高轉(zhuǎn)換效率腔內(nèi)倍頻外腔面發(fā)射藍光激光器*

伍亞東 朱仁江? 晏日 彭雪芳 王濤 蔣麗丹 佟存柱 宋晏蓉 張鵬

1) (重慶師范大學物理與電子工程學院,重慶 401331)

2) (中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,長春 130033)

3) (北京工業(yè)大學理學部,北京 100124)

4) (重慶師范大學重慶國家應(yīng)用數(shù)學中心,重慶 401331)

1 引言

藍色激光是激光顯示所需的三原色之一,在激光電視、激光投影和激光照明等領(lǐng)域均存在重要的應(yīng)用[1].藍色波段也是激光水下傳輸?shù)拇翱?在水下激光通信、海洋資源勘探和地質(zhì)風險預(yù)測等方面可發(fā)揮重要作用[2].藍光激光還是有色金屬加工中最為理想的激光光源,在集成電路工藝、新能源電池生產(chǎn)和激光增材制造等諸多方面都具有極其廣闊的應(yīng)用前景[3–5].

目前獲得藍色激光的方式,大致有以下幾種:氣體激光器,如氦鎘激光器可產(chǎn)生441 nm 波長、氬離子激光器能發(fā)射488 nm 波長的藍光.氣體激光器的不足之處是設(shè)備體積龐大,功耗也非常大,激光器的效率和輸出功率都不高.倍頻固體激光器,如Nd:YAG 的946 nm,Nd:YVO4的914 nm,Nd:Gd VO4的912 nm 等譜線,都可以經(jīng)過倍頻后獲得藍色波段激光[6].上述固體激光器中可用于倍頻產(chǎn)生藍光的譜線不僅數(shù)量有限,而且大都屬于準三能級系統(tǒng)躍遷譜線,其發(fā)光效率較低,導(dǎo)致藍光的輸出功率不高.又因為還要抑制激活離子的其他高增益的譜線,因而激光器本身結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜,成本居高不下.

半導(dǎo)體激光器是比較理想的產(chǎn)生藍色激光的光源,GaN 或InGaN 等氮化物半導(dǎo)體材料可輻射波長在400—480 nm 范圍的藍光[7–9].這些直接發(fā)射的藍光半導(dǎo)體激光器,如果采用邊發(fā)射形式,其光束質(zhì)量很差;如果采用面發(fā)射形式,則很小的模式體積會限制其輸出功率.無論是哪種形式的氮化物半導(dǎo)體藍光激光器,材料外延生長的難度都使得它們目前的輸出功率偏小.當然也可以用近紅外波段的半導(dǎo)體激光器通過倍頻來實現(xiàn)藍光.Kozlovsky 等[10]利用KNbO3作為倍頻晶體,通過對GaAlAs 半導(dǎo)體激光器二極管的直接倍頻,產(chǎn)生了41 mW 的428 nm 藍 光.Ye 等[11]采 用PPLN 作為頻率轉(zhuǎn)換晶體,對半導(dǎo)體激光器直接倍頻獲得了14.8 mW 的488 nm 藍光輸出.隨后,董景星等[12]將上述藍光功率提升到20 mW.王旭葆等[13]則采用LBO 作為非線性晶體,直接倍頻半導(dǎo)體激光器輸出了25 mW 的488 nm 藍光.但在上述方案中,半導(dǎo)體激光器很差的光束質(zhì)量和大的光譜線寬,使得倍頻效率很低,倍頻激光的輸出功率處于mW-量級;此外,一般還需要對半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量進行整形,結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜,不大適合于需要較高功率的實際應(yīng)用.

光泵浦外腔面發(fā)射激光器(vertical-externalcavity surface-emitting laser,VECSEL),又稱半導(dǎo)體碟片激光器(semiconductor disk laser,SDL),結(jié)合了面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和固體碟片激光器兩者的優(yōu)點,能同時獲得高的輸出功率和良好的光束質(zhì)量,且其發(fā)射波長可以根據(jù)應(yīng)用場景的需要來進行設(shè)計,近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注[14,15].

