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1、光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用2008年7月第25卷第3期重庆师范大学(自然科学版)JournalofChongqingNormalUniversity(NaturalScience)July2008V01.25No.3光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用陈柏众,戴特力(重庆师范大学物理学与信息技术学院,重庆400047)摘要:光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器(OPS—VECSEL)是二极管泵浦的多量子阱增益介质半导体激光器.近年来,光泵浦垂直外腔面发射激光器作为半导体能带工程的新成果,在理论和实验方面均取得了令人触目的进展.该器件具有较高的输
2、出功率,卓越的光束质量和紧凑的结构.薄片式的激活介质避免了棒状介质的热透镜效应,周期性共振增益(PRG)结构提高了多量子阱内的受激辐射截面,分布布拉格反射器(DBR)减少了谐振腔的损耗.相对于晶体棒作激活介质的固体激光器来说,这种新型激光器可以通过半导体能带工程提供更加广泛的波长选择范围.它克服了电泵浦边发射和电泵浦面发射半导体激光器的限制,可以提供近衍射极限的基模或TEM.模的圆形光斑.关键词:光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器;周期性共振增益结构;分布布拉格反射器;电泵铺面发射半导体激光器;边发射半导体激光器中图分类号:TN248.4文献标识码:A文章编号:167
3、2—6693(2008)03—0062—05近几年来,一种半导体前沿技术发展的新成果,光泵浦垂直外腔面发射激光器(OpticsPumpingSemiconductorVerticalExternalCavitySurfaceEmit—tingLaser,OPS—VECSEL)已引起许多发达国家的重视.在一些具有国际水平的实验室,该器件的理论和实验均取得了令人瞩目的进展.该器件是20世纪9O年代末期发展起来的新技术,它兼顾了二极管泵浦固体激光器(DPL)和电泵浦垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的优点,是半导体激光技术中的新型器件.因其较高的功率密度,紧凑的几何结
4、构和良好的光束质量,受到了激光产业界的关注….大家所熟知的GaAs/GaA1As双异质结激光二极管,即边发射窄条激光二极管(LD),单条单横模输出时只能达到0.4W,发射光束为像散高斯光束,快轴发散角约5O.,慢轴发散角约1O..用光刻的方法让几个窄条LD排成宽120m的发射区,腔长1mm时,单横模输出可大于2w,输出光束也是像散的.4O～8Ow的大功率二极管条(LDbar)是由13,19,25或49个120txm发射区构成的线阵,发光孔径1mm×0.1mm.这种线阵光源的快,慢轴两正交方向很不对称,发射的光束在空间也不对称,两正交方向的拉格朗日常数相差大,必须作复
5、杂的光束整形,才能耦合进光纤.电抽运的垂直腔面发射激光器(VCSEL),可以输出圆形单横模的光束,功率低于10mW;多模输出,功率可大于100mW.光泵浦的VECSEL就是在克服上述缺点的过程中逐步完善的.1OPS—VECSEL的增益材料和激光器1.1OPS—VECSEL的增益材料制作OPS—VECSEL的增益材料是在GaAs衬底材料上外延生长的.图1按生长顺序由下而上地表示出芯片的结构.主体主要分3个部分,即帽层,多量子阱共振周期增益区(RPG)和分布布拉格反射镜(DBR).对泵浦波长为808nm,工作波长约980nm的OPS—VECSEL而言,在GaAs衬底上先
6、外延生长DBR,即布拉格反射镜.这是在GaAs衬底上生长3O对1/4波长厚度的A1As/GaAs交替结构形成的.对于所选择的波长反射率要求达~1J99.5%.对于常规的DBR,从折射率高的介质到折射率低的介质相位无变化,相反从折射率较低的介质到折射率较高的介质方向传播相位改变.所以对布拉格中心波长,各界面的反射光相位是同步增长的.反射率最大时的膜厚为波长的1/4n,n是该波长在该收稿日期:2008.04—03资助项目:重庆市高校光学工程重点实验室项目(No.0705)作者简介:陈柏众(1980一),男,硕士研究生,研究方向为半导体激光器件及其应用.通讯作者:戴特力,
7、Email:telidai@yahoo.corn.cn第3期陈柏众,等:光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用63介质中的折射率.DBR层结构终止于宽禁带的窗口层以进一步防止载流子泄漏,便于控制有源层的光子密度J.DBR层充当谐振腔的后反镜,与外置输出镜一起构成激光器的谐振腔.DBR生长完成后,接着生长RPG,即共振周期增益区.该区是由l5个量子阱构成.每个量子阱由10nm的窄带In.GaAs(阱),121.5nm的宽带A1GaAs(势垒)和14.5nm的应变补偿GaAsP构成.用于近红外的OPS.VECSEL还可以在GaAs衬底上生长晶格匹配的GaAs/
