Temperature-Stabilized and Widely Tunable Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser With a Simple Line Cavity

Abstract

We designed and demonstrated a temperature-stable, wide-tuned, high-power Vertical External Cavity Surfaceemitting Laser (VECSEL) with a simple linear cavity. The quantum well is optimized by using the commercial PICS3D software to obtain wide gain and good thermal performance. The curve of BF has also been optimized, and a birefringent filter (BF) with a thickness of 1mm is selected as the tuning element. Then, we obtained a continuously adjustable range cover from 1044.5 nm to 1092.1 nm, 8 W of output power, and temperature-stable VECSEL, which verifies the feasibility of the design. Based on the experimental results, we concluded that the gain intensity corresponding to the tuning range should be at least greater than 163 e 26 /cm -3 s -1 eV -1 before the growth process ensures a wide tuning range. For the first time, to the best of our knowledge, we designed and obtained the tuning result of VECSEL in the linear cavity, and this is of great significance to the design of VECSEL with wide-tuning, high-power, and good temperature stability.

509 nm high power wide-tuned external cavity surface emitting laser

“…波长可连续调谐的高功率绿光激光器在生物医学、激光显示、激光雷达、光谱 分析、激光加工等许多方面有着非常广泛的应用 [1][2][3][4][5] 。 光泵浦垂直外腔面发射激光器(vertical-external-cavity surface-emitting lasers， VECSELs)，又称半导体碟片激光器(semiconductor disk lasers，SDLs)，能在较高的 输出功率水平下，同时保持良好的光束质量 [6,7] 。其半导体量子阱材料构成的增益 介质具数十纳米的增益带宽，结合灵活的外部谐振腔结构，为高功率下较宽的波长 连续调谐提供了可能性 [8,9] 。 VECSEL 在产生绿光方面具有几个显著的优势。一是输出功率高，VECSEL 能 够以较高电光转换效率产生高功率的绿光输出 [10] 。二是光束质量好，VECSEL 产生 的绿光通常具有很好的光束质量，即具有接近衍射极限的较小发散角。三是波长可 连续调性 [11] ，VECSEL 可以利用外腔中的插入元件来实现激光波长的连续调谐。 近年来，在 1μm 波长附近的近红外可调谐 VECSEL 取得了不少进展。2010 年 Borgentun C [12] 等人采用直线谐振腔结构和 1 mm 厚的双折射滤波片(Birefringent Filter，BRF) ，实现了从 967 nm 到 1010 nm 的连续调谐。2011 年 Borgentun C [13] 等 人采用直线腔结构和 2 mm 厚的 BRF，实现了中心波长 995 nm 附近最大输出功率 7.5 W 和 32 nm 的波长调谐范围。2015 年 Nakdali D A [14] 等人采用直线腔和 1 mm 厚 的 BRF，得到了 37 nm 的波长调谐范围。2017 年 Broda A [15] 等人通过对增益芯片的 特殊设计，采用 V 型谐振腔中，在中心波长 985 nm 处，实现了 95 nm(937 nm ~ 1032 nm)波长调谐范围。2023 年 Qiu X L [16] 等采用直线腔和 1 mm 厚的 BRF，获 得了从 1044.5 nm 到 1092.1 nm 连续可调的波长覆盖。 在绿光波段，2008 年 Maclean A J [17] 等人使用 Z 型结构谐振腔及 4 mm 厚的 BRF，实现了 10 nm(526 nm ~ 536 nm)的波长连续可调谐，在调谐范围内输出功 率的最大值超过 1 W。2012 年 Lin J P [18] 等人利用 VECSEL 泵浦的腔内连续拉曼激 光器和温度调谐的 LBO 晶体，在绿光波段实现了 17.5 nm(548.5 nm ~ 566 nm)的 调谐。同年，Hein A [19] 等人采用 V 型结构谐振腔及 2 mm 厚的 BRF，在 513 nm ~ 535 nm 的绿光光谱范围内获得 22 nm 的调谐，并在 524.7 nm 处得到 4.1 W 的最大 输出功率。2014 年 Lukowski M [20] 等人报道了一种共线双波长 VECSEL，利用 T 型 结构谐振腔和 1 mm 厚度 BRF，获得了 5 nm 的调谐范围和超过 2 W 的绿光输出功 率。2019 年，Qiu X L [21] 等人在直线谐振腔中插入 LBO 晶体，利用 0.…”