體布拉格光柵外腔倍頻半導(dǎo)體激光器研究

摘要：為提高綠光激光器的輸出特性，設(shè)計了一種體布拉格光柵外腔倍頻半導(dǎo)體激光器。采用反射型體布拉格光柵作為反饋元件構(gòu)成外腔半導(dǎo)體激光器，并使用三硼酸鋰晶體進(jìn)行倍頻，研究了基頻光的光束及光譜特性對倍頻光的光束及光譜特性的影響。實驗結(jié)果表明，使用體布拉格光柵進(jìn)行外腔鎖波時，所得到的倍頻光同樣能實現(xiàn)窄帶寬輸出，同時倍頻光的遠(yuǎn)場分布與基頻光的遠(yuǎn)場分布一致。使用衍射效率為10% 的體布拉格光柵作為外腔輸出鏡，可將半導(dǎo)體激光器的輸出波長穩(wěn)定鎖定在1064nm，所得到的倍頻光波長穩(wěn)定在532nm 附近，光譜線寬壓縮至0.4nm 左右，輸出功率可達(dá)73mW。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；綠光；體布拉格光柵；倍頻

中圖分類號：TN248.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on volume Bragg grating external cavity second harmonic generation semiconductor laser

LIU Rongzhan

（Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co.， Ltd.， Wuhan430000， China）

Abstract： To improve the output characteristics of green light lasers， a volume Bragg grating external cavity second harmonic generation semiconductor laser is designed. A reflective volume Bragg grating was used as a feedback element to construct an external cavity semiconductor laser，and a lithium triborate crystal was used for second harmonic generation. The influence of the beam and spectral characteristics of the fundamental frequency light on the beam and spectral characteristics of the frequency doubling light was studied. The experimental results showed that when volume Bragg grating for external cavity mode locking was used， the obtained second harmonic generation also could achieve narrow bandwidth output， and the far field distribution of second harmonic generation was consistent with that of fundamental frequency light. A volume Bragg grating with a diffraction efficiency of10% was used as an external cavity output mirror. The output wavelength of the semiconductor laser could be stably locked at1064nm. The obtained second harmonic generation wavelength could be stabilized around532nm. The spectral linewidth was compressed to about0.4nm， and the output power could reach73mW.

Keywords： semiconductor laser；green light；volume Bragg grating；second harmonic

引 言

近年來，由于光電器件相關(guān)的材料以及外延設(shè)備、技術(shù)的蓬勃發(fā)展，半導(dǎo)體激光器也得到了迅猛發(fā)展，尤其是用于工業(yè)加工以及泵浦的半導(dǎo)體激光器，其商用單芯片輸出功率已突破50W。

相比于大批量商用的近紅外波段的半導(dǎo)體激光器，可見光波段的半導(dǎo)體激光器發(fā)展非常緩慢，特別是對于激光顯示等所需的綠光半導(dǎo)體激光器，其亮度和穩(wěn)定性仍存在較大的挑戰(zhàn)[1-3]。

從上世紀(jì)末起，綠光半導(dǎo)體激光器的研究工作開始逐步展開，許多學(xué)者對綠光半導(dǎo)體激光器都做了相關(guān)研究工作[4-11]。2010年，Sizov 等[12]實現(xiàn)了中心波長為520nm，輸出功率為15mW的綠光半導(dǎo)體激光器。2011，Sizov 等[13] 又實現(xiàn)了輸出功率為20mW 的綠光半導(dǎo)體激光器。2012年，Avramescu 等[14] 報道了使用壽命達(dá)10000h以上的綠光半導(dǎo)體激光器，其中心波長為519nm，最大輸出功率大于100mW。2017年，Tian 等[15]通過 InGaN/GaN 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了綠光單管輸出，其功率可為58mW。綠光作為光的三原色之一，在激光顯示應(yīng)用中的作用變得極為重要，另外在工業(yè)精密加工、激光醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域也有著潛在應(yīng)用前景[16]。傳統(tǒng)的綠光半導(dǎo)體激光器以GaN 襯底為基礎(chǔ)進(jìn)行外延生長，芯片以 TO結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，然而由于芯片外延工藝的復(fù)雜性，綠光半導(dǎo)體激光器的光譜特性和光束特性均較差，無法適用于高光束質(zhì)量、高亮度以及高色彩飽和度要求的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種體布拉格光柵外腔鎖波倍頻半導(dǎo)體激光器，研究了基頻光特性對倍頻光的影響，通過對基頻光的調(diào)制得到窄線寬輸出的倍頻光。

