因較大發(fā)散角而導(dǎo)致光束質(zhì)量差一直是半導(dǎo)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�？圃洪L春光機所研究人員在低發(fā)散角半導(dǎo)體激光器芯片技術(shù)上獲得突破，可通過壓縮激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角成功改變半導(dǎo)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(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室大功率半導(dǎo)體激光器課題組佟存柱研究員承擔(dān)的中科院知識創(chuàng)新工程領(lǐng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)成功的將半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致較差的光束質(zhì)量。而光束質(zhì)量反映的是激光的可匯聚性，直接影響到實際應(yīng)用。目前商業(yè)化的半導(dǎo)體激光器均采用全反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖1(a))，該結(jié)構(gòu)的激光諧振腔狹小，不對稱，導(dǎo)致快軸發(fā)散角高達(dá)30o-60o，慢軸發(fā)散角10o。

圖1. (a)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖及典型遠(yuǎn)場圖  (b)布拉格反射波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)示意圖 

研究小組采用雙邊橫向布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖1(b))，該結(jié)構(gòu)通過光子禁帶原理進行光學(xué)導(dǎo)波，所限制模式為光學(xué)缺陷模式，可以有效壓縮激光的遠(yuǎn)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(zhì)量厚尺度(>10微米)外延生長技術(shù)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(dǎo)激光器L-I-V特性，內(nèi)插圖為激射譜  (b) 3A工作電流下的遠(yuǎn)場發(fā)散角，內(nèi)插圖為測量的二維遠(yuǎn)場光斑

該類器件結(jié)構(gòu)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(zhì)的半導(dǎo)體激光器，如量子點、量子級聯(lián)激光器等，這可以從芯片結(jié)構(gòu)角度徹底改變半導(dǎo)體激光器發(fā)散角大而不對稱的缺點。該器件核心結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(dǎo)體激光器的發(fā)展，幫助我國突破在大功率激光器技術(shù)研究上的障礙，提升我國在國際激光領(lǐng)域的技術(shù)地位，形成自主的激光芯片，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。