为倍频晶体,将厚度为2 mm的双折射滤波片作为调谐元件,热沉温度为2 ℃时,外腔面发射激光器输出的可调谐绿光最大输出功率超过了4 W,在中心波长525 nm处激光波长的调谐范围达到22 nm^[26]。

本文设计了一种小型化、中小功率的连续波长可调谐外腔面发射绿光激光器,它在室温下工作,使用简单的标准具作为调谐元件,具有结构紧凑、稳定性能良好等优点,在激光光谱学、激光显示、科研仪器等方面具有较好的应用前景。

2 实验装置

实验的光路图见图1(a),结构简图见图1(b),装置实物如图1(c)所示。将最大功率为8 W的808 nm光纤耦合输出激光二极管作为抽运源。抽运光斑经过直径比为1∶1的成像聚焦透镜组,在增益芯片上成像。增益芯片与铜热沉相连,铜热沉上有锥形孔,允许抽运光通过。铜热沉与激光器底座、非线性晶体支架、输出镜支架、抽运系统支架等组成一体,可在增强激光器力学性能稳定性的同时,改善激光器的散热性能。

激光谐振腔由增益芯片后端的分布布拉格高反镜及耦合输出镜构成,耦合输出镜分别镀上反射率大于99.5%的高反(HR)膜和透射率大于95%的增透膜,分别对波长为1100 nm的基频光增反,对波长为550 nm的倍频光增透。在10 mm长的非线性晶体LBO两通光端面镀上增透膜,对波长为1100 nm的基频光增透,晶体处于光腔中尽量靠近增益芯片的位置,以获得尽可能小的基频光斑和尽可能大的基频光功率密度,即尽可能高的倍频转换效率。将用于波长调谐的标准具插在增益芯片及非线性晶体之间,微调标准具的水平偏转角度即可对激光波长进行调谐。

增益芯片底部分布布拉格反射镜由30对1/4波长层AlAs/AlGaAs组成,对808 nm抽运波长透明,对1080 nm设计波长高反,高反射率的反射带宽约60 nm。分布布拉格反射镜上方为15个InGaAs/GaAsP多量子阱构成的有源区,设计发光的中心波长为1080 nm。多量子阱中的势垒层GaAsP既是抽运光的吸收层,又是应变量子阱的应力补偿层。有源区后是高势垒的窗口层AlGaAs,用以防止载流子扩散到芯片表面产生非辐射复合。最后的GaAs帽层是芯片的保护层,使外延结构免受氧化。

激光器工作过程中,有源区势垒层吸收抽运光子能量,产生光生载流子;光生载流子被量子阱俘获,在阱内产生受激辐射,为激光提供增益。每个量子阱在芯片的外延结构设计中都应该置于芯片内激光驻波场的波峰处,形成谐振周期增益结构^[27-28],使激光器获得最大的增益。

图 1. 小型化可调谐外腔面发射绿光激光器。(a)光路图;(b)结构简图;(c)装置实物图

Fig. 1. Compact tunable external-cavity surface-emitting green laser. (a) Optical path; (b) structural diagram; (c) physical map of setup

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3 结果与分析

3.1 基频光

图2(a)所示为基频光的激光光谱。激光器自由运转时,光谱的半峰全宽(FWHM)为2.5 nm。外腔面发射激光器的光谱线宽是由半导体增益介质决定,这是因为半导体材料的能带结构决定了其增益谱较宽,有源区载流子浓度的变化又会引起折射率的变化,增加激光输出的相位噪声,进一步展宽激光光谱。当腔内分别插入厚度为0.3 mm和0.15 mm的未镀膜熔石英标准具时,激光光谱的半峰全宽分别被压缩至1.7 nm和1.4 nm。

图 2. 小型化可调谐外腔面发射绿光激光器的基频光输出性能。(a)激光光谱;(b)可调谐波长的激光光谱;(c)可调谐波长的输出功率

Fig. 2. Output performances of fundamental wave of compact tunable external-cavity surface-emitting green laser. (a) Laser spectra; (b) laser spectra of tunable wavelengths; (c) output power of tunable wavelengths

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标准具可在一定程度上压缩激光线宽,并对激光的振荡波长λ进行调谐,其调谐方程为

λ=2ndcosθm,(1)

式中:n为标准具材料折射率;d为厚度;θ为光线进入标准具的折射角;m为干涉级次。

实验中微调标准具与正入射光线之间的夹角,即可实现对激光波长的调谐。当抽运功率为4500 mW,热沉温度为25 ℃,标准具厚度为0.15 mm且对550 nm波长高反的情况下,基频光的波长调谐输出如图2(b)所示;图2(c)所示为相同条件下,基频光调谐输出的功率曲线。由图2(b)可知,基频光的中心波长为1118 nm,其调谐范围大约为10 nm,此范围主要受到阈值以上的增益谱宽度和倾斜后标准具引入的损耗两个因素制约。实验中标准具的最大倾斜角约为10°。此外,用标准具作为调谐元件时,其输出存在模式跳变。在激光振荡从一个模式跳变到另一个模式的过程中,有时会发生多模工作的情况,如图2(b)中的1114 nm和1119 nm两个模式所示。此时需要将标准具继续同方向微调,即可完成振荡模式的完整跳变。由图2(c)可知,1118 nm附近的调谐输出功率最大,往短波长和长波长方向递减,最大输出功率约150 mW。

