808 nm垂直腔面发射激光器阵列抽运的全固态激光器研究进展 
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1 引言
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有线宽窄、温漂系数小、可二维拓展等特点,已成为全固态激光器的新型抽运源[1]。与传统的边发射半导体激光二极管相比,VCSEL具有以下更具吸引力的优点:更小的温漂特性(0.07 nm·℃-1)(边发射激光二极管的温漂系数为0.3 nm·℃-1[2]);出射光束为低发散度的圆对称光束,易于耦合[3];制造工艺简单,成本低廉[4];可在二维平面任意拓展集成,以实现高功率激光输出[5];电光效率高;可靠性更好[6];高功率工作时不会产生光学损伤[7]。近年来,808 nm的VCSEL取得突破性进展,VCSEL阵列的输出功率和能量得到显著提高,通过制造大尺寸的二维平面阵列,输出功率可达几百瓦甚至几千瓦,并且具有很高的电光转换效率,其电光转换效率通常高于42%。因此,VCSEL阵列可以替代传统的边发射激光二极管巴条,作为全固态激光器的抽运源,例如用于抽运掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)调
鉴于VCSEL阵列抽运的固态激光器的诸多优势,主要介绍了808 nm VCSEL的国内外发展状况,以及利用808 nm VCSEL阵列抽运的全固态激光器的研究进展,并对比分析相关的技术特点和关键问题。
2 808 nm垂直腔面发射激光器的发展现状
垂直腔面发射激光器的概念最早由日本东京工业大学的伊贺教授于1977年提出,两年后,Soda等[10]在77 K温度下首次制成VCSEL。1984年,Iga等[11]实现了在室温下制得砷化铝镓/砷化镓(AlGaAs/GaAs)面射型激光器,自此,VCSEL的研究进入飞速发展期。VCSEL的研究主要集中在850 nm和980 nm两个波长,850 nm波长的VCSEL多用于中短距离光互联领域[12],980 nm波长的VCSEL主要用于抽运掺铒光纤放大器[13],许多研究单位和公司都发布了自己研究成果及商业产品,电光转换效率都高达50 %以上[14]。而近些年,对于适用于抽运固态激光器的808 nm波长VCSEL的研究才实现技术突破,这是因为衬底材料GaAs在808 nm处有强烈的吸收,传统的底发射VCSEL结构不再适用,而需要高效率的散热方式[15]。
808 nm的VCSEL首次由Summers等[16]在1999年提出,该VCSEL的发光直径为10 μm,中心波长为810.5 nm,在工作电流为70 mA时获得了最大功率为4 mW的输出。在2004年, ULM photonics公司的Grabherr等[17]设计了发光直径为25 μm的单管VCSEL,其输出功率为25 mW,中心波长为808 nm,电光转换效率为25 %,并首次展望了808 nm VCSEL集成大面积二维阵列,从而能够获得大功率输出。2009年,Princeton Optronics公司的Seurin等[15]改变了传统的底发射VCSEL结构,将衬底完全去除后焊接在金刚石热沉上,实现了808 nm顶发射的VCSEL阵列,尺寸为5 mm×5 mm,集成了10000个VCSEL发光单元,连续输出功率超过120 W,最大电光转换效率为42%,非常适用于抽运固态激光器。此后Princeton Optronics公司生产的808 nm高功率VCSEL阵列不断推陈出新,在2011年,该公司使用12块2.7 mm×2.7 mm的VCSEL阵列组成抽运模块,中心波长为808.4 nm,在80 A驱动电流下,准连续输出功率可以达到500 W,电光转换效率为44%[18],之后,该公司又将该抽运模块的输出功率提高到1.2 kW[19]。2012年,该公司设计了可以用于端面抽运的VCSEL圆型阵列,在驱动电流为220 A、脉宽为250 μs、重复频率为70 Hz时,抽运模块峰值输出功率为810 W[20]。2014年,该公司将氧化铍(BeO)代替金刚石作为热沉,得到2 mm×2 mm的808 nm VCSEL阵列平均输出功率为6 W,电光转换效率为42%[8]。在2017年,该公司又设计制作了抽运峰值功率高达2.3 kW的VCSEL阵列[21]。
国内对于808 nm VCSEL的研究主要集中在有源区材料的理论设计和大口径的单管VCSEL制造两方面。2011年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的Zhang等[22-23]对808 nm的VCSEL材料与结构进行了详细的设计,并制备了单管发光直径为70 μm的VCSEL并组成2×2的列阵[24],在注入电流为2.6 A时得到最大输出功率为115 mW,中心波长为808.7 nm,并于2014年对该结构进行优化,制备了单管发光直径为60 μm的VCSEL并组成2×2的列阵[25],在注入电流为110 A、重复频率为100 Hz时,获得最大峰值功率为30 W的输出,中心波长为808.38 nm。长春理工大学的Hao等[26]在2011年制备了出光直径为300 μm的808 nm VCSEL,最大连续输出功率为0.3 W,中心波长为803.3 nm,接着又在2015年制备了出光直径为500 μm的808 nm VCSEL[27],注入电流为1.3 A时,输出功率为0.42 W,中心波长为803.32 nm。国内在单管808 nm VCSEL的研究上具有一定进展,但是大尺寸、大功率的808 nm二维VCSEL阵列设计制造未见报道,制造工艺与国际同行尚有差距。
