國(guó)外研究成果

808nmVCSEL難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出的重要原因是由于GaAs材料對(duì)808nm的強(qiáng)吸收。隨著VCSEL的不斷發(fā)展，808nmVCSEL的性能得到了極大的改善。

2004年德國(guó)U-L-Mphotonics制備了808nm陣列作為泵浦源，單管的出光口徑為25um，輸出功率是25mW，電光轉(zhuǎn)換效率大于25%。

在研制980nm以及808nm波段的VCSEL陣列方面，美國(guó)的PrincetonOptronics公司位于世界前列。

2009年，該公司對(duì)高功率808nmVCSEL進(jìn)行了深入的研究和樣品開發(fā)，使用頂發(fā)射氧化限制結(jié)構(gòu)制備了單管效率達(dá)到49%的樣品。

因?yàn)镚aAs對(duì)于808nm波段有強(qiáng)烈的吸收，該公司對(duì)頂發(fā)射工藝步驟進(jìn)行了優(yōu)化，在制備過程中，使用較復(fù)雜的襯底去除法，如圖不但使工藝制備、材料生長(zhǎng)的難度提高,同時(shí)使工藝成本增加且使成品率降低。

在室溫條件下，器件直徑為15μm的單管,閾值電流為0.98mA,斜率效率75.2%，串聯(lián)電阻65.79。其電光轉(zhuǎn)換效率在6mA時(shí)達(dá)到最大為49.2%，這也是當(dāng)時(shí)808nmVCSEL最高的轉(zhuǎn)換效率。

該公司實(shí)現(xiàn)了808nmVCSEL陣列在連續(xù)激射狀態(tài)下，連.續(xù)輸出功率為120W，如圖所示為該陣列的特性曲線，器件的輸出功率隨單元數(shù)量和陣列面積的增加而增加，所需電流也越來越大，電源成為限制功率的主要因素。

在2011年，該公司提出了把器件進(jìn)行串聯(lián)的想法，這大大地降低了器件所需要的電流，從而獲得了高輸出功率，該公司將9個(gè)808nm陣列串聯(lián)起來，以制造出3X3的陣列模塊,如圖是串聯(lián)陣列的封裝示意圖和測(cè)試功率曲線,當(dāng)電流為67A時(shí)，輸出功率高達(dá)300W。

2013年，PrincetonOptronics公司使用兩個(gè)1.2kW808nmVCSEL泵浦模塊泵浦Nd:YAG晶體棒得到946nm激光輸出，再通過倍頻得到473nm的藍(lán)光輸出，在125μs.的脈寬、300Hz的調(diào)制頻率下，得到準(zhǔn)連續(xù)的輸出功率為6.1W的946nm激光。

國(guó)內(nèi)研究成果

2010年長(zhǎng)春理工大學(xué)郝永芹等人，為了改善VCSEL中載流子的聚集效應(yīng)，使工作電流僅僅通過邊緣環(huán)形區(qū)域很窄的通道注入到有源區(qū)，激光功率密度分布不均勻的現(xiàn)象，提出了一種新結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)增大了器件的有效發(fā)光面積，并用這種新型結(jié)構(gòu)成功研制出808nm高功率大孔徑VCSEL。

在室溫工作條件下，出光孔徑為300um的器件輸出激光功率P隨注入電流變化的曲線和光譜圖如圖,從圖中看出，當(dāng)注入電流為1A時(shí)，輸出功率能夠達(dá)到0.3W，實(shí)現(xiàn)了較高的光功率輸出。

2011年，長(zhǎng)春光機(jī)所等人對(duì)808nmVCSEL的芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，確定了量子阱的組分和寬度,以及漸變型DBR的對(duì)數(shù)和反射率，并給出了芯片結(jié)構(gòu)

2013年，該團(tuán)隊(duì)研究了溫度對(duì)808nmVCSEL陣列輸出特性的影響，并使用變溫塞耳邁耶爾方程對(duì)InGaAIAs量子阱VCSEL的溫漂系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

通過調(diào)整熱沉的溫度，測(cè)量了不同溫度下的閾值電流、激射波長(zhǎng)和光功率，測(cè)試結(jié)果如圖所示,結(jié)果顯示在溫度達(dá)到50"C以上時(shí),輸出功率迅速降低，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度漂移系數(shù)與理論計(jì)算吻合。

相比于邊發(fā)射激光器，808nm面陣因具有較小的溫漂，更適合用作YAG激光器的泵浦光源。

2014年，長(zhǎng)春光機(jī)所張金勝等人為了實(shí)現(xiàn)808nmVCSEL的高功率輸出，對(duì)DBR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了非閉合環(huán)結(jié)構(gòu)的2X2VCSEL陣列。

對(duì)VCSEL陣列的功率進(jìn)行了測(cè)量，當(dāng)脈沖寬度是20ns時(shí)，重復(fù)頻率為100Hz，注入電流為110A,輸出功率的最大峰值達(dá)到30W。

當(dāng)脈沖寬度是60ns時(shí)，重復(fù)頻率為100Hz，注入電流為30A，最大功率達(dá)到9W。通過測(cè)量陣列的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，激光的水平和垂直發(fā)散角半高全寬分別為17.6°和16.9°。

國(guó)內(nèi)外研究成果分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)808nmVCSEL對(duì)比分析可以看出，早在2009年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的公司就在連續(xù)激射狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了輸出功率為120W的808nmVCSEL陣列。

國(guó)內(nèi)主要是長(zhǎng)春理工大學(xué)和長(zhǎng)春光機(jī)所進(jìn)行了808nmVCSEL的相關(guān)研究，主要在優(yōu)化單管大孔徑器件和陣列器件單元的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究，陣列器件的研制水平與國(guó)外仍有較大差距。

其中最重要的因素就是808nmVCSEL的頂發(fā)射結(jié)構(gòu)使其陣列器件的熱問題更加嚴(yán)重，因此有必要對(duì)其熱特性進(jìn)行深入的研究，探求改善高功率808nmVCSEL陣列器件熱特性的有效途徑。

審核編輯 黃宇