1

體布拉格光柵外腔倍頻半導(dǎo)體激光器

1.1

實驗原理

體布拉格光柵（volume Bragg grating，VBG）是一種通過紫外曝光和熱處理的方式，在特種光敏玻璃內(nèi)形成周期性折射率變化結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件，其具有一定的波長選擇性和角度選擇性。當(dāng)半導(dǎo)體激光器出射光經(jīng)過體布拉格光柵時，不滿足光柵波長選擇性和角度選擇性的光會直接透射出光柵，而滿足相應(yīng)條件的光則會被反饋回發(fā)光區(qū)形成外腔結(jié)構(gòu)振蕩，實現(xiàn)器件鎖波。體布拉格光柵的衍射光由衍射方程決定[17]

式中：θ 是光入射到光柵的角度； 是反饋光波長；Λ 是光柵周期；n 是光柵的平均折射率。由此可知，當(dāng)出射光滿足體布拉格光柵的角度條件時，只有一個波長會被反饋回發(fā)光區(qū)。

1.2

體布拉格光柵外腔倍頻半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

實驗采用寬條形半導(dǎo)體激光器，發(fā)光區(qū)寬度為100μm。經(jīng)測試，出射光波長在1064nm左右，連續(xù)輸出功率在5W 以上，溫漂約為0.7nm/℃，快慢軸發(fā)散角為40°×10°。使用焦距為0.36mm 的非球面平凸透鏡作為快軸準(zhǔn)直透鏡（fast axis collimator，F(xiàn)AC）。使用焦距為9mm的球面平凸透鏡作為慢軸準(zhǔn)直透鏡（slow axis collimator，SAC）。使用反射式體布拉格光柵作為外腔反饋輸出鏡，波長鎖定在1064nm 左右，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。倍頻晶體采用三硼酸鋰（lithium triborate，LBO）晶體，選用Ⅰ類相位匹配，切割角（θ， φ）為（90°，11.2°），尺寸3.0mm ×3.0mm ×6.0mm，兩端鍍雙波長增透膜（透射率＞99.5％＠1064nm +532nm）。半導(dǎo)體激光器使用半導(dǎo)體制冷片（thermoelectric cooler，TEC）溫度控制器對器件的工作溫度進(jìn)行控制。TEC 控制器的溫度控制精度為 ±0.1℃。基頻光和倍頻光經(jīng)過濾光片后分離，使用光纖光譜儀和光束質(zhì)量分析儀測量倍頻光的特征。

體布拉格光柵可將滿足布拉格選擇條件的光束反饋回芯片有源區(qū)，從而實現(xiàn)特定波長的選擇和鎖定。如圖1所示，鎖波后的光束經(jīng)過 LBO倍頻晶體倍頻，出現(xiàn)532nm 的倍頻光，在經(jīng)過分光片時將532nm 的倍頻光分離出去。通過使用不同衍射帶寬的 VBG 進(jìn)行外腔鎖波，分析體布拉格光柵外腔鎖波下的倍頻光特性，研究體布拉格光柵外腔鎖波下的基頻光的光譜與光場特性對倍頻光的光譜與光場分布的影響。

2

實驗結(jié)果與討論

2.1

自由出射半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器的輸出功率以及光譜會隨著溫度以及電流的變化而變化。圖2和圖3分別為半導(dǎo)體激光器在不同溫度以及不同電流下自由出射時的功率特性和光譜特性。

如圖2所示，隨著電流的增加輸出功率逐漸上升，當(dāng) TEC 溫度為28℃ 時，7A 電流下的輸出功率達(dá)到5.23W。隨著 TEC 溫度的升高，輸出功率逐漸衰減，在7A 電流下，當(dāng) TEC 溫度為34℃ 時的輸出功率為5.13W。圖3為7A 時不同溫度下的光譜分布，結(jié)果顯示峰值波長隨工作溫度的增加發(fā)生紅移，移動量約為0.7nm/℃，這是因為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度隨工作溫度的變化而變小，導(dǎo)致波長向長波方向移動。如圖4所示，自由出射時的光譜半高寬較大，約為5nm，且隨著工作電流的增加而增加，工作電流每增加1A，光譜半高寬增加量為1～2nm。

