《光泵浦外腔面发射激光器-理论、实验及应用》的理论部分主要介绍与外腔面发射激光器VECSEL密切相关的半导体激光器增益理论、面发射激光器有源区的量子设计、面发射谱的模拟、面内放大自发辐射和热效应的数值分析等理论知识及研究成果。实验部分阐述高功率、倍频、锁模、可调谐、单频、扩展波段以及其它特殊形式的VECSEL实验和最新研究报道。在应用部分重点介绍VECSEL在激光显示、激光光谱学、太赫兹波产生、激光空间通信和生命科学等领域的应用。

第1章简介1
1.1半导体激光器1
1.2面发射激光器6
1.3光泵浦外腔面发射激光器9
参考文献13
第2章增益理论15
2.1能带结构15
2.2增益特性33
参考文献42
第3章有源区的量子设计44
3.1单量子阱44
3.2双量子阱48
3.3三量子阱50
参考文献53
第4章面发射谱的模拟54
4.1边发射谱54
4.2纵向限制因子�鳔い�55
4.3面发射谱及其模拟57
参考文献60
第5章面内放大自发辐射61
5.1VECSEL中ASE的形成机制62
5.2面内ASE谱64
5.3影响因素65
参考文献69
第6章热效应的数值分析71
6.1稳态热效应71
6.2瞬态热效应82
参考文献91
第7章高功率VECSEL94
7.1VECSEL的输出功率95
7.2基质刻蚀型VECSEL98
7.3使用散热窗口片VECSEL109
7.4采用多增益芯片结构的VECSEL124
7.5大泵浦光斑VECSEL129
7.6脉冲泵浦VECSEL132
7.7量子阱阱内泵浦VECSEL137
参考文献145
第8章倍频VECSEL148
8.1角度相位匹配148
8.2倍频晶体150
8.3倍频腔型152
8.4倍频实验154
8.5倍频VECSEL研究概况158
参考文献172
第9章锁模VECSEL175
9.1SESAM被动锁模176
9.2SESAM锁模VECSEL实验185
9.3锁模VECSEL研究综述193
参考文献212
第10章可调谐VECSEL215
10.1调谐元件215
10.2可调谐VECSEL实验220
10.3可调谐VECSEL研究一览224
参考文献244
第11章单频VECSEL245
11.1线宽控制245
11.2单频VECSEL研究进展246
参考文献259
第12章扩展波段VECSEL261
12.1近红外波段261
12.2可见光波段267
12.3紫外波段276
12.4中红外波段280
参考文献292
第13章其他特殊VECSEL295
13.1量子点VECSEL295
13.2双波长VECSEL308
13.3和频及差频VECSEL320
13.4腔内参量振荡VECSEL327
参考文献332
第14章VECSEL的应用335
14.1激光显示335
14.2激光光谱学337
14.3太赫兹波产生340
14.4自由空间光通信343
14.5科研领域的应用345
14.6生命科学领域的应用360
14.7其他应用367
参考文献373

精彩书摘

第1章简介
1.1半导体激光器
1.1.1激光的问世
激光（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）与原子能、计算机、半导体并称为20世纪四大发明，其理论基础需要追溯到1900年普朗克（M.Planck）提出的量子假说。1905年，爱因斯坦（A.Einstein）在普朗克量子假说的基础上提出光子说，很好地解释了光电效应现象。1917年，爱因斯坦进一步提出光与物质相互作用理论，建立了受激辐射等基本概念，预测到光可以产生受激辐射放大。
1924年，托尔曼（R.C.Tolman）指出，产生粒子数反转的介质具有光学增益，这也是产生激光的基本条件之一。1953年，普罗科洛夫（A.M.Prokhorov）和汤斯（C.H.Townes）在微波段实现了受激辐射放大，分别独立报道了第一个微波受激辐射放大器（microwave amplification by stimulated emission of radiationmaser，MASER）。
把受激辐射放大从微波段推进到光频段的工作并不容易，因为要在光频段制作出与微波段类似的波长可比拟的封闭式谐振腔在当时几乎是不可能的。1958年，汤斯和肖洛（A.L.Schawlow）抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的旧思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现光频段受激辐射放大的想法。这期间，布隆伯根（N.Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统原子数反转分布来实现受激辐射光放大的构思。
1960年5月15日，美国休斯公司实验室的梅曼（T.H.Maiman）利用红宝石棒首次观察到激光。梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器：利用一个高强度闪光灯管来激发红宝石棒，在端面镀上反光镜的红宝石的其中一个端面钻一个孔，使激光可以从这个孔输出。当年8月16日，他在�鱊ature�龇⒈砹艘桓黾蚨痰目毂ǎ�后来被汤斯评论为：梅曼的论文是如此之短而又产生了如此众多的巨大影响，以致我相信它是上个世纪�鱊ature�龇⒈淼娜魏尉�彩论文中单个文字最重要的论文。