因為具備良好的光束質(zhì)量和很高的腔內(nèi)循環(huán)功率,所以VECSEL 特別適合于腔內(nèi)倍頻產(chǎn)生二次諧波.利用近紅外波段的VECSEL,結(jié)合腔內(nèi)倍頻,即可產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的藍色波段激光.在VECSEL 提出之初,Raymond 等[16]即用一塊帶凸面的KNbO3非線性晶體,在980 nm 波長VECSEL 中用腔內(nèi)倍頻獲得了5 mW 的490 nm藍光.隨后,Fan 等[17]研究了有望取代488 nm 氬離子激光器的腔內(nèi)倍頻VECSEL,980 nm 的基頻光通過雙折射濾波片(birefringent filter,BRF)的調(diào)諧,經(jīng)過LBO 晶體倍頻,最后獲得了1.3 W 功率的488 nm 藍光輸出.Kim 等[18]研究了可用于激光顯示的腔內(nèi)倍頻VECSEL,依然是用LBO 作為非線性晶體,實驗產(chǎn)生了1.4 W 的460 nm 藍色激光.Tinsley 等[19]則探索了窄線寬的腔內(nèi)倍頻VECSEL,用LBO 進行頻率轉(zhuǎn)換,實驗獲得了輸出功率超過1 W 的457.75 nm 和460.86 nm 藍光,可用于鍶和鎘的原子冷卻與俘獲.此外,Hein 等[20]在提高腔內(nèi)倍頻藍光VECSEL 的效率方面做了較好的工作,獲得了泵浦光到倍頻光的光-光轉(zhuǎn)換效率為14.5%的460 nm 藍光VECSEL.Casel 等[21]研究了鎖模運轉(zhuǎn)的腔內(nèi)倍頻VECSEL,實驗輸出脈沖寬度5.8 ps,重復(fù)頻率1.88 GHz 的489 nm 藍光.Gray 等[22]則嘗試了用周期極化MgO:PPLN-晶體在VECSEL 中產(chǎn)生藍光.迄今為止,在藍色波段通過腔內(nèi)倍頻VECSEL 獲得的最高輸出功率是Chilla 等[23]報道的10 ℃下15 W 的488 nm藍光和20 ℃下5 W 的460 nm 藍光.就頻率轉(zhuǎn)換藍光VECSEL 的倍頻轉(zhuǎn)換效率而言,在480 nm波段,文獻[18]的轉(zhuǎn)換效率為21.9%,文獻[20]中的倍頻轉(zhuǎn)換效率為30%,文獻[19]的轉(zhuǎn)換效率達到55%.轉(zhuǎn)換效率最高的是文獻[23]中展示的結(jié)果,即55.6%.

在上述報道的藍光VECSEL 中,除了相干公司的結(jié)果外,其他的輸出功率普遍不高.本文用LBO 作為非線性晶體,從非線性晶體長度、基頻激光的線寬、倍頻走離角的補償?shù)确矫嫒胧?較為全面地對腔內(nèi)倍頻VECSEL 的輸出特性進行實驗研究,以尋找較為合理的提高腔內(nèi)倍頻VECSEL 的轉(zhuǎn)換效率的途徑,得到高的藍光輸出功率,從而可以滿足實際應(yīng)用場景的需要,進一步拓展藍光VECSEL 的應(yīng)用范圍.

2 實驗裝置

實驗中VECSEL 增益芯片的外延結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,外延片整體上采用逆序生長.首先在GaAs 襯底上生長一層高Al 組分的AlGaAs,作為刻蝕阻擋層.之后是GaAs 保護層和高Al 組分的AlGaAs 窗口層.接下來為增益芯片的有源區(qū),包含12 個8 nm 厚的InGaAs/GaAsP 量子阱,其中GaAsP 層既是量子阱的勢壘層,同時也起到應(yīng)力補償?shù)淖饔?然后生長的部分是高反射率的分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR),由30 對交替的GaAs/AlGaAs 層構(gòu)成,每層材料的光學厚度均為激光波長的1/4.最后的外延片結(jié)束層是GaAs.有源區(qū)多量子阱的熒光峰值波長設(shè)計值為980 nm.DBR的中心波長設(shè)計值也為980 nm,其反射譜的帶寬設(shè)計值為100 nm.

