摘要：與傳統的邊發射半導體激光器相比，垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有光束質量好、閾值電流低、易于二維列陣集成和制造成本低廉等優點。近年來，以VCSEL為基礎發展起來的電抽運和光抽運垂直外腔面發射激光器（VECSEL），在獲得高的輸出功率和光束質量的同時，可以通過在腔內插入光學元件，實現腔內倍頻、波長可調諧和鎖模等激光技術，在激光領域很有競爭力。本文介紹了面發射半導體激光器的結構、工作原理及性能優勢，綜述了其在高功率輸出、可調諧技術、鎖模技術等方面的研究現狀與進展，探討了該類型激光器的發展前景。

1引言

半導體激光器具有體積小、質量輕、效率高、波長范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產等優點，自20世紀70年代初實現室溫連續運轉以來，已成為光電子技術領域的重要器件。傳統的邊發射半導體激光器已實現較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達100 … 1，在某些應用中須附加光束整形系統。1979年，Soda等提出了垂直腔面發射激光器（VCSEL）的概念，與傳統的邊發射激光器不同的是其激光出射方向垂直于襯底表面，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長與波長接近，動態單模性比較好，有望在光通信、光互連、光存儲、激光顯示和照明等領域大展身手。目前，Princeton Optronics公司獲得了VCSEL單管連續輸出的最高功率為5.5 W。可是，由于VCSEL的諧振腔是由頂部布拉格反射鏡（DBR）和底部布拉格反射鏡構成，腔長與波長同量級，導致器件發散角較大（半角寬度約15°）。為了獲得較小的發散角，一種垂直外腔面發射激光器（VECSEL）應運而生。由于采用外腔結構，其腔長由波長量級增加到毫米至厘米量級，有效改善了光束質量，理論極值達M2~1。早期的垂直外腔面發射激光器依舊采用電抽運（EP）方式，目前EP - VECSEL單管獲得了超過9 W的連續輸出。可是電抽運VCSEL和VECSEL均因電流注入不均勻和串聯電阻熱堆積，在單橫模工作模式下高功率輸出受到限制。1997年，Kuznetsov等提出的光抽運垂直外腔面發射激光器（OP - VECSEL），也有人稱為半導體盤片激光器（SDL）。其綜合了高光束質量的垂直腔面發射激光器和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時獲得高功率和高光束質量的激光輸出，覆蓋從深紫外到中紅外波段的廣闊波段。在紫外及藍紫光波段，半導體增益介質以InGaN - GaN材料體系為主，在GaN基底材料上生長出多個InGaN量子阱。在紅光至近紅外波段，半導體增益介質主要采用在GaAs襯底上生長InGaP – AlGaInP、GaAs - AlGaAs、InGaAs - GaAsP及GaInNAs - GaAs量子阱。1.5 μm附近波段主要在InP襯底上生長AlGaInAs - InP量子阱來實現，2~3 μm則通過在GaSb襯底上生長GaInAsSb - GaSb材料系來實現。對于更長的4~5 μm波段，襯底材料多為BaF2，增益介質材料為PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe體系。同時，得益于其外腔的存在，可以方便地進行鎖模而獲得超短脈沖輸出；還可以實現高效率的激光腔內頻—頻轉換，擴展了輸出波長范圍。另外，OP - VECSEL的獨到之處在于半導體增益芯片結構簡單、無p - n結、無電接觸，極大地簡化其生長過程，在提高增益芯片可靠性的同時，消除附加電阻上的熱效應；抽運波長可選擇性設計；可獲得百納米的波長調諧范圍；半導體增益芯片上抽運光斑較大，高功率時產生光學損傷的可能性減小；激光器體積緊湊，攜帶方便，實用程度高。在實際應用中，方便作為儀器儀表和顯微鏡的配套光源，目前，單管OP - VECSEL連續輸出功率已高達106 W。

