量子阱调制双波长光泵浦VECSEL

双波长输出半导体激光器在干涉测量、光谱分析、干涉成像以及差频太赫兹等领域有重要应用前景。垂直外腔面发射半导体激光器（Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）结合了固体激光器高光束质量和半导体激光器波长丰富的特点，可以同时实现高输出功率、良好的光束质量、大的覆盖波长范围等。同时，VECSEL拥有灵活的外腔腔型，可以通过在腔内加入光学元件实现滤波及调谐、锁模、倍频等功能。近年来，采用VECSEL方案实现激光的双波长输出成为该领域研究的热点。

据麦姆斯咨询报道，来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张建伟教授团队提出了一种采用单个增益芯片实现双波长输出的光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器（VECSEL）。该VECSEL双波长稳定输出时的最大激光功率可以达到560 mW，光斑在正交方向呈现对称高斯形貌，正交方向发散角分别为6.68°和6.87°。相关研究成果已发表于《红外与毫米波学报》期刊。

这项研究提出的VECSEL系统由泵浦激光、热沉及控温TEC、增益芯片和输出耦合镜组成。增益芯片发光区由两组不同发光波长的量子阱组成，其中一组发光波长较短的量子阱采用吸收区泵浦的方式，另一组发光波长较长的量子阱采用阱内泵浦方式。VECSEL工作时，增益芯片底部的热沉温度通过半导体制冷片TEC控制。

（a）双波长VECSEL增益芯片外延结构图；（b）VECSEL增益芯片有源区能带图

VECSEL系统示意图

在VECSEL工作时，吸收区泵浦的短波长量子阱率先激射，由于发光波长较长的量子阱对短波长量子阱的强度调制效应，此时可以观察到两种波长的光谱峰值强度随时间周期性振荡，采用高灵敏探测器观察到VECSEL此时的输出激光呈现出脉冲输出形式。

随着泵浦功率进一步增加，VECSEL的输出激光呈现稳定的双波长输出。在衬底温度为-10℃时，实现了双波长输出最大功率达到了560 mW，激光波长分别在967.5 nm和969.8 nm。另外，采用提出的这种方案，在泵浦功率较低时，还可以实现VECSEL的脉冲调制现象。双波长输出VECSEL具有高斯对称的光斑形貌，两个正交方向上的激光发散角仅有6.68°和6.87°。

TEC控温温度为-10℃时，不同泵浦功率下VECSEL的激光光谱图

在-10℃温度下VECSEL在泵浦功率为5 W时的输出远场分布，插图为输出光斑二维彩图

总而言之，这项研究提出了采用两组不同发光波长的量子阱作为发光层的VECSEL增益芯片结构，通过改变外部光学泵浦功率水平，实现了稳定的双波长输出。这种新型增益芯片结构将在实现双波长激光以及光调制等应用中具有很好的发展前景。

审核编辑：刘清