圖1 (a)倍頻藍光VECSEL 的光路圖及增益芯片的外延結(jié)構(gòu)簡圖;(b)倍頻藍光的實物裝置圖Fig.1.(a) Schematics of the frequency-doubled blue VECSEL and the sketch of the epitaxial structure of the gain chip;(b) setup of the frequency-doubled blue VECSEL.

完成了生長的外延片被劃分為4 mm×4 mm的小塊,并對外延結(jié)束面做金屬化處理,然后鍵合在一塊5 mm×5 mm×1 mm 的金剛石熱沉上,再焊接在通有冷卻水的銅塊上面.圖1(a)是腔內(nèi)倍頻VECSEL 實驗的光路圖,實驗裝置的實物圖如圖1(b)所示.泵浦源為一臺最大輸出功率為53 W 的光纖耦合輸出808 nm 半導(dǎo)體激光器,光纖的芯徑為400 μm.泵浦光通過準直后聚焦在增益芯片上,入射光與芯片表面法線夾角約30°.因為增益芯片表面未作任何鍍膜處理,所以傾斜入射的泵浦光約有30%被反射,不能被芯片吸收利用.激光諧振腔的兩個端鏡為增益芯片底部的DBR 和后端反射鏡M2.折疊鏡M1 曲率半徑為100 mm,鍍有對980 nm 高反射率和490 nm 高透過率的膜層,完成頻率轉(zhuǎn)換后的藍光在此輸出.后端反射鏡M2 曲率半徑為50 mm,鍍有對980 nm 和490 nm高反射率的膜層.諧振腔中包含增益芯片的一臂長度為260 mm,包含倍頻晶體的一臂長度為110 mm,這樣的腔長設(shè)計是為了在非線性晶體上獲得更小的激光束腰,束腰的直徑大約為40 μm.折疊腔的折疊角控制在約10°以內(nèi),以避免帶來像散,引起光束質(zhì)量的劣化.布儒斯特角放置在諧振腔中的雙折射濾光片BRF 能把基頻激光變?yōu)榫€偏振光,同時起到一定程度壓窄基頻激光線寬的作用.非線性晶體LBO 采用I 類相位匹配方式,并置于M1和M2 之間的光腰處.

3 結(jié)果與討論

首先測試VECSEL 激光增益芯片的基礎(chǔ)特性,結(jié)果如圖2 所示.可以看出,BDR 的反射譜中心波長位于975 nm,其反射率在95%以上的反射譜寬度約為75 nm,與設(shè)計值較接近,能夠較好地作為構(gòu)成激光器諧振腔所需的一個高反射率的端鏡.由圖2 給出的不同吸收泵浦功率下增益芯片的熒光譜可知,熒光峰值波長隨泵浦功率的紅移速率約為0.036 nm/W.當芯片吸收的泵浦功率為30 W 時,其峰 值波長已經(jīng)紅移 了約0.9 nm,而GaAs 系材料的發(fā)光波長隨溫度紅移的速率大約為0.3 nm/K,由此可以推知,30 W 泵浦功率下,激光增益芯片內(nèi)部的溫度僅上升了約3 K,表明芯片散熱性能良好.

圖2 DBR 的反射譜及其熒光特性圖Fig.2.Reflectivity of DBR and the photoluminescence of the gain chip.

LBO 晶體在160—2600 nm 波長范圍內(nèi)都具備良好的透光性能,是被廣泛用于近紅外波段的性能優(yōu)良的二倍角及三倍頻晶體.最重要的是,對于I 類相位匹配,其在976 nm 到488 nm 的倍頻過程中,其走離角為10.02 mrad,大約只有BBO(58.86 mrad)的1/6;同時,LBO 的可接受角和可接受線寬分別為6.09 mrad·cm 和52.40 cm–1·cm,約是BBO(分別為1.01 mrad·cm 和30.17 cm–1·cm)的6 倍和2 倍.因此LBO 特別適合于VECSEL 這種線寬偏大的半導(dǎo)體激光器的倍頻過程.