本文介紹了VCSEL，EP - VECSEL和OP - VECSEL的原理和特性，并綜述了其最新研究進展、主要應用和發展前景。

2基本原理

2.1 VCSEL

如圖1所示，典型的VCSEL包括頂發射和底發射兩種結構。一般來說，早期典型器件是通過金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）技術在N型GaAs襯底上生長而成的。其主要由DBR作為激光腔鏡，量子阱有源區（MQWs）夾在n - DBR和p - DBR之間，由于量子阱厚度小，使單程增益很小，因此反射鏡的反射率較高，一般全反腔鏡反射率> 99.9%，輸出腔鏡反射率通過理論計算設定最佳的耦合輸出率（> 99%），然后，在襯底和p - DBR外表面制作金屬接觸層。通過在p - DBR或n - DBR上制作一個圓形出光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米到百微米量級，再和導熱性好的熱沉鍵合，提高芯片的散熱性能。由于GaAs襯底對800 nm附近的光有強吸收，所以在這個波段的器件通常采取頂發射結構。底發射結構可用于產生976 nm和1064 nm波段，為了減少襯底的吸收損耗，通常將襯底減薄到150 μm以下，再生長一層增透膜，提高激光光束質量，最后將增益芯片安裝在熱沉上，離有源區更近，因此散熱性更好。

圖1 VCSEL結構簡圖。（a）頂發射結構；（b）底發射結構

2.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL的芯片包括電注入結構、有源區和DBR，與傳統的VCSEL相比，其引入的外腔結構增加了腔長，如圖2所示。諧振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔鏡等3個鏡面，是一種由兩個子諧振腔構成的耦合諧振腔。激光器芯片上生長的p - DBR、n - DBR以及夾在其中的有源區組成的諧振腔為有源腔，提供激射所需的增益；由p - DBR及外腔鏡組成的諧振腔可以通過控制不同傳輸模式的損耗，抑制高階橫模，從而改善光束質量。

圖2 EP - VECSEL器件結構圖

2.3 OP - VECSEL

OP - VECSEL與EP - VECSEL相比，減少了電流注入部分，其結構主要包括熱沉、增益芯片、外腔輸出鏡（OC）、抽運光。抽運方式通常有兩種：端面抽運和背端抽運；圖3為端面抽運的OP - VECSEL結構，抽運光反向注入且與輸出光成一定夾角（一般約為45°）聚焦到增益芯片上，如果角度太大會導致抽運光斑形狀不均勻，而角度太小可能阻擋激光振蕩。其增益芯片為頂發射結構，主要分為4個部分：襯底、DBR、MQWs增益區和窗口層，可在襯底上通過分子束外延技術（MBE）或者金屬化學物有機氣相沉積（MOCVD）逐層生長而成。考慮激光器的散熱問題，通常把激光器芯片的頂層與熱導率高的導熱片鍵合后使用，如光學金剛石片、光學SiC片或藍寶石片等。

圖3 OP - VECSEL端面抽運裝置圖

圖4為背端抽運的OP - VECSEL及其增益芯片的結構，與端面抽運不同，其抽運光從后腔鏡入射與輸出光同軸同向。盡管抽運光斑不大，但可獲得更加均勻的圓形抽運光斑，并且抽運光耦合系統相對容易架設，結構緊湊，更有利于激光的集成與封裝。其增益芯片為底發射結構，生長順序與頂發射不同，先在襯底上生長窗口層，再生長MQWs，最后生長DBR。再將DBR焊接到金剛石或SiC散熱片上。另外，由于抽運光通過DBR后才進入增益區，因此要盡量使DBR對抽運光透明，對激光波長有高反射。

圖4 OP - VECSEL背端抽運裝置圖

3研究進展

3.1 VCSEL

近紅外波段的研究較多也較為成熟，其中808 nm波段主要集中在高功率陣列輸出方面。長期以來，Princeton Optronics公司致力于該方面的研究，并于2013年獲得了目前最高輸出功率的808 nm VCSEL陣列，應用于高速成像的高功率照明模塊，其輸出功率高達4800 W，可以在準連續條件下工作。