為研究溫度對半導(dǎo)體激光器光場分布的影響，使用 FAC 和 SAC 對輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直，然后用光束分析儀對輸出光進(jìn)行測試分析。圖5為自由輸出半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場光場分布，結(jié)果表明，隨著器件溫度的增加，同樣電流下輸出光的光場分布并未發(fā)生明顯變化，說明溫度對光場分布的影響要弱于其對功率和光譜的影響。

為研究半導(dǎo)體激光器的倍頻特性，采用LBO 晶體進(jìn)行腔外倍頻。半導(dǎo)體激光器輸出的基頻光在準(zhǔn)直后，經(jīng)過晶體倍頻得到532nm 的倍頻光。如圖6所示，隨著器件工作溫度的升高，倍頻光的輸出功率隨之下降，這是因為器件溫度的升高使得基頻光的輸出功率衰減，從而導(dǎo)致倍頻光的功率同步衰減。圖7為7A 電流時不同溫度下的倍頻光光譜分布，結(jié)果顯示峰值波長隨器件工作溫度的增加發(fā)生紅移，移動量約為0.33nm/℃，這是因為器件溫度升高導(dǎo)致基頻光發(fā)生紅移，而倍頻光會隨著基頻光的紅移也發(fā)生紅移。圖8為28℃ 溫度下的倍頻光譜特性，結(jié)果顯示隨著電流的增加，倍頻光的半高寬同步發(fā)生展寬。當(dāng)輸出電流為7A 時，倍頻光的半高寬約為4nm。

器件工作溫度對倍頻光的遠(yuǎn)場光場分布影響較小，不同溫度下倍頻光的光場分布與基頻光的光場分布基本一致。因此認(rèn)為，倍頻晶體僅改變基頻光的頻率，而不改變由基頻光所產(chǎn)生的倍頻光的遠(yuǎn)場分布。

2.2

衍射帶寬0.3nm 體布拉格光柵外腔鎖波倍頻半導(dǎo)體激光器

反射式體布拉格光柵可將滿足布拉格條件波長的光反饋回芯片有源區(qū)。反饋光影響有源區(qū)內(nèi)的模式競爭，使布拉格波長的光損耗較小，并可以優(yōu)先達(dá)到閾值輸出，表現(xiàn)為器件只輸出該單一波長的光束，從而實現(xiàn)外腔結(jié)構(gòu)對波長的鎖定，且鎖定后隨著器件溫度和電流的增加波長偏移量極小。

使用衍射效率為10%，衍射帶寬為0.3nm的體布拉格光柵做為外腔輸出鏡，對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鎖波。如圖9所示，在28℃ 的工作溫度下，7A 的輸出功率達(dá)到5.03W。圖10為不同溫度下鎖波后的光譜分布，可以看出峰值波長穩(wěn)定鎖定在1064nm 附近，鎖波后帶寬約為0.3nm，其溫漂系數(shù)約為0.014nm/℃，波長穩(wěn)定性提高了約47倍。說明體布拉格光柵將滿足布拉格衍射條件的反饋光反饋回芯片有源區(qū)，而反饋過程中的透鏡吸收損耗、透鏡準(zhǔn)直損耗以及芯片波導(dǎo)損耗是造成激光功率下降的因素。

圖11為0.3nm 體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場光場分布，可以看出與圖5自由輸出時的遠(yuǎn)場光場分布相比，體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器的光斑在快、慢軸兩個方向并未發(fā)生展寬，說明快、慢軸準(zhǔn)直透鏡將芯片發(fā)散角度控制在體布拉格光柵的布拉格角度范圍以內(nèi)，實現(xiàn)了更高效的反饋。同時，隨著器件工作溫度的增加，體布拉格光柵外腔鎖波下的半導(dǎo)體激光器光場分布差異較小，說明遠(yuǎn)場分布對溫度的敏感性較小。

如圖12所示，隨著器件溫度的增加，體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器的倍頻光功率出現(xiàn)減小，當(dāng)工作溫度由28℃ 升高至34℃ 時，7A 電流下的倍頻光功率從71mW 下降至67mW。由圖13和 圖14可以看出，體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器倍頻光的光譜出現(xiàn)鎖波狀態(tài)，且隨著溫度的增加光譜并未發(fā)生明顯展寬及紅移，這是因為體布拉格光柵將基頻光的波長和帶寬在晶體倍頻波長范圍內(nèi)進(jìn)行了良好的鎖定，導(dǎo)致倍頻光可以實現(xiàn)窄線寬輸出，倍頻光半高寬約0.6nm，溫漂系數(shù)約為0.08nm/℃。