接下來研究I 類相位匹配條件下,不同LBO晶體長度對倍頻VECSEL 藍光輸出功率的影響作用.為了對比討論,實驗中特意使穿過晶體的基頻激光的束腰大小基本保持不變,選用的晶體長度則分別為5,10,15 和20 mm.圖3 為實驗所得的不同晶體長度下倍頻藍光的輸出功率曲線,當環(huán)境溫度為15 ℃,晶體長度為5 mm,吸收泵浦功率為37 W 時(對應(yīng)泵浦源的最大輸出功率53 W),獲得的藍光輸出功率最大為6.06 W,波長為491 nm.藍光的光束質(zhì)量M2因子在x和y方向都是1.08,表明其優(yōu)良的光束質(zhì)量.需要指出的是,在最大藍光輸出功率時,激光器仍未出現(xiàn)熱反轉(zhuǎn).

圖3 不同LBO 長度對應(yīng)倍頻激光輸出功率曲線圖.左上插圖為藍光光束質(zhì)量M 2 因子,右下插圖是倍頻藍光的光譜Fig.3.Blue output powers of the lasers with different LBO length.The insert in top left is the M 2 factor and the insert in low right is the spectrum of the blue laser.

在非線性頻率變換理論中,對于波長為λ,光束束腰為ω 的入射光束,當其在非線性晶體中的走離角為ρ 時,晶體的最大作用長度為[24]

實驗中使用的光束束腰約為40 μm,所用非線性晶體LBO 在980 nm 處的走離角為10.02 mrad,由此得到LBO 晶體的最佳長度約為7 mm.實驗中5 mm 長的晶體取得了最好的藍光輸出功率,這與理論估算基本相符.

鑒于倍頻轉(zhuǎn)換效率與基頻激光的線寬有關(guān),在I 類相位匹配實驗中,采用不同厚度d的BRF,以獲得不同的基頻線寬.圖4 顯示了不同BRF 厚度下,在環(huán)境溫度為15 ℃,LBO 晶體長度為5 mm時,倍頻藍光VECSEL 所輸出的功率曲線.不同厚度BRF 所產(chǎn)生的基頻激光的光譜寬度也作為內(nèi)插圖展示在圖中.理論上講,厚度越大的BRF 所產(chǎn)生的基頻激光線寬越小,即通過BRF 的基頻激光的線寬為

圖4 不同BRF 厚度對應(yīng)的倍頻藍光輸出功率曲線圖.插圖為不同厚度BRF 對應(yīng)的基頻激光線寬Fig.4.Blue output powers of the lasers with different BRF thickness.The insert is the linewidth of the fundamental laser with different BRF thickness.

其中,no和ne分別為BRF 尋常光和非尋常光的折射率.基頻激光線寬越小,倍頻效率則越高,輸出藍光功率也就越大.但考慮到越厚的BRF 帶來的吸收損耗也勢必越大,它又會減小藍光的輸出功率,因而BRF 的厚度存在可優(yōu)化的數(shù)值.從圖4來看,倍頻VECEL 所使用的BRF 的厚度約為1 mm 時,藍光的輸出功率最大.

在LBO 的I 類相位匹配中,晶體內(nèi)不同偏振態(tài)的兩束激光之間存在走離效應(yīng)[25].實驗采用980—490 nm 的LBO 晶體I 類相位匹配(o+o→e),晶體切割角θ=16.9°,φ=90°時,基頻激光正入射情況下,980 nm 基頻光為o 光,490 nm 倍頻光為e 光,兩者在晶體中的走離角為10.02 mrad.這一定程度上會降低從基頻激光到倍頻激光的轉(zhuǎn)換效率,因為當基頻光與倍頻光因走離而相互錯開后,新產(chǎn)生的倍頻光將不再與之前的倍頻光進行相干疊加,從而也就影響到了非線性晶體的轉(zhuǎn)換效率.