850 nm VCSEL陣列輸出功率已經達到4 W。2015年，Watkins等報道了850 nm單管VCSEL的單頻激光輸出超過100 mW，為目前850 nm最高的單管輸出功率，據悉，該小組正在努力研制該波段輸出功率5 W的單管器件。

980 nm波段VCSEL的研究最為成熟。在很長一段時間內，D′Asaro等獲得的3 W 980 nm VCSEL一直是電抽運VCSEL單管輸出的最高功率。2015年他們獲得了發射波長為976 nm的高功率電抽運VCSEL，在20 ℃連續工作條件下，功率達到5.5 W，刷新了單管VCSEL的最高功率。顯然，陣列是提高輸出功率的有效途徑。2012年，Princeton Optronics公司推出的980 nm高功率VCSEL面陣和面陣組合模塊產品，面陣組合模塊連續輸出超過14 kW，為目前980 nm陣列輸出的最高功率。

1 μm波段自Hou等率先在室溫下獲得1060 nm連續輸出連續輸出后發展迅速。Zhou等通過優化DBR和增益區的設計，獲得了目前VCSEL單管63.4%的最高轉換效率，高于Kageyama等獲得的62%的轉換效率。同時，他們用于照明領域的1064 nm照明器，由8 x 16 kW的模塊組成，輸出功率高達100 kW。

1310 nm和1550 nm波段的VCSEL器件一般由InP和GaAs基材料體系來實現。Boehm等制作的1.3~2.0 μm AlGaInAs / InP系VCSEL，為了降低熱效應，頂部反射鏡由基于InP的化合物半導體組成，在MBE結構上生長的掩埋隧道結提供了自調節的橫向電和光限制以及穩定的低電串聯電阻。1.315 μm器件室溫下的單模最大輸出功率為0.43 mW，多模連續工作的最大輸出功率為7 mW。Klem等在摻Si的GaAs襯底上生長InGaAsN增益材料并通過增大電流注入孔徑和隧道結的形式在室溫下獲得了1300 nm的連續輸出，最大輸出功率為2.1 mW，可操作最高溫度為105 ℃。Nishida等把DBR和量子阱之間的AlGaAs空間層替換為i - GaAs隔離層，以此阻止Al擴散到量子阱中降低表面質量和量子阱的光致發光（PL）密度，獲得了4.2 mW的1261.5 nm輸出。Michalzik將Sb加入到GaInNAs材料中，得到的GaInNAsSb可輸出波長為1530 nm，連續輸出功率為2 μW。

可見光波段的紫光和藍綠光主要通過GaN基材料直接激發，主要難點是短波長高反射率DBR的生長、有效的電流注入以及熱管理。目前，420 nm紫光已經獲得了0.6 mW的輸出功率。使用高反射率的全電介質DBR的GaN基VCSEL已經獲得了0.7 mW的451 nm藍光和0.8 mW的503 nm綠光，其輸出功率較低。Hamaguchi等考慮到n型GaN襯底的熱導率高于傳統使用的藍寶石或Si襯底，加之外延橫向過生長（ELO）方法可以精確控制腔體長度和形成高反射率電介質DBR，通過兩者結合在GaN基VCSEL中獲得了1.165 mW的453 nm激光輸出，為目前電抽運藍光VCSEL輸出的最高功率。

紅光VCSEL也在熱管理上遇到了很大的挑戰。較高的發射能量將DBR AlxGa1-xAs的x的組成范圍限制在0.5~1.0，限制了反射鏡中可用的折射率范圍，反過來又需要更多的DBR層數以實現所需的反射率，較多的DBR層數會產生較高的電流阻抗，而較高的熱阻會加重器件的熱效應。Johnson等在室溫下獲得了多模673 nm的AlGaInP VCSEL最大輸出功率達到11.54 mW，轉換效率達22.9%，為目前紅光波段單管輸出的最高水平。為了提高輸出功率，Seurin等將GaAs襯底去除并將芯片焊接在高導熱性基座上，制造高功率二維陣列，如2 mm x 2 mm的688 nm VCSEL陣列在室溫下獲得了3 W的連續輸出功率，而4 mm x 4 mm的650 nm和688 nm VCSEL陣列在準連續（QCW）運轉中分別獲得了17和55 W的輸出功率。