為研究體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器倍頻光的遠(yuǎn)場特性，使用分光片將基頻光和倍頻光進(jìn)行分束，再利用光束分析儀對倍頻光的光場分布進(jìn)行測試。0.3nm 體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器倍頻光的遠(yuǎn)場光場分布，與基頻光的光場分布相同。倍頻晶體僅對光束頻率進(jìn)行改變，對光場分布改變較小。

2.3

衍射帶寬0.1nm 體布拉格光柵外腔鎖波倍頻半導(dǎo)體激光器

為了進(jìn)一步研究體布拉格光柵外腔對倍頻光的影響，使用衍射效率為10%，衍射帶寬為0.1nm 的體布拉格光柵作為外腔反饋鏡進(jìn)行鎖波，鎖波后的溫漂系數(shù)約為0.014nm/℃。

如圖15所示，在28℃ 工作溫度下，7A 的輸出功率達(dá)到5.1W，鎖波后帶寬約為0.2nm，略寬于體布拉格光柵衍射帶寬。造成帶寬略寬的主要原因是：體布拉格光柵不能將全部的反饋光返回半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)，而部分未被反饋的波長則會直接出射；測試信號光通過光譜儀的傳輸光纖時存在傳輸損耗以及傳輸噪聲，導(dǎo)致測試信號光頻率發(fā)生變化；所使用的光纖光譜儀帶寬測試精度為0.2nm，因此測試設(shè)備存在一定的測量誤差，從而導(dǎo)致0.1nm 體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器測試帶寬與體布拉格光柵衍射帶寬略有差異。與0.3nm 體布拉格光柵外腔結(jié)構(gòu)激光器的輸出功率差異較小，說明衍射效率是影響體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器輸出功率的主要因素。由圖16可知，當(dāng)器件工作溫度在34℃ 時，光譜出現(xiàn)輕微展寬。這是因為隨著溫度的升高，器件輸出波長發(fā)生紅移，且紅移量超出體布拉格光柵的波長選擇范圍，導(dǎo)致鎖波質(zhì)量下降。

圖17為衍射帶寬0.1nm 體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場光場分布，可以看出使用窄帶寬體布拉格光柵進(jìn)行外腔鎖波時對遠(yuǎn)場光場分布影響較小。這是因為，體布拉格光柵將滿足布拉格波長選擇條件的模式反饋回芯片有源區(qū)內(nèi)參與腔內(nèi)模式競爭，對有源區(qū)近場特性的影響較小，而一般遠(yuǎn)場特性可由近場進(jìn)行傅里葉變換得到。

圖18為衍射帶寬0.1nm 體布拉格光柵外腔鎖波半導(dǎo)體激光器倍頻光功率特性。可以看出當(dāng)器件溫度為28℃ 時，7A 電流下的倍頻光功率為73mW，倍頻光光譜半高寬約0.4nm，溫漂系數(shù)約為0.07nm/℃。倍頻光功率的變化主要是受基頻光功率的影響，倍頻光光譜特性同樣受到基頻光光譜特性的影響，更窄的基頻光光譜帶寬可得到較窄的倍頻光光譜帶寬，因此通過調(diào)整基頻光的輸出特性可對倍頻光的輸出特性進(jìn)行調(diào)制。由圖19和圖20可以看出，使用0.1nm 衍射帶寬的體布拉格光柵可以使得倍頻光穩(wěn)定鎖定在532nm 附近。

為研究不同帶寬鎖波對倍頻光遠(yuǎn)場分布的影響，使用0.1nm 體布拉格光柵作為外腔輸出鏡測試分析倍頻光的遠(yuǎn)場光場分布。測試結(jié)果顯示，不同帶寬的體布拉格光柵作為外腔輸出鏡時，倍頻光的遠(yuǎn)場光場分布差異較小，說明倍頻光場分布主要由基頻光場決定，倍頻晶體無法對輸出光場進(jìn)行調(diào)制。

