雙波長激光器是一種具有較大應用潛力的光源，其應用范圍包括非線性頻率變換、雙波長干涉技術、光通信、光動力學醫療等領域，因此備受國內外眾多研究者的關注。由于半導體激光器具有效率高、質量輕、波長范圍廣、可靠性高等優勢，如果能通過半導體激光器實現雙波長激光輸出，則十分有利于推動雙波長光源的實用化進程。

垂直外腔面發射半導體激光器（Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）兼具固體激光器和半導體激光器的優點，能夠同時獲得高輸出功率和高光束質量。此外，VECSEL具有靈活的外腔結構，可以在腔內加入多種光學元件，從而實現波長調諧、鎖模和非線性頻率轉換等功能。因此，VECSEL具有成為理想雙波長半導體激光器的潛力，研究者們也一直致力于實現雙波長VECSEL。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院大學、長春中科長光時空光電技術有限公司的研究團隊聯合提出一種結構緊湊的VECSEL，通過調控泵浦光功率，實現了VECSEL輸出的兩個激光波長之間的相互轉換，雙波長的間隔接近50 nm。在0℃時，每個激射波長的最大輸出功率都在1.5 W以上。隨著泵浦功率的改變，激射波長可以在950 nm和1000 nm之間切換，同時還可以在1.5 W以上的功率水平下實現雙波長同時激射。這種可切換波長及雙波長同時激射的VECSEL器件在光調制、差頻等領域有較大應用潛力。相關研究成果已發表于《紅外與毫米波學報》期刊。

與以往的雙波長VECSEL結構設計相比，這項研究中，研究人員主要通過對增益譜的熱調制實現波長轉換。VECSEL的增益芯片采用了底發射的面發射激光器結構，在未摻雜的GaAs襯底上先后生長了阻擋層、共振周期結構的多量子阱有源區以及布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR）結構。在有源區和襯底之間生長了GaInP作為刻蝕阻擋層，主要用于仿制襯底去除工藝對芯片結構的破壞，并且其具有比泵浦吸收區更高的勢壘，也能夠阻止載流子擴散到表面形成非輻射復合。此增益芯片的有源區由9個InGaAs / GaAsP / AlGaAs應變量子阱組成。在整體結構設計中，9個量子阱的位置位于駐波波峰中心位置，形成共振周期結構，避免了空間燒孔效應，并且能夠獲得更高的光學增益。

VECSEL系統工作示意圖，插圖為該器件增益芯片的駐波光場

研究人員進一步測試了該VECSEL器件的性能。通過提高增益-腔模預偏移量的增益芯片結構設計，在不同的泵浦功率下，增益譜被調諧到由反射率譜的下降傾角決定的兩種模式中的一種，實現了增益芯片激射波長可在950 nm和1000 nm之間切換。此外，在特定的泵浦功率下，可以實現VECSEL雙波長同時激射。在0℃時，兩個激射波長對應的最大輸出功率均超過1.5 W，雙波長的頻差在15.66 THz。雙波長VECSEL中兩種振蕩模式的相對強度可以通過微調泵浦功率來調節，且兩種振蕩模式均表現出良好的穩定性。

VECSEL增益芯片的發光區PL光譜及整體結構反射譜

在0℃下，VECSEL器件的輸出性能（a）及其泵浦功率在8 W和20 W時的遠場發散角（b）

在0℃下，VECSEL器件出光光譜隨泵浦功率的變化關系（a），以及泵浦功率不變的情況下，VECSEL器件輸出波長隨溫度的變化關系（b）

在0℃下，VECSEL器件在單一波長輸出時的光束質量M2（a），以及VECSEL器件在雙波長運轉時的光束質量M2，插圖為其輸出光斑的形貌（b）

這項研究提出的雙波長激光器可以避免復雜的增益芯片結構設計和復雜的外延生長，同時也不需要在外腔中插入并調諧光學元件，加之其體積小、堅固、穩定、實用，在光調制、差頻等領域具有較高的實用價值。

審核編輯：劉清