3.2 倍频光

与1000 nm近红外波段内其他常用的非线性晶体相比,LBO具有较大的倍频接收线宽和倍频接收角、较小的走离角以及适中的有效非线性系数,因此LBO适用于基频光线宽较大的半导体激光器倍频。图3(a)所示为腔内未插入标准具以及分别插入厚度为0.3 mm和0.15 mm的标准具后倍频激光的光谱半峰全宽,其大小分别为1.8、1.5、1.0 nm。

当标准具厚度为0.15 mm且镀有550 nm高反膜,抽运功率为4500 mW时,室温下倍频绿光的波长调谐输出如图3(b)所示。相同条件下,倍频绿光的调谐输出功率如图3(c)所示。受制于基频光波长调谐范围,图3(b)中绿光的波长调谐范围为4 nm。与图2(b)类似,从图3(b)也可看出倍频光调谐过程中出现的多模工作情况,其原因皆为标准具调谐带来的模式跳变。与图2(c)中基频光调谐输出功率对应,图3(c)中调谐输出绿光在559 nm处的最大功率约60 mW。在最大输出功率处,激光器的倍频转换效率为40%,从抽运光到倍频光的总光-光转换效率为1.3%。

图 3. 小型化可调谐外腔面发射绿光激光器的倍频光输出性能。(a)激光光谱;(b)可调谐波长的激光光谱;(c)可调谐波长的输出功率

Fig. 3. Output performances of second harmonic of compact tunable external-cavity surface-emitting green laser. (a) Laser spectra; (b) laser spectra of tunable wavelengths; (c) output power of tunable wavelengths

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当谐振腔内不放置标准具、插入厚度为0.15 mm的未镀膜标准具、以及插入厚度为0.15 mm的镀有倍频光高反膜的标准具时,获得的绿光输出功率与抽运功率的关系如图4所示。很显然,标准具的插入不仅引入了一定的损耗,也在一定程度上压窄了基频光的线宽,提升了倍频转换效率,且对倍频绿光输出功率的提升起到了促进作用。此外,在图1(a)所示的谐振腔结构中,当腔内循环的基频光从输出镜返回到增益芯片的过程中,其所产生的倍频绿光也会返回到增益芯片,且其中的一部分会被增益芯片吸收,这不仅降低了倍频光的输出功率,同时又增加了增益芯片内的冗余热量,加剧了激光器的热效应,从而导致激光器基频光功率降低。利用折叠腔将倍频晶体置于谐振腔的另一条臂上,可以避免上述问题,且可以将凹面反射镜作为倍频晶体所在臂的后端镜,从而使得晶体能够较好地处于光束的束腰位置^[29-30]。但折叠腔的结构增加了谐振的复杂程度,降低激光器力学性能的稳定性。因此,实验中仍保持谐振腔为直腔结构,但在厚度为0.15 mm的标准具表面镀上倍频光波长高反膜,以阻断倍频绿光返回到增益芯片。由图4可知,使用镀膜处理后的标准具明显提升了倍频绿光的输出功率,当抽运光功率为4500 mW时,所获得的绿光最大输出功率为65 mW。

图 4. 腔内插入不同标准具时绿光的输出功率与抽运功率的关系

Fig. 4. Output power of green laser versus pump power when different etalons employed in cavity

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实验中绿光的输出功率、激光器的总光-光转换效率以及波长的调谐范围等主要性能指标都不理想,这主要是因为增益芯片的外延生长质量没有严格达到设计要求。有源区多量子阱的设计发光波长为1080 nm,但外延生长过程中可能出现了一定程度的偏离,致使增益芯片发光的中心波长从设计波长1080 nm漂移至实际波长1118 nm,所以增益芯片的量子效率的下降幅度较大;而较低的量子效率又意味着较为突出的热效应,使激光器陷入恶性循环,导致总输出功率不高,抽运光-基频光的转换效率仅为3.3%。此外,虽然输出镜、倍频晶体、标准具等元件在镀膜时都考虑了20 nm的偏移量,即不是对1080 nm和540 nm波长,而是对1100 nm和550 nm波长进行镀膜,但这些元件用于实际激光波长为1119 nm和559 nm的谐振腔时,还是在一定程度上降低了谐振腔的品质因数,既削减了激光输出功率,又增大了激光器的半峰全宽,对激光器的性能均产生负面影响。相比较而言,实验获得的基频光-倍频光的转换效率(40%)较为理想,主要得益于腔内倍频过程中腔内基频光功率密度较高、标准具对基频光光谱线宽的微压缩,以及标准具对倍频光波长的高反镀膜这3个主要因素。

4 结论

利用后端抽运、直线谐振腔以及对倍频光镀高反膜的标准具,设计制作了结构紧凑的可调谐外腔面发射绿光激光器。增益芯片的有源区为InGaAs多量子阱,势垒材料为既能对抽运光进行吸收产生光生载流子,又能作为补偿层补偿多量子阱生长过程中所引入应变的GaAsP材料。室温下,腔内插入厚度为0.15 mm的对倍频光镀高反膜的标准具,当抽运功率为4500 mW时,基频光的调谐范围为10 nm,倍频光的调谐范围为4 nm,基频光及倍频光的最大输出功率分别为150 mW和60 mW,倍频转换效率为40%。这种结构简单紧凑、力学性能稳定性良好的小型化可调谐连续运转绿光激光器,在激光扫描共聚焦显微镜等科研仪器方面具有十分重要的应用。由于增益芯片的实际发光波长严重偏离了设计波长,致使目前激光器的总光-光转换效率偏小。后续工作需进一步优化增益芯片的量子设计,并不断完善外延生长过程中的质量控制,获得量子效率高、增益系数大的优质增益芯片,提高激光器的总光-光转换效率,扩展基频光及倍频绿光的调谐范围,提升倍频绿光的输出功率。