3

結(jié) 論

采用體布拉格光柵作為外腔反饋元件，通過倍頻晶體對輸出光束進(jìn)行倍頻，設(shè)計并搭建了體布拉格光柵外腔倍頻半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，分析了基頻光的光束、光譜特性以及鎖波質(zhì)量對倍頻光的光束和光譜特性的影響。實驗采用10% 衍射效率，衍射帶寬分別為0.1nm 和0.3nm 的2種體布拉格光柵進(jìn)行外腔鎖波，對比分析了不同衍射帶寬體布拉格光柵外腔鎖波下的基頻光對倍頻光的影響。實驗結(jié)果表明，使用帶寬較窄、鎖波質(zhì)量較好的體布拉格光柵進(jìn)行鎖波時，可以得到窄帶寬的倍頻光，且倍頻光的光束特性與基頻光保持一致。實現(xiàn)了體布拉格光柵外腔鎖波狀態(tài)下倍頻光的穩(wěn)定輸出和高效工作。在28℃ 的工作溫度下，當(dāng)輸入7A 電流時，得到的倍頻光的光譜寬度約0.4nm，最大輸出功率為73mW。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉榮戰(zhàn)， 薄報學(xué)， 么娜， 等. 體布拉格光柵外腔紅光半導(dǎo)體激光器實驗研究 [J]. 發(fā)光學(xué)報，2019，40（11）：1401–1408.

[2]孟雪， 寧永強(qiáng)， 張建偉， 等. 面向激光顯示的紅光半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展 [J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（18）：180001.

[3]王玉， 張玲， 楊盈瑩， 等. 高功率藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光器及其光場勻化研究 [J]. 半導(dǎo)體光電，2019，40（1）：38–41.47.

[4]RARING J W， SCHMIDT M C， POBLENZ C， et al.High-performance blue and green laser diodes based on nonpolar/semipolar bulk GaN substrates[C]//Proceedings of SPIE7939， Gallium Nitride Materials and Devices VI. San Francisco， California， United States： SPIE，2011：79390.

[5]NAKAMURA S. InGaN-based blue laser diodes[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，1997，3（3）：712–718.

[6]MIYOSHI T， MASUI S， OKADA T， et al.510-515nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c-Plane GaN Substrate[J]. Appl. Phys. Express2，2009：062201.

[7]SCHEIBENZUBER W G， SCHWARZ U T， VEPREK R G， et al. Calculation of optical eigenmodes and gain in semipolar and nonpolar InGaN/GaN laser diodes[J].Physical Review B，2009，80（11）：115320.

[8]HU W T， YANG X D， WANG C， et al. Ultracompact visible R-G-B lasers for defense applications[C]//Proceedings of SPIE7325， Laser Technology for Defense and Security V. Orlando，F(xiàn)lorida， United States： SPIE，2009：73250Q.

[9]IRONSIDE C N， FIGUEIREDO J M L， ROMEIRA B，et al. Resonant tunneling diode-laser diode optoelectronic integrated circuit operating as a voltage controlled oscillator[C]//Proceedings of SPIE7366，Photonic Materials， Devices， and Applications III.Dresden， Germany： SPIE，2009：736614.

[10]LERMER T， SCHILLGALIES M， BREIDENASSEL A， et al. Waveguide design of green InGaN laser diodes[J]. Physica Status Solidi A，2010，207（6）：1328–1331.

[11]JIANG L R， LIU J P， ZHANG L Q， et al. Suppression of substrate mode in GaN-based green laser diodes[J].Optics Express，2020，28（10）：15497–15504.

[12]SIZOV D S， BHAT R， ZAKHARIAN A， et al. Impact of carrier transport on aquamarine-green laser performance[J]. Applied Physics Express，2010，3（12）：122101.

[13]SIZOV D S， BHAT R， ZAKHARIAN A， et al. Carrier transport in InGaN MQWs of aquamarine- and green laser diodes[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2011，17（5）：1390–1401.

[14]AVRAMESCU A， LERMER T， MüLLER J， et al.True green laser diodes at524nm With50mW continuous wave output power on c-plane GaN[J].Applied Physics Express，2010，3（6）：061003.

[15]TIAN A Q， LIU J P， ZHANG L Q， et al. Green laser diodes with low threshold current density via interface engineering of InGaN/GaN quantum well active region[J]. Optics Express，2017，25（1）：415–421.

[16]周闖. 綠光半導(dǎo)體激光器單管合束及光纖耦合技術(shù)研究 [D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)，2019：1?10.

[17]劉榮戰(zhàn)， 蔣威， 宋健. 體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器溫度特性研究 [J]. 光電子·激光，2022，33（12）：1263–1270.

（編輯：李曉莉）