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1、大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示2009-12-03 | 【大 中 小】eVCSEL光源展现更丰富的色彩电泵浦的垂直腔表面发射激光器可以产生明亮、纯净的红、绿、蓝光，能用于背投电视。激光光源在背投电视领域的应用，吸引了众多厂商去研究：如何使家庭影视实现真彩色以及达到剧院效果。借助数字光处理（DLP）芯片或采用改进的液晶面板，目前用微显示技术可制造出尺寸达70英寸（对角线尺寸）的高质量显示屏。这些屏幕由传统的超高压汞灯照明，这种汞灯在亮度、色彩重现及使用寿命方面还有些不足。激光器可以代替汞灯与DLP或其他调制器一起使用，激光器作为光源具有几项优势。最大线宽

2、只有几个纳米的激光使色彩数量比现有的色彩标准增加了30到40。过去所需的彩色滤光片现在也可略去，这提高了光调制系统的工作效率；相关的紫外和红外发射器也可免去，工作寿命也显著延长（超过10000小时），同时，较好的方向性和较小的发散角也有利于光耦合。激光虽具有上述优点，但它作为背投电视光源却未能商业化，这主要是由于它成本过高及红光、绿光、蓝光激光器在封装上的难度较大。而Principia Lightworks研制成功了一种电子泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）（见图1），图1. eVCSEL光源由电子束泵浦；电子束的扫描方式类似于阴极射线管（上图）eVCSEL产生高质量的红光、绿光、蓝光（

3、下图） 他们称它为eVCSEL，其价格较低，有望应用到背投电视上。这种激光器可以安装在很薄的背投电视里。eVCSEL腔内含有增益层，它由块状单晶半导体或多量子阱结构组成，后者通过标准的外延沉积技术制备，如金属有机物化学气相沉积技术。增益层位于一个高反射率镜子和一个输出耦合器的夹层内，其厚度为5到10m，面积约为2cm2。eVCSEL产生红色激光的量子阱增益层材料为InGaP/AlGaInP；产生绿光的材料为ZnCdSe/ZnSSe；产生蓝光的为ZnSSe/ZnMgSSe。半导体由体结构的单晶晶圆制造，分别用CdSSe、CdS和ZnSSe等来制备相应的红光、绿光和蓝光材料。由于eVCSEL的发散

4、角约为30度，并且是通过电子束来扫描激光介质的，因而空间相干及相应的光斑现象实际上就从源头上消除了。载流子由阴极射线管发出的扫描电子束注入。为了减少反射及增加腔体受激体积，电子束由永久磁场作了90度偏转。扫描斑点的直径为10到60m，加速电压为35kV，电子束电流为2mA。有一些因素对于电子束的直径大小很重要，比如，为了让eVCSEL的性能达到最优，让激光出射方向垂直于发射层尤为重要，这要求电子束的直径小于60m。但是当电子束直径小于10m时，衍射损耗将占据主导地位，这导致了激光阈值的上升。Principia制备的eVCSEL中，电子束直径为25m，使用了预聚焦电极进行聚焦，电子束的直径很稳定

5、，电流为2mA。红绿蓝eVCSEL可放置在单个阴极射线管内，由同一电子束依次扫描，或者放置在三个电子束的系统内，同时接受扫描。 VCSEL发展起源1977年，日本东京工业大学以KENICHI I为首的研究小组首次提出垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs）的概念，并于1979年实现InGaAs/InP VCSELs在低温下脉冲激射，1984年，实现了VCSELs的室温连续脉冲工作。1991 年，California大学GEEL R S等人实现980nm、InGaAs/GaAs VCSELs室温连续激射。1996 年，Ho

6、neywell推出了世界上第一支商品化850nm VCSELs器件，随后Emcore、Picolight等公司也相继开始提供VCSELs产品。1997年，以Kuznetsov为首的研究小组第一次实现了以半导体激光器泵浦InGaAs/GaAs垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers ，VECSELs)产生980nm激光输出。目前相干公司已推出了商品化6.25 W，532nm VECSELs器件。 VCSELs器件结构典型的VCSELs器件如图2所示。中间是有源区，一般由量子阱组成；有源区的两侧是限制层，夹在两个高反镜(