综上,随着国内外半导体激光器制造工艺的进步,808 nm VCSEL阵列正在朝着大尺寸、高峰值功率、高功率密度的方向发展,也将越来越适合用作全固态激光器的抽运光源,应用在科研和商业领域。
3 808 nm VCSEL阵列抽运的全固态激光器研究进展
3.1 VCSEL端面抽运的固态激光器研究进展
早期的808 nm VCSEL单管输出功率低,只有毫瓦量级,中心波长相对808 nm有所偏移,在抽运固态激光器方面常采用受激发射截面大、吸收谱线宽、激光阈值相对较低的掺钕钒酸钇(Nd∶YVO4)晶体作为增益介质[28],单管VCSEL发光直径通常只有10~50 μm,可用于端面抽运微片激光器。2001年,卡迪夫威尔士大学的Wu等[29]利用VCSEL端面抽运Nd∶YVO4微片晶体,实现了低阈值、高斯光斑输出,功率为8 μW。2002年,台湾交通大学的Lan等[30]使用同样的腔结构,实现了1.2 mW的TEM00基模激光输出,并发现VCSEL在较高注入电流下的中心波长会发生偏移,导致激光器输出功率下降。2013年,长春理工大学的Hao等[31]利用自主研制的大口径808 nm VCSEL端面抽运Nd∶GdVO4微片晶体,获得了峰值功率0.754 W的1064 nm激光输出。
随着Princeton Optronics公司在制造808 nm二维VCSEL阵列技术上的突破,一块5 mm×5 mm的二维VCSEL阵列可以实现百瓦级的功率输出,中心波长为808 nm,谱线宽度小于1 nm,非常适合于抽运机械特性好、导热率高、光学质量好的Nd∶YAG晶体。
图 1. 圆形VCSEL抽运模块的结构及特性。(a)抽运模块的结构及尺寸;(b)焊接在铜热沉上的抽运模块;(c)抽运模块的发光分布;(d)抽运模块的输出特性
Fig. 1. Structure and performance of circular VCSEL pump module. (a) Structure and dimension of pump module; (b) pump module mounted on Cu heat-sink; (c) light emission distribution of pump module; (d) output performance of pump module
在数学模型建立方面,曼尼托巴大学的Alimohammadian等[35]在2014年首次提出VCSEL阵列抽运的固态激光器理论模型,他们按照具体参数和能级速率方程建立了利用VCSEL阵列抽运的连续工作的固态激光器模型,其中808 nm VCSEL阵列使用的是Princeton Optronics公司提供的参数。在模型分析上,对比分析了Nd∶YAG和Nd∶YVO4分别作为增益介质的输出特性,得出了VCSEL阵列连续状态工作情况下,Nd∶YVO4晶体的工作效率要优于Nd∶YAG晶体的结论,具有一定的理论指导意义。
在实际应用方面, 匹兹堡大学的Li等[36]在2016年研究设计了一种VCSEL端面抽运的结构紧凑、可便携的主动调
图 2. 水冷VCSEL抽运的被动调Q激光器封装图
Fig. 2. Package drawing of water-cooled VCSEL-pumped passively Q-switched laser
808 nm VCSEL端面抽运的固态激光器因具有结构紧凑、可便携性好、线宽窄、光束质量好等优点而被广泛应用于激光测距仪、激光指示器、激光诱导击穿光谱、红外成像、医学美容等领域。单管VCSEL由于具有发光直径小、出射光斑为圆形的特性,可以采用透镜聚焦直接用于端面抽运微片激光器。未来随着VCSEL发光直径的增大,微片激光器的输出功率也将提高。而对于VCSEL阵列,每个发光单元的数值孔径约为0.15,直接使用透镜聚焦的效果差,不利于抽运增益介质。未来可利用VCSEL圆出射的特性,使用微透镜阵列对每个发光单元进行准直,更有利于对抽运光整形会聚,二维VCSEL阵列通过微透镜阵列耦合至光纤的示意图如
图 3. 二维VCSEL阵列通过微透镜阵列耦合至光纤的示意图
Fig. 3. Schematic of 2D VCSEL array coupled into fiber via microlens array
表 1. VCSEL阵列端面抽运固态激光器研究进展
Table 1. Research progress on VCSEL- array end-pumped solid-state lasers
