垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）憑借其低閾值、圓形光斑、單縱模、低溫漂系數(shù)、高可靠性及易于二維集成的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于泵浦源、消費(fèi)電子、3D傳感、醫(yī)療美容等多個(gè)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)VCSEL在輸出功率方面存在一定的局限，為提高功率，通常采用增大氧化孔徑、多結(jié)結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)大陣列規(guī)模等方法。這些手段雖然能夠增加輸出功率，但卻導(dǎo)致發(fā)散角增大和橫模變?yōu)楦唠A模等問題，進(jìn)而使光束質(zhì)量（Beam Parameter Product，BPP）下降，最終導(dǎo)致亮度急劇降低。因此，高功率與高光束質(zhì)量之間的制約，成為了VCSEL技術(shù)發(fā)展的核心難題之一，也極大地限制了其在激光雷達(dá)、空間光通信等需要高亮度光源的遠(yuǎn)程探測與照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。
為解決這一瓶頸，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所固態(tài)光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)等單位，創(chuàng)新性地提出二維固態(tài)激光陣列（SSLA）解決方案。該技術(shù)通過將大尺寸高功率VCSEL陣列與薄型Nd:YVO4激光晶體直接集成，構(gòu)建出緊湊型二維面陣激光器結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)功率等比擴(kuò)展的同時(shí)能顯著提升光束質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這款3×3 mm2 的SSLA陣列在1 μm中心波長下，單脈沖能量達(dá)4.7 mJ，光光轉(zhuǎn)換效率52%，面光源亮度高達(dá)1.27 kW·cm-2·sr-1，較傳統(tǒng)VCSEL陣列提升近三個(gè)數(shù)量級(jí)。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在：①各發(fā)光單元保持M2<1.5的優(yōu)異光束質(zhì)量；②繼承VCSEL陣列的固有激光發(fā)射陣列模式；③突破功率擴(kuò)展與光束退化的傳統(tǒng)矛盾。這種“高功率-高亮度-高集成"三位一體的技術(shù)突破，為遠(yuǎn)程探測系統(tǒng)提供了輕量化的高亮度光源解決方案。此外，這項(xiàng)二維固態(tài)激光陣列技術(shù)的突破，不僅為傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的可能，也為高速數(shù)據(jù)傳輸、三維成像、精密測距等新興領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在未來，隨著技術(shù)的不斷成熟，面陣激光源的可芯片化設(shè)計(jì)將成為激光技術(shù)發(fā)展的重要方向，推動(dòng)激光技術(shù)向更高效、更緊湊的未來邁進(jìn)。
該研究成果以“Scaled-up 2D Solid-State Laser Array”為題，發(fā)表于Optics Letters（《光學(xué)快報(bào)》），并被選為Editor's pick（“編輯精選”）。半導(dǎo)體所博士生張妮慧和國科大單珍嬌為論文共同第一作者，渠紅偉研究員、周旭彥副研究員和齊愛誼副研究員做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了鄭婉華院士的悉心指導(dǎo)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
圖1 二維固體激光陣列圖片
圖2 二維固體激光陣列近場光束圖像
圖3 單點(diǎn)陣激光源光束質(zhì)量測試結(jié)果
論文鏈接：
inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2">https://doi.org/10.1364/OL.554966
（來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）