激光被称为最快的刀、最准的尺、最亮的光，它是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，一经问世，就获得了异乎寻常的飞速发展。激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，使人们能有效地利用前所未有的先进方法和手段，获得空前的效益和成果，从而极大地促进了生产力的发展，也在一定程度上改变了人们的生产及生活方式。
1.1.2半导体激光器简介
半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，使科学家们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。莫斯科列别捷夫物理研究所的巴索夫（N.G.Basov）提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大受激辐射，并立即被应用于无线电微波段的量子振荡器和放大器上。1958年，巴索夫首先提出利用半导体制造激光器的可能性，后来实现了通过PN结、电子束和光泵激发的各种类型的半导体激光器。
在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Kyes）和奎斯特（Qwest）报告了GaAs材料的发光现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣。哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，数周后获得成功。

1962年9月，世界上的第一台半导体激光器几乎同时由通用电气公司、国际商用机器公司和麻省理工学院林肯实验室三个有威望的研究机构发明问世，三家机构各自在一个月内都报道了GaAs的904nm相干输出。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的PN结，只能在77K低温下以脉冲形式工作。1969年，单异质结激光器研制成功，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成，其阈值电流密度数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1970年，贝尔实验室等机构相继研制出室温连续工作的双异质结激光器（DHL），其结构特点是在P型和N型材料之间生长了具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内，注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。双异质结激光器的诞生使半导体激光器的可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高。而足够可靠的半导体激光器直到70年代中期才出现。
异质结激光器的发展，启发了人们将超薄的半导体层作为激光器的激活层，以便产生量子效应。在MBE、MOCVD等半导体外延生长技术的推动下，1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。量子阱半导体激光器与双异质结激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、光谱线宽窄、温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。分布反馈（DFB）式半导体激光器就是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，完全实现了单纵模运行，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代也取得了突破性进展，千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。
典型的条形半导体激光器（也称二极管激光器或激光二极管，laser diode，LD）结构如图1.1所示［1］，自上而下，分别为P型接触、P掺杂的覆层、P掺杂的波导层、有源区、N掺杂的波导层、N掺杂的覆层以及N型接触。由于有源区的厚度只有数微米，而出光孔径的宽度在数十微米，所以半导体激光器的输出光束呈椭圆形，其纵横比差别很大。纵向（也称快轴方向）光束发散角大，但光束质量较好，容易准直，而横向（慢轴方向）光束发散角小，但光束质量较差，一般是多模，不容易准直。因此，在一些对光束质量有特殊要求的应用中，半导体激光器的输出光束需要经过专门的整形之后才能达到使用要求。
图1.2是半导体激光器的光学谐振腔的示意图。从已完成外延生长的半导体晶圆片上划分出来的芯片，在与生长平面垂直方向上的两个解理面，能对激光提供约30%的反射率，形成激光谐振腔。但这种自然形成的谐振腔损耗太大，而且实际应用中一般也只希望激光器的一端出光，所以往往在其中的一个端面进行高反镀膜处理，构成如图1.2所示的谐振腔［1］。
图1.1条形半导体二极管激光器示意图
图1.2激光二极管的光学谐振腔示意图
1.1.2.1半导体激光器的特点