7、分布式布拉格反射镜, DBR)之间；DBR 由厚度为/4的两种折射率差异较大的材料交替生长而成，DBR的反射率一般在99.5%99.9%之间；在衬底和P型DBR的外表面需要制作金属接触层，形成欧姆接触，并在衬底上制成一个圆形出光窗口，输出圆形的激光束。通常P型DBR与有源区之间有一个AlAs层，这一层经选择氧化后变成低折射率的牢固的隔离氧化物Al2O3，形成氧化限制层，这样就可以减少横向电流扩展效应，达到对有源区电流的限制。 图2. 底发射氧化物限制型VCSELs结构示意图VCSELs与边发射激光器（Edge-Emitting Lasers，EELs）相比的优点 (1)光束质量：VCSELs的

8、出射光是圆形光束。通过适当优化设计的VCSELs还可以发出一个单横模光束(圆形高斯光束)。这个简单的光束结构，大大降低了耦合/光束整形系统复杂性和成本(与EELs相比)，同时增加与光纤的耦合效率或泵浦效率。(2)波长稳定性：VCSELs的激射波长是很稳定，因为它由较短Fabry-Perot腔确定。与EELs相反，VCSELs只能在一个单纵模下工作。VCSELs发射波长的温度漂移系数很小(99%), 相当于一个腔反射镜。有的设计为提高泵浦光的吸收率,还要求DBR 的反射率在泵浦光波长附近也较高。最典型的DBR 由1/4 波长厚的高反射率与低反射率材料交替组成。一般短波长采用AlGaAs/GaAs

9、,长波长采用InGaAsP/InP或AlAsSb/GaSb。DBR的选择要依照增益量子阱材料而定, 它们对激光的吸收很小而且要与衬底材料晶格匹配。有些设计中, 在量子阱有源区的上部也有DBR层, 使芯片本身形成谐振腔。一般地, 还会在芯片表面覆盖防氧化层以保护材料表面。芯片生长完成后将衬底剥离, 粘接固定到散热装置上。泵浦光以一定角度入射到芯片上, 就可以产生垂直于芯片表面的圆对称激光输出。合理设计量子阱芯片, 优化腔结构, 可以得到高功率、良好光束质量的激光输出。光泵VECSELs在红、绿、蓝激光领域的研究现状 紫外以及蓝光波段随着新兴的GaN系列材料的进一步研究, 直接得到良好光束质量的紫

10、外以及蓝光OPS-VECSEL已经在研究中。GaN系列VCSEL 的主要难点是对短波长高反射率DBR的生长、合适的泵浦源以及腔结构的设计, 目前, 从事GaN-VCSEL研究的有日本东京大学的Someya小组： 图10. Schematic diagram of the frequency-doubled VECSEL cavityBRF is a birefringent filter, BBO is the beta-barium borate crystaland mirrors M1, M2, and M3 were coated for high reflectivity at 67

11、4 nmand had radius of curvature of 100 mmM2 and M3 had high transmission at 337 nm. 美国Y.K.Song小组： 图11. Basic setup for an optically-pumped semiconductor disk laser 以及韩国Si Hyun Park小组。由于HfO2 的折射率很高, 可以采用SiO2/HfO2做成蓝光高反的DBR。2006年,Si Hyun Park小组将蓝宝石的一面做成微透镜, 形成微腔, 并采用脉宽5ns,重复频率20Hz的355nm泵浦光。 红光波段 芬兰和英国

12、的研究人员对这一波段进行了研究5,并得到目前功率最高的红光OPS-VECSEL。2005年，得到接近理想光束(M2=1.05)、最高功率390mW 的674nm 激光输出, 并可以实现10nm范围调谐。2006年，采用相似的技术将OPS-VECSEL做成31 列阵。532nm的泵浦光首先通过衍射光学元件被分成三束再入射到芯片上, 激射出三束675nm 红光。用空间光调制器件代替衍射光学元件, 泵浦光从线阵发展成面阵, 可以通过计算机控制空间光调制器件对泵浦光进行调制, 从而控制OPS-VECSEL输出阵列。这种技术可以应用于原子光学、芯片生物系统等领域, 实现对单个光束的精密控制以及光镊等。同

