GaN基蓝光可调谐外腔激光器

丁 源，柏 磊

(1.海军装备部驻扬州地区军代室，江苏 扬州 225101；2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

收稿日期:2020-08-19

0 引 言

随着材料生长技术的发展和器件加工工艺的进步，高功率GaN基激光二极管(LD)目前已实现了商业化[1]，其波长可由紫外覆盖至绿光波段。GaN基半导体激光器具有体积小、功率高、成本低等优点[2]。然而受制于此种激光器的Fabry-perot(FP)双晶面结构和GaN半导体材料相对平坦的增益分布，导致其出射光谱较宽，且波长固定无法调谐，而目前很多领域中都需要用到这种短波长、窄脉宽的可调谐激光光源。根据郎佳红等人[3]的研究表明，大容量全息数据存储在使用400～430 nm波长的可调谐激光器时性能最佳；I.Courtillot等人[4]在2003年通过混频产生461 nm的窄脉宽蓝光激光光源，并将其用于激光冷却技术；T.N.Anderson等人[5]在2007年使用波长385 nm的GaN基光栅外腔激光器和532 nm的Nd:YAG全固态激光器混频，产生226.8 mn的深紫外激光，并应用于NO气体浓度的测量；N.Ruhnke等人[6]在2015年使用输出波长445 nm、功率680 mW的可调谐激光器和BBO晶体实现光学倍频，获得波长222.5 nm的深紫外激光光源；

目前，实现上述工作模式的方法一般有2种。其一，在半导体激光器制造过程中，直接添加具备波长选择特性的元件，如GaAs基的分布反馈式[7]和分布布拉格反射式[8]，激光二极管就具有可调谐波长、窄线宽和高输出功率的发光特性。但受限于制造工艺的复杂性，此类GaN基LD目前仍在研发中，尚未商业化。另一种方式，通过在LD外部添加衍射光栅等具有分光特性的光学元件组成外腔实现光反馈，不仅能够实现波长可调谐，还能有效压窄LD的本征线宽。为了实现该类光栅耦合的外腔激光器(ECDL)，科研人员做了大量的工作。半导体外腔激光器包含2种结构：Littrow构型[9]和Littman构型[10]。从提出Littrow外腔结构和Littman外腔结构至今，基于这2种构型的外腔半导体激光器层出不穷。Dijun Chen等人搭建Littman构型外腔，研究了780 nm波段外腔激光器的性能[11]。Deepak Vijayakumar等人也通过搭建Littman构型外腔，研究了980 nm波段的高功率ECDL性能。我们之前研究过Littrow结构的GaN基蓝光激光器的相关特性。而关于蓝光波段的GaN基Littman型ECDL报道目前较少。

本文利用商业化的高功率GaN基蓝光LD搭建了Littman型光栅外腔激光器。在注入电流360 mA时，可实现449.7 nm～457.57 nm的7.8 nm调谐波长范围。注入电流1 500 mA时，可达到643 mW输出功率，此时光谱半高全宽(FWHM)仅为0.06 nm。

1 实验装置

该实验装置如图1所示，使用GaN基半导体增益器件、非球面准直镜、闪耀光栅、镀膜反射镜等光学元件构建Littman结构光栅外腔激光器。

图1 Littman结构示意图

实验中使用增益器件是一种商用的高功率GaN基LD，发射波长约为450 nm(Nichia)。根据显微镜下的观察，增益条纹宽度约为130 μm，厚度约为1 μm。使用时，将该LD安装在铜质基座上，并用TEC制冷装置将工作温度控制在20 ℃以内，在连续波工作模式下，该器件的阈值为360 mA，注入电流1 500 mA时，最大输出功率可达1.9 W。

在Littman外腔中，使用数值孔径为0.5、焦距为8 mm的非球面透镜(Thorlabs，35220-a)对增益器件进行准直。光栅选用1 800 grove/mm的闪耀光栅，光栅刻线与增益器件的慢轴方向平行。外腔工作时，波长选择沿增益器件快轴进行。由于增益器件快轴方向孔径约1 μm，因此经过光栅分光后的光谱只有一小部分能反馈回二极管中，反馈光在二极管中被放大，通过这种方式实现线宽压窄。在littman结构中，增益器件的本征光束经由闪耀光栅衍射后，其一级衍射光由反射镜反射回光栅，实现二次衍射，二次衍射产生的一级衍射光束由非球面镜聚焦后反馈回增益器件，通过调节反射镜角度，可以改变反馈光波长，从而实现输出波长可调谐。