3.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL是VCSEL向OP - VECSEL發展的過渡產物，其研究主要集中在最初的近紅外波段（850~1550 nm），同時可以基于腔內倍頻有效地在可見光區域產生激光輻射，易于設計為具有多個激光元件的二維陣列，大幅提高了輸出功率。因此，EP - VECSEL適合批量生產，大大降低了制造成本。

近紅外波段的研究已有較多相關報道。Leeuwen等研制的980 nm EP - VECSEL產品，外腔鏡使用雙凸透鏡與平面鏡構成擴展腔結構，單管器件的基模和多模連續輸出功率分別為365 mW和1 W，在15 ns、1 kHz的脈沖工作條件下，基橫模峰值輸出功率達到4 W。Princeton Optronics公司亦研制出包含475個發光單元的980 nm EP - VECSEL列陣器件，連續及脈沖工作時基模輸出功率分別達到42 W和155 W，成為EP - VECSEL基橫模輸出的最高水平。1.06 μm波長獲得了EP - VECSEL單管最高的輸出功率，Zhao等使用MOCVD在n型GaAs襯底上生長芯片材料，為了減小吸收，襯底摻雜濃度很低（< 2 x 1017?cm-3）。增益區由InGaAs / GaAs組成，DBR由GaAs / AlGaAs組成，該器件輸出功率達9.04 W。

2004年，Kurdi等首次報道了InGaAsP EP - VECSEL室溫輸出1550 nm激光，該口徑為50 μm的InP基VECSEL連續輸出功率為0.3 mW，準連續條件下輸出達2.76 mW。利用掩埋隧道結型和離子注入結型控制電流均勻性，獲得了1550 nm的3 mW脈沖輸出和0.5 mW單橫模輸出。2010年，Harkonen等利用掩埋隧道結型在GaInAsSb VECSEL中獲得了2.34 μm脈沖光輸出，設計了30~90 μm口徑的器件，并在90 μm口徑的器件中獲得最高的脈沖峰值功率為1.5 mW。

3.3 OP - VECSEL

在紅外波段，850 nm激光常采用量子阱內抽運方式以提高量子效率，減小熱效應。其中，Zhang等使用806 nm光纖耦合激光二極管抽運GaAs / AlGaAs VECSEL，得到最大功率1.02 W的855 nm輸出。Beyertt等使用833 nm抽運光阱內抽運獲得了865 nm的1.6 W的激光輸出，光光轉換效率高至50%。美國相干公司研制的InGaAs / GaAs VECSEL，獲得了30 W的980 nm和19 W的920 nm的連續多模輸出，為目前980 nm單管OP - VECSEL獲得的最高功率。960 nm基模激光也獲得了數十瓦的功率輸出。Rudin等報道了20.2 W輸出的InGaAs/ GaAs VECSEL，其DBR對激光反射率R為99.95%，同時對抽運光反射率為97%，使抽運光得以兩次通過增益區，吸收可達85%。使用808 nm激光器45°入射抽運，斜效率為49%，光光轉換效率為43%，光束質量因子M2 ≈ 1.1，這是目前OP - VECSEL單管基模輸出的最高功率。

目前1 μm波段研究最為成熟。Lee等在背端抽運OP - VECSEL中利用液體毛細管綁定散熱窗口獲得了9.1 W的1079 nm連續輸出，這是背端抽運獲得的最高輸出功率。Heinen等利用熱電制冷器控制溫度，提高芯片和基底的鍵合質量，利用金剛石作為散熱片，在3 ℃時獲得了106 W的1028 nm連續InGaAsOP - VECSEL多模激光輸出，這是目前單管最高輸出功率，在輸出功率為99.6 W時，光光轉換效率達45%。Zhang等利用腔內的雙折射濾波片和5%的輸出耦合鏡，獲得了23.6 W的1013 nm單頻輸出，為目前單頻輸出的最高功率。在更長的1160~1200 nm波段，由于InGaAs / GaAs中In的組分更高，晶格應變更嚴重，Kantola等在InGaAs / GaAs量子阱中生長了GaAsP應力補償層，在熱沉-15 ℃下獲得了50 W的1180 nm輸出，光光轉換效率為28%。2017年，Leinonen等在AlGaInAsOP - VECSEL中利用特制的金反射鏡將未吸收的光再次反射進增益區，增強吸收，在熱沉-5 ℃下獲得了33 W的1275 nm激光輸出。