与固体激光器、气体激光器等其他种类的激光器相比，半导体激光器（主要指电激励方式半导体激光器）由于其本身介质的特殊性，使得它具备以下一些特点［2］：
（1）体积小，重量轻。电激励型半导体激光器器件本身的大小都在1mm3以下，即使加上散热片和电源装置，一个封装完整的成品半导体激光器仍然是一个非常小的小型系统。
（2）可以电流注入激励。单个的半导体激光器只需要几伏的低电压，毫安级注入电流（典型值2V，15mA）便可达到激光器阈值，发射出激光。除电源装置以外，激光器不需要其他任何附加的激励设备和部件。因为是电功率直接变换成输出光功率，所以能量转换效率高，目前商用半导体激光器的电.光转换效率达60%以上，实验室可达70%，理论上的最高效率可达85%。
（3）室温下可连续振荡。在室温附近的温度范围内，大多数半导体激光器都能够实现连续振荡，给实际应用带来极大的方便。
（4）波长范围广。适当地选择半导体材料及合金半导体内各材料的组分，利用成熟的半导体能带工程，半导体激光器可输出从可见光到红外波长范围内的任意波长。
（5）增益带宽宽。即使是一种固定材料的半导体激光器，能够得到光放大增益的波长范围也是比较宽的。因此在这个范围内可以任意选择发射波长，从而实现波长可调谐输出激光器，也能够实现宽带光放大器。
（6）可直接调制。因为可以电流注入激励，所以可以把信号叠加在半导体激光器的激励电流上，在直流到吉赫兹（GHz）波段的宽频范围内，对激光器的振荡强度、振荡频率或相位进行调制。
（7）相干性好。用单横模的半导体激光器可以得到空间上相干性很高的输出激光。在DFB，DBR半导体激光器中能产生亚兆赫兹（MHz）窄谱线宽度的激光输出，得到稳定的单纵模激光，其时间上的相干性也很高。
（8）能够产生超短激光脉冲。采用增益开关或锁模的方法，以简单的系统结构就能从半导体激光器中获得从纳秒（ns）到皮秒（ps）量级的超短激光脉冲。
（9）可靠性高。半导体激光器是单片形状，具有牢固的机械结构。另外，半导体激光器没有磨损等因素，所以不需要维修，故寿命长，可靠性高。
（10）可批量生产。由于是小型、层状结构，半导体激光器可以用光刻和平面工艺技术制作，适宜于大批量生产。
（11）可单片集成化。由于是小型层状结构，半导体激光器体积小、重量轻、可电流注入激励、可靠性高，所以能够把同种半导体激光器集成在同一衬底上，实现半导体激光器本身的集成。另外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，所以在同一衬底上，用相同的半导体材料又可以制成光探测器、光调制器和电子电路元件，实现半导体激光器与其他光子及电子器件的集成，得到单片集成的高性能器件。
必须注意到，半导体激光器同时也存在自身的缺点和问题。
（1）温度特性差。由于半导体材料的各种性质与温度密切相关，所以半导体激光器的工作特性与温度有显著关系，环境温度的变化会导致激光器输出频率、阈值电流以及输出功率等随之发生改变。
（2）容易产生噪声。半导体激光器是利用高浓度的载流子工作，所以载流子的起伏会影响有源区的折射率。另外，半导体激光器的谐振腔长度短，还采用了低反射率的端面作为反射镜，所以激光振荡容易受到外部返回光的影响。因此，半导体激光也容易产生噪声和不稳定性。
（3）输出光束发散。由于半导体激光器的激光输出端面尺度小且纵横比差别很大，激光输出时形成椭圆形的发散光束，光束质量较差。一些情况下，需要对光束进行整形才符合使用要求。
1.1.2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、发展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，生产量大，应用范围广。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，在激光通信、激光测距、激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用。
信息光电子方面的应用：半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存储、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。一般长波长半导体激光器用于光通信，短波长半导体激光器则用于光盘读出，而可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存储的读出和写入、激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器等方面有着广泛的用途。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。
工业生产方面的应用：大功率半导体激光器在精密机械零件等激光加工方面有重要应用。现在，大功率半导体激光器的投资费用及运营成本已经比Nd：YAG激光器低很多，与CO2激光器相当，甚至更低，所以，大功率半导体激光器逐渐跻身工业应用中的切割和高速深度焊接领域，在汽车车身制造和电子元件的密封封装方面有越来越多的应用。其次，高功率半导体激光器在工件的表面淬火硬化、表面沉积耐磨层或耐磨层的修复、对静电敏感及温度敏感元件的软焊接以及聚合物的焊接等方面也存在很好的应用前景。
科学研究方面的应用：半导体激光器是固体激光器最理想的高效率泵浦光源