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3.2 VCSEL阵列侧面抽运的固态激光器研究进展
VCSEL阵列侧面抽运的固态激光器,相比于端面抽运的固态激光器,由于抽运面积大,抽运方式简单,装配要求低,增益晶体散热快,因此可采用大功率VCSEL阵列作为抽运源,从而实现高峰值功率、大能量的激光输出。目前,主要是Princeton Optronics公司在参与相关研究,该公司利用在808 nm二维VCSEL阵列的制造优势,使用了12块3 mm×3 mm尺寸的VCSEL阵列组成了大功率抽运模块,抽运模块实物图如
图 4. 抽运模块实物图。 (a) VCSEL阵列安装在20 mm×20 mm微型冷却器组件上; (b)抽运模块发射的均匀抽运光
Fig. 4. Picture of pump module. (a) VCSEL array mounted on 20 mm×20 mm micro-cooler assembly; (b) uniform distribution of pump light from pump module
近年来,Princeton Optronics公司致力于使用VCSEL阵列侧面抽运结构实现高重复频率、大脉冲能量的蓝绿和紫外激光输出。他们利用
VCSEL阵列侧面抽运的固态激光器虽然光束质量不如端面抽运,但在实现大能量输出方面更有优势。但是,现阶段808 nm VCSEL阵列存在功率密度不够和峰值功率低的问题,一块5 mm×5 mm的VCSEL阵列峰值功率密度为4 kW·cm-2,而一块普通边发射二极管巴条的功率密度可达20 kW·cm-2,因此Princeton Optronics公司通过组合多块VCSEL阵列再经透镜会聚,提高了抽运模块的功率密度,但是未来还需提高单块VCSEL阵列的功率密度与峰值功率,以提高VCSEL侧面抽运的固态激光器的功率输出。
表 2. VCSEL阵列侧面抽运固态激光器研究进展
Table 2. Research progress on VCSEL-array side-pumped solid-state lasers
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3.3 可宽温度工作的VCSEL阵列抽运的固态激光器研究进展
半导体激光二极管抽运的固态激光器因具有结构紧凑、光束质量好、可靠性高等优点而被应用于激光测距、激光指示、激光雷达等领域。但在实际应用情形下,由于边发射二极管的抽运中心波长会随温度漂移,往往需要使用水冷和半导体制冷器(TEC)制冷等温控措施对抽运源精确控温,以获得稳定的激光输出。但是,这会导致固态激光器变得笨重,且无法应用于需要小型化、环境温度起伏较大的场合。研究人员通常采用多种波长激光二极管组合成抽运源[41],以及优化增益介质结构[42]等方法提升固态激光器对边发射激光二极管波长漂移的不敏感性,从而实现无温控措施在一定温度范围内稳定输出,但是这些方法提升了功耗,降低了抽运效率。而VCSEL的温漂系数一般为0.07 nm·℃1,因此对温控的精度和要求都不高,非常适合于抽运在宽温度范围工作的固态激光器[43]。
2013年,RDECOM CERDEC利用VCSEL端面抽运Nd∶YAG晶体,在10~60 ℃范围内实现了14~17 mJ的激光输出,但是在实现355 nm激光输出时,温度的变化会改变非线性晶体的折射率,因此会导致实现和频输出的相位匹配角发生失谐,在被动转动非线性晶体实现相位匹配后,可获得1.4 mJ的紫外激光稳定输出[44]。由于VCSEL可在高温环境中工作,2013年,印度理工学院的Wintner等[45]提出使用VCSEL阵列抽运的固态激光器制作激光火花塞用于发动机点火,不仅使用寿命长久,还可以克服在低温环境中发动机无法点火的困难。得益于VCSEL低廉的成本,这种激光火花塞未来可广泛应用于商业领域。2016年,Princeton Optronics公司发现808 nm VCSEL阵列的中心波长会随着温度的升高而产生红移;VCSEL的输出功率随着注入电流的升高而线性增大,但是,在注入电流过高时,VCSEL的输出功率增长平缓甚至下降;在工作温度升高时,VCSEL的输出功率会下降,VCSEL阵列在不同热沉温度下的输出特性如
图 5. VCSEL阵列在不同热沉温度下的输出特性。(a)输出功率随注入电流的变化曲线;(b)中心波长随注入电流的变化曲线
Fig. 5. Output performances of VCSEL array at different heat sink temperatures. (a) Output power as function of injection current; (b) central wavelength as function of injection current
