GaN基藍光可調諧外腔激光器

丁 源，柏 磊

(1.海軍裝備部駐揚州地區軍代室，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

隨著材料生長技術的發展和器件加工工藝的進步，高功率GaN基激光二極管(LD)目前已實現了商業化[1]，其波長可由紫外覆蓋至綠光波段。GaN基半導體激光器具有體積小、功率高、成本低等優點[2]。然而受制于此種激光器的Fabry-perot(FP)雙晶面結構和GaN半導體材料相對平坦的增益分布，導致其出射光譜較寬，且波長固定無法調諧，而目前很多領域中都需要用到這種短波長、窄脈寬的可調諧激光光源。根據郎佳紅等人[3]的研究表明，大容量全息數據存儲在使用400～430 nm波長的可調諧激光器時性能最佳；I.Courtillot等人[4]在2003年通過混頻產生461 nm的窄脈寬藍光激光光源，并將其用于激光冷卻技術；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全固態激光器混頻，產生226.8 mn的深紫外激光，并應用于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的可調諧激光器和BBO晶體實現光學倍頻，獲得波長222.5 nm的深紫外激光光源；

目前，實現上述工作模式的方法一般有2種。其一，在半導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諧波長、窄線寬和高輸出功率的發光特性。但受限于制造工藝的復雜性，此類GaN基LD目前仍在研發中，尚未商業化。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元件組成外腔實現光反饋，不僅能夠實現波長可調諧，還能有效壓窄LD的本征線寬。為了實現該類光柵耦合的外腔激光器(ECDL)，科研人員做了大量的工作。半導體外腔激光器包含2種結構：Littrow構型[9]和Littman構型[10]。從提出Littrow外腔結構和Littman外腔結構至今，基于這2種構型的外腔半導體激光器層出不窮。Dijun Chen等人搭建Littman構型外腔，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結構的GaN基藍光激光器的相關特性。而關于藍光波段的GaN基Littman型ECDL報道目前較少。

本文利用商業化的高功率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449.7 nm～457.57 nm的7.8 nm調諧波長范圍。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基半導體增益器件、非球面準直鏡、閃耀光柵、鍍膜反射鏡等光學元件構建Littman結構光柵外腔激光器。

圖1 Littman結構示意圖

實驗中使用增益器件是一種商用的高功率GaN基LD，發射波長約為450 nm(Nichia)。根據顯微鏡下的觀察，增益條紋寬度約為130 μm，厚度約為1 μm。使用時，將該LD安裝在銅質基座上，并用TEC制冷裝置將工作溫度控制在20 ℃以內，在連續波工作模式下，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，通過這種方式實現線寬壓窄。在littman結構中，增益器件的本征光束經由閃耀光柵衍射后，其一級衍射光由反射鏡反射回光柵，實現二次衍射，二次衍射產生的一級衍射光束由非球面鏡聚焦后反饋回增益器件，通過調節反射鏡角度，可以改變反饋光波長，從而實現輸出波長可調諧。

2 結果和討論

實驗前，我們先對自由運轉LD的發光特性進行了表征。圖2為自由運轉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，從測試數據可以看出，外腔激光器的閾值電流，相較于自由運轉增益器件減少了約40 mA，這是因為外部光反饋降低了原本增益器件內腔的損耗。當輸出波長為454 nm時，外腔激光器的閾值電流最小為279 mA，與自由運轉增益器件的光譜峰值對應，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，實現了外腔波長可調諧激光輸出，尤其在本征波長中心位置附近，外腔激光器的自發輻射抑制比大于35 dB。當注入電流為360 mA時，可調諧波長最寬，這是因為此時電流在閾值附近，增益器件尚未激射，內腔自發輻射對光柵外腔的影響較小。當注入電流大于閾值后，增益器件自身內腔激射，到可調諧波長范圍邊緣時，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，光譜的峰值出現紅移，這是因為在大電流工作狀態下，工作介質溫度升高，半導體介質受到熱效應和帶內填充效應的影響發生光譜紅移現象。

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，FWHM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下，外腔仍能保持較好的波長選擇特性。

圖4 不同調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諧波長與輸出功率的關系。如圖5所示，當注入電流為360 mA時，輸出光波長可由449.7 nm調諧至457.5 nm，調諧范圍為7.8 nm，此時工作電流剛好在自由運轉增益器件的閾值附近；當電流增加到500 mA時，受增益器件本征光影響，調諧范圍從7.8 nm減小至3.4 nm；持續增加電流至1 000 mA，波長由453 nm到455.8 nm可調，可調諧范圍2.8 nm；當電流增加到1 500 mA時，可調諧范圍為3.1 nm，當輸出波長為455.6 nm時，有最大輸出功率643 mW。結合圖3的光譜圖可以看出，部分輸出光并不是單一波長，尤其在可調諧波長范圍邊緣，內腔自激明顯。為準確統計實際有效光功率，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，越接近可調諧范圍邊緣，自發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諧波長與輸出功率的關系

3 結束語

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發射孔徑進行波長選擇，實現了寬波長調諧范圍和窄線寬的激光輸出。在1 500 mA的注入電流下，通過旋轉平面反射鏡的角度，實現了波長從454.3 nm到457.4 nm可調諧，最大輸出功率可達643 mW。光譜測量結果表明，此時激光線寬約為0.06 nm，中心波長處放大自發輻射抑制比大于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據存儲、激光冷卻、氣體測量和光學倍頻等領域具備廣闊的應用前景。