13、年8月, 他们又成功地得到1.1W的675nm激光输出(532nm泵浦功率7W),为目前报道的最高功率连续输出的红光OPS-VECSEL。 近红外波段 由于VECSEL产生的光束质量好, 可以直接用于倍频, 在外腔或延长腔中插入非线性晶体后, 通过倍频或其他非线性光学过程可以产生短波段激光输出。同时, 光泵浦VECSEL和电泵VECSEL相比, 功率的提高不再受电流分布和电阻热效应的影响, 合理设计系统, 提高斜率效率, 并且采用研究比较成熟的高功率泵浦光源, 就可以得到较高的基频光功率及倍频光输出。980nm左右的OPS-VECSEL研究较多, 这个波段的基频光由于倍频后可以得到490 nm

14、 左右的蓝光, 是得到高功率良好光束质量蓝光的一种有效方法, 因此受到了广泛的关注。2003年, 德国的Brick和Lutgen等人得到了8W的1000nm输出。他们通过使用外延生长晶体和有源区散热方法提高了OPS-VECSEL性能, 并且详细分析了泵浦光斑大小对其输出特性的影响。2004 年, 美国相干公司Chilla等人研制的OPS-VECSEL阵列, 800nm左右二极管阵列泵浦功率70W时分别得到了30W，980 nm 和19W，920nm的连续输出。美国的Li Fan等人对980nm OPS-VECSEL也进行了系统的研究, 通过倍频产生高功率的蓝光, 同时有一定的波长调节范围。20

15、06年1月, 韩国三星的Kim等实现了很高的室温光光转换效率(44%) , 并得到10W 的1060nm激光输出。他们描述、分析了芯片质量(包括生长温度、失配度、量子阱数)对激光器性能的影响。 图12. Schematic representation of the VECSEL cavityRoC: radius of curvature; OC: output coupler 光泵VECSELs的倍频技术由于OPS-VECSEL光束质量好, 可以在光路中插入BBO、LBO、BIBO、PPKTP等非线性晶体, 进行直接倍频, 从而得到更短波长的激光输出, 进一步扩展波长范围。特别是在1m 附

16、近, 倍频高功率基频光, 是得到高功率且良好光束质量的蓝绿光的一种良好途径。由相干公司制作的目前最大功率输出的光泵VCSEL, 利用LBO晶体I类相位匹配倍频后, 分别得到15W，488nm 和5W，460nm的连续输出, 也是目前报道的蓝光最高输出功率。2005年, 德国Lutgen小组在先前工作的基础上,在腔内插入4mm 长BIBO晶体, 1040nm基频光倍频后得到520nm绿光,808nm泵浦光功率为7W时得到最大输出0.7W的520nm激光。美国Li Fan等人还实现了980nm OPS-VECSEL的直接倍频及可调谐。2006年,他们利用40W的808nm二极管激光器泵浦980nm

17、基频光, 再通过LBO晶体倍频得到大于1.3W的490nm 激光, 倍频效率为1.3%, 并且实现了最大20nm的波长调谐范围。芯片的有源区是14个InGaAs量子阱, 势垒层为GaAsP, DBR是25对Al0.2Ga0.8As/AlAs, 其反射率R99.5%, 芯片表面镀增透膜。实验光路采用Z型腔, 折叠角度尽量小, 以减小输出镜在切向和纵向不同焦距对基频和倍频光产生的不对称。二极管激光器产生的多模808nm泵浦光从光纤输出后经过透镜聚焦照射到芯片上。光路中, 以布儒斯特角插入了一块双折射滤波片(BF), 它可以选择控制基频光的偏振方向, 同时选择基模波长, 使其带宽变窄, 有利于提高倍频效率。在此基础上, 他们还将两束光通过体布拉格光栅衍射作用合成到一起, 效率达到90%, 这样可以获得更大功率的输出, 且光束质量不会受到很大影响。韩国三星的Kim等研究人员也得到了瓦级输出功率的蓝光。2006年3月, 泵浦功率20W 时, 他们得到4.9W 的920nm连续输出, 插入LBO晶体后得到2W 的460nm蓝光连续输出。VCSEL用于激光显示2005 年, 美国相干公司研制的可商用化的RGB激光器, 其中蓝光