因較大發(fā)散角而導致光束質量差一直是半導體激光器的最大缺點之一，研究人員一直致力于解決這項核心瓶頸，而就在最近，這一研究取得了階段性進展。科院長春光機所研究人員在低發(fā)散角半導體激光器芯片技術上獲得突破，可通過壓縮激光的遠場發(fā)散角成功改變半導體激光器發(fā)散角大而不對稱的缺點。

近日，由中科院長春光機所發(fā)光學及應用國家重點實驗室大功率半導體激光器課題組佟存柱研究員承擔的中科院知識創(chuàng)新工程領域前沿項目“大功率高亮度光子晶體激光器及列陣”取得了階段性進展，他們通過布拉格反射波導結構成功的將半導體激光快軸(垂直)發(fā)散角從40o降低到7.5o，慢軸(水平)發(fā)散角7.2o，實現(xiàn)近圓形光束出光。

一直以來，半導體激光器的最大缺點之一是它較大的發(fā)散角，以及橢圓形出光光斑，這導致較差的光束質量。而光束質量反映的是激光的可匯聚性，直接影響到實際應用。目前商業(yè)化的半導體激光器均采用全反射波導結構(如圖1(a))，該結構的激光諧振腔狹小，不對稱，導致快軸發(fā)散角高達30o-60o，慢軸發(fā)散角10o。

圖1. (a)半導體激光器結構示意圖及典型遠場圖  (b)布拉格反射波導激光器結構示意圖 

研究小組采用雙邊橫向布拉格反射波導結構(如圖1(b))，該結構通過光子禁帶原理進行光學導波，所限制模式為光學缺陷模式，可以有效壓縮激光的遠場發(fā)散角。在成功解決了光子晶體缺陷模式與全反射模式競爭、高質量厚尺度(>10微米)外延生長技術問題后，實現(xiàn)了該器件室溫連續(xù)激射。器件工作于808nm，輸出功率>2W，斜率效率0.531W/A，快、慢軸發(fā)散角被降低到7.5o和7.2o，出光光斑近圓形 (如圖2)。

圖2. (a)808nm 布拉格反射波導激光器L-I-V特性，內插圖為激射譜  (b) 3A工作電流下的遠場發(fā)散角，內插圖為測量的二維遠場光斑

該類器件結構不僅可以用于量子阱激光器，還可以拓展到不同波長、不同增益介質的半導體激光器，如量子點、量子級聯(lián)激光器等，這可以從芯片結構角度徹底改變半導體激光器發(fā)散角大而不對稱的缺點。該器件核心結構已經申請國家發(fā)明專利4項，目前，研究人員正在抓緊時間優(yōu)化工藝，進一步提高器件的性能，努力實現(xiàn)實用化。

這一研究有助于推動我國半導體激光器的發(fā)展，幫助我國突破在大功率激光器技術研究上的障礙，提升我國在國際激光領域的技術地位，形成自主的激光芯片，推動相關產業(yè)的發(fā)展。