中国科学院上海光学精密机械研究所也致力于研制可以在较宽温度范围内稳定工作的小型化固体激光器,以满足在空间环境应用的需求[46]。2013年,于真真等[47]利用VCSEL端面抽运Nd∶YAG晶体制作了15~35 ℃温度范围内稳定工作,可作为机载或者星载激光雷达的光源;2018年,陈思露等[48]采用VCSEL侧面抽运Nd∶YAG晶体结构,在VCSEL阵列后加装了微透镜阵列,使激光器实现了在9~17 ℃内无温控措施稳定工作,可应用于嫦娥探月工程和卫星探测;同年,白家荣等[49]使用TEC给VCSEL控温,采用侧面抽运Nd∶YAG晶体的结构,实现了-75~+40 ℃温度范围内稳定工作,并准备未来应用于火星探测器上。此外,日本的Institute for Molecular Science利用VCSEL端面抽运Nd∶YAG晶体,加入了微透镜阵列,在10~80 ℃范围内实现了脉冲能量大于1 mJ的激光输出[50]。
综上,808 nm VCSEL阵列抽运的固态激光器可以在一定的温度范围内实现无温控稳定工作,在未来的应用中需要注意以下几点:1) 可以利用注入电流改变VCSEL输出功率与温度对VCSEL输出功率的制约关系,寻求平衡函数,通过控制VCSEL工作电流使固态激光器在更宽的温度范围内工作。2) 可通过给VCSEL阵列加装微透镜阵列,降低温度对VCSEL发散角的影响,提高抽运效率的同时,也可提高激光输出的光束质量。3) 在实现紫外激光输出时,需要注意温度变化对非线性晶体折射率的影响,这会导致实现和频输出的相位匹配角发生失谐。目前通过被动转动非线性晶体的角度进行相位匹配,可以实现宽温度范围稳定工作,但是需手动调节,因此仍需改进。4) 由于VCSEL对温度不敏感,不需要非常精确的温控措施,因此可以采用风冷或TEC等简易温控措施,这样不仅可以提高其工作的温度范围,还可以使其更为轻便易携,从而广泛应用于温度复杂多变的环境。
表 3. 可宽温度范围工作的VCSEL阵列抽运的固态激光器研究进展
Table 3. Research progress on VCSEL-array-pumped solid-state lasers operating in wide temperature range
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4 结束语
对于采用808 nm VCSEL抽运的固态激光器,由于VCSEL具有低温漂且不会产生光学损伤的优点,可以长时间、宽温度范围稳定工作,因此得到了国内外众多科研单位的广泛研究。但是,808 nm VCSEL存在输出功率低、功率密度低等缺点,目前文献对于808 nm VCSEL抽运的固态激光器的优化,主要从3个方面着手:1) 将VCSEL组成二维阵列提高输出功率,目前输出功率可达到千瓦级;2) 加入微透镜阵列将VCSEL的输出光进行整形会聚以提高功率密度;3) 依据环境温度被动调节VCSEL的注入电流从而使固态激光器在更宽的温度范围内稳定工作。在技术层面,VCSEL抽运的固态激光器的发展主要受制于808 nm VCSEL技术的发展,未来可从3个方面进行提高:优化VCSEL芯片结构和有源区材料,以提高808 nm VCSEL的电光效率;提高VCSEL单晶的输出功率;提高VCSEL的集成化。随着国内外对于808 nm VCSEL优化设计的进行,VCSEL将越来越适合作为固态激光器的抽运源。在未来,采用VCSEL抽运的固态激光器在复杂的空间环境和苛刻的温度环境中将具有巨大的应用前景。
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TsunekaneM, TairaT. Compact and wide temperature acceptance of VCSEL-pumped micro-laser for laser ignition[C]∥Advanced Solid-State Lasers Congress, October 27- November 1, 2013, Paris, France. Washington D. C.: OSA, 2013: ATu3A. 58.
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刘芳华, 龚鑫, 张雅楠, 孟俊清, 陈卫标. 808 nm垂直腔面发射激光器阵列抽运的全固态激光器研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(12): 120001. Fanghua Liu, Xin Gong, Yanan Zhang, Junqing Meng, Weibiao Chen. Research Progress on 808 nm VCSEL-Array-Pumped Solid-State Lasers[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(12): 120001.
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