Lyytikainen等和Rantamaki等合作進行了1.3~1.55 μm的研究，先后獲得了2.7 W的1.3 μm輸出、2.6 W的1.57 μm輸出和1 W的1.56 μm單頻輸出，以及5 W的1.48 μm激光輸出。2014年他們設計了腔內金剛石散熱芯片結構，并利用980 nm抽運AlGaInAs / InP結構，獲得1300 nm出光功率為7.1 W，且M2< 1.25，為該波段輸出的最高功率。

2~5 μm中紅外波段已經獲得數十瓦級輸出。Hopkins等在AlGaIn / AsSb VECSEL中獲得了5 W的2 μm激光輸出，利用雙折射濾波片可調諧波長范圍為80 nm。2015年，Holl等利用1470 nm低量子虧損抽運并結合前后散熱熱沉，在0 ℃條件下獲得了2 μm激光的最高輸出，功率達20 W，之后換用金剛石散熱片在室溫下獲得了17 W的激光輸出。Ishida等使用1.55 μm光纖激光抽運PbSrS / PbS和PbTe / CdTe VECSEL，通過控制溫度，分別獲得了2.65~3 μm和3.3~4.2 μm的激光輸出，最高功率分別達2 W和700 mW。而在BaF2襯底上生長PbTe / PbEuTe增益區并使用Al作為散熱片，亦獲得了300 mW的5 μm波長輸出。

在可見光波段，同GaN - VCSEL，直接激發材料獲得紫光以及藍光的主要難點集中在生長優質的DBR結構、合適的抽運源、腔結構的設計，以及高效的熱管理。Debusmann等利用375 nm染料激光器抽運InGaN OP - VECSEL，獲得415 nm藍光，單脈沖能量為60 nJ，相應峰值功率22 W。2015年，Baumg?rtner等在熱沉溫度-15 ℃條件下，于GaInP / AlGaInP OP - VECSEL中獲得了1.6 W的665.5 nm連續紅光，2016年，利用多程量子阱抽運，將功率提高到2.5 W，這是目前紅光OP - VECSEL的最高輸出功率。

在紫外波段，直接從GaN基VECSEL中獲得紫外光輸出仍是一個亟待突破的難題。2000年，Zhou等利用三倍頻鎖模355 nm Nd … YAG激光器為抽運源，采用GaN / AlGaN和SiO2 / HfO2DBR形成諧振腔，獲得了室溫準連續條件下InGaN / GaN VECSEL的383 nm的紫外光，輸出功率為3 mW。

綜上所述，面發射半導體激光器通過直接激發已可使輸出波長覆蓋從深紫外到數微米紅外的波長范圍。其中1 μm波段研究較為成熟，在該波段VCSEL單管最高輸出功率達5.5 W，陣列輸出功率達100 kW；EP- VECSEL單管最高輸出功率超過9 W，陣列輸出達42 W；OP - VECSEL單管最高輸出功率106 W，單頻最高輸出功率23.6 W。另外，其突出的高轉換效率也為面發射半導體增彩不少，VCSEL的轉換效率最高可達63.4%。OP - VECSEL轉換效率也高達50%。

4應用

通過激光技術可以擴展面發射半導體激光器的應用，將其優點發揮到極致。利用偏硼酸鋇（BBO）、三硼酸鋰（LBO）、磷酸氧鈦鉀（KTP）等非線性晶體進行變頻可得到更短波長的激光輸出，進一步擴展波長范圍；半導體增益片具有數十納米的增益帶寬，擴展腔結構亦可方便地插入濾波元件和調諧元件