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垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)憑借其低閾值、圓形光斑、單縱模、低溫漂系數(shù)、高可靠性及易于二維集成的優(yōu)點,廣泛應用于泵浦源、消費電子、3D傳感、醫(yī)療美容等多個領(lǐng)域。然而,傳統(tǒng)VCSEL在輸出功率方面存在一定的局限,為提高功率,通常采用增大氧化孔徑、多結(jié)結(jié)構(gòu)以及擴大陣列規(guī)模等方法。這些手段雖然能夠增加輸出功率,但卻導致發(fā)散角增大和橫模變?yōu)楦唠A模等問題,進而使光束質(zhì)量(Beam Parameter Product,BPP)下降,最終導致亮度急劇降低。因此,高功率與高光束質(zhì)量之間的制約,成為了VCSEL技術(shù)發(fā)展的核心難題之一,也極大地限制了其在激光雷達、空間光通信等需要高亮度光源的遠程探測與照明系統(tǒng)中的應用。

為解決這一瓶頸,中國科學院半導體研究所固態(tài)光電信息技術(shù)實驗室鄭婉華院士團隊聯(lián)合中國科學院大學等單位,創(chuàng)新性地提出二維固態(tài)激光陣列(SSLA)解決方案。該技術(shù)通過將大尺寸高功率VCSEL陣列與薄型Nd:YVO4激光晶體直接集成,構(gòu)建出緊湊型二維面陣激光器結(jié)構(gòu),在實現(xiàn)功率等比擴展的同時能顯著提升光束質(zhì)量。實驗數(shù)據(jù)顯示,這款3×3 mm2 的SSLA陣列在1 μm中心波長下,單脈沖能量達4.7 mJ,光光轉(zhuǎn)換效率52%,面光源亮度高達1.27 kW·cm-2·sr-1,較傳統(tǒng)VCSEL陣列提升近三個數(shù)量級。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在:①各發(fā)光單元保持M2<1.5的優(yōu)異光束質(zhì)量;②繼承VCSEL陣列的固有激光發(fā)射陣列模式;③突破功率擴展與光束退化的傳統(tǒng)矛盾。這種“高功率-高亮度-高集成"三位一體的技術(shù)突破,為遠程探測系統(tǒng)提供了輕量化的高亮度光源解決方案。此外,這項二維固態(tài)激光陣列技術(shù)的突破,不僅為傳統(tǒng)應用領(lǐng)域的進一步發(fā)展開辟了新的可能,也為高速數(shù)據(jù)傳輸、三維成像、精密測距等新興領(lǐng)域的應用奠定了技術(shù)基礎。在未來,隨著技術(shù)的不斷成熟,面陣激光源的可芯片化設計將成為激光技術(shù)發(fā)展的重要方向,推動激光技術(shù)向更高效、更緊湊的未來邁進。

該研究成果以“Scaled-up 2D Solid-State Laser Array”為題,發(fā)表于Optics Letters(《光學快報》),并被選為Editor's pick(“編輯精選”)。半導體所博士生張妮慧和國科大單珍嬌為論文共同第一作者,渠紅偉研究員、周旭彥副研究員和齊愛誼副研究員做出了重要貢獻。該工作得到了鄭婉華院士的悉心指導和國家重點研發(fā)計劃項目的支持。
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