從圖5 中的插圖可以看出,在兩束不同偏振態(tài)的激光之間相互交疊的部分,從基頻光轉(zhuǎn)變而來的倍頻光可以進行相干疊加.當兩束光完全走離時,上述相干疊加將不復(fù)存在.如前所述,由于走離效應(yīng)的限制,實驗中所用LBO 晶體的最大相互作用長度約為7 mm.

圖5 10 mm LBO 與5 mm+5 mm LBO 對應(yīng)的倍頻藍光輸出功率曲線圖.插圖為走離角及其補償示意圖Fig.5.Blue output powers of the lasers with 10 mm length LBO and 5 mm+5 mm length LBO.The insert is the schematics of walk-off angle and its compensation.

當選用LBO 長度為10 mm 時,基頻o 光和倍頻e 光之間的走離效應(yīng)將會限制倍頻藍光的輸出功率.實驗中采用兩塊對稱放置的5 mm 長LBO 晶體代替10 mm 長度LBO,對晶體中基頻o 光和倍頻e 光之間的走離角進行補償,如圖5 中的插圖所示.所得到的藍光輸出功率如圖5 所示,與沒有走離角補償?shù)那闆r相比,經(jīng)過走離角補償后的倍頻藍光的輸出功率有明顯的改善.

圖6 為沒有放置非線性晶體LBO 時基頻激光的輸出功率與實驗所得的最大倍頻藍光功率(即LBO 長度為5 mm,BRF 厚度為1 mm 條件下的藍光功率).由圖可知,當環(huán)境溫度為15 ℃時,基頻VECSEL 激光的閾值為5 W,斜效率為30.6%.倍頻激光的斜效率為16.3%.在吸收泵浦功率為最大值37 W 時,基頻激光輸出功率為9.63 W,倍頻藍光輸出功率為6.06 W,對應(yīng)的倍頻轉(zhuǎn)換效率為63%.上述基頻激光及倍頻藍光的輸出功率均受限于實驗中所用泵浦源的最大輸出功率.

圖6 基頻VECSEL 與倍頻藍光VECSEL 功率對比曲線Fig.6.Output powers of the fundamental VECSEL versus the frequency doubled VECSEL.

4 結(jié)論

本文研究了非線性晶體長度、基頻激光線寬、倍頻激光走離角等不同因素對腔內(nèi)倍頻藍光VECSEL 輸出功率的影響作用.結(jié)果表明,考慮到基頻激光與倍頻藍光之間的走離效應(yīng),非線性晶體的長度存在一個最佳值;當選用晶體長度超過其最佳值時,則可用兩塊對稱放置的相同晶體,對走離角進行一定程度的補償.對用于產(chǎn)生線偏振光的BRF,它在對基頻激光線寬進行壓窄的同時,又存在腔內(nèi)吸收損耗,因而其厚度也存在一個折衷的數(shù)值.實驗選用了LBO 的I 類相位匹配,當LBO 晶體長度為5 mm,BRF 厚度為1 mm 時,在環(huán)境溫度為15 ℃,吸收泵浦功率為37 W 時,獲得的倍頻藍光輸出功率超過6 W,倍頻轉(zhuǎn)換效率為63%,藍光的光束質(zhì)量M2因子在x方向和y方向上都是1.08.上述藍光的輸出功率受限于實驗所使用的泵浦源的最大輸出功率.這種高轉(zhuǎn)換效率的高功率、高光束質(zhì)量腔內(nèi)倍頻藍光VECSEL 具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊,輸出性能穩(wěn)定,光束質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點,其發(fā)射波長還可以根據(jù)實際應(yīng)用場景的需要進行設(shè)計,在流式細胞儀等生物檢測、熒光激發(fā)、DNA 排序及成像等許多方面存在極大的應(yīng)用價值.