2 结果和讨论

实验前，我们先对自由运转LD的发光特性进行了表征。图2为自由运转的增益装置光输出功率与注入电流的曲线(P-I曲线)，插图为外腔激光器在不同波长时的阈值，从测试数据可以看出，外腔激光器的阈值电流，相较于自由运转增益器件减少了约40 mA，这是因为外部光反馈降低了原本增益器件内腔的损耗。当输出波长为454 nm时，外腔激光器的阈值电流最小为279 mA，与自由运转增益器件的光谱峰值对应，并且偏离中心波长越远，阈值电流越大，但都略低于自由运行设备的阈值。

图2 P-I曲线与阈值曲线

随后，我们对不同注入电流下，外腔激光器的光谱进行了测试，图3为不同注入电流下外腔激光器的归一化光谱。由图3可以看出，在增益器件本征光波长附近，实现了外腔波长可调谐激光输出，尤其在本征波长中心位置附近，外腔激光器的自发辐射抑制比大于35 dB。当注入电流为360 mA时，可调谐波长最宽，这是因为此时电流在阈值附近，增益器件尚未激射，内腔自发辐射对光栅外腔的影响较小。当注入电流大于阈值后，增益器件自身内腔激射，到可调谐波长范围边缘时，增益器件本征激射光影响增强，测试时将自发辐射抑制比控制在10～20 dB。

图3 不同注入电流下的光谱图

通过光谱可以看出，随着电流的增加，光谱的峰值出现红移，这是因为在大电流工作状态下，工作介质温度升高，半导体介质受到热效应和带内填充效应的影响发生光谱红移现象。

此外，还研究了外腔激光器对出射光的线宽压窄作用。如图4所示，选取了不同注入电流下，可调谐范围中心波长的光谱做比较，为了方便对比，对实际波长进行了偏移处理。从图中可以看出，当注入电流为360 mA时，半高全宽(FWHM)仅为0.02 nm，该值已达到了测试使用的光谱仪分辨率极限；随着电流的增大，光谱逐渐展宽，到1 500 mA时，FWHM达到0.06 nm，仍保持着良好的单模特性，说明在大功率工作状态下，外腔仍能保持较好的波长选择特性。

图4 不同调谐范围中心波长半高全宽(FWHM)比较

最后测试了不同注入电流下可调谐波长与输出功率的关系。如图5所示，当注入电流为360 mA时，输出光波长可由449.7 nm调谐至457.5 nm，调谐范围为7.8 nm，此时工作电流刚好在自由运转增益器件的阈值附近；当电流增加到500 mA时，受增益器件本征光影响，调谐范围从7.8 nm减小至3.4 nm；持续增加电流至1 000 mA，波长由453 nm到455.8 nm可调，可调谐范围2.8 nm；当电流增加到1 500 mA时，可调谐范围为3.1 nm，当输出波长为455.6 nm时，有最大输出功率643 mW。结合图3的光谱图可以看出，部分输出光并不是单一波长，尤其在可调谐波长范围边缘，内腔自激明显。为准确统计实际有效光功率，使用软件通过计算有效光谱面积与光谱总面积的比例关系计算出实际有效光功率。如图中虚线曲线所示，越接近可调谐范围边缘，自发辐射对外腔的影响越大，实际有效光功率明显下降。

图5 不同注入电流下可调谐波长与输出功率的关系

3 结束语

制作了一台基于商用大功率GaN-LD的Littman型外腔激光器。利用光栅2次衍射及1 μm发射孔径进行波长选择，实现了宽波长调谐范围和窄线宽的激光输出。在1 500 mA的注入电流下，通过旋转平面反射镜的角度，实现了波长从454.3 nm到457.4 nm可调谐，最大输出功率可达643 mW。光谱测量结果表明，此时激光线宽约为0.06 nm，中心波长处放大自发辐射抑制比大于35 dB，峰值波长在不同注入电流下锁定良好。综合上述对激光器性能的测试，相信该激光器在全息数据存储、激光冷却、气体测量和光学倍频等领域具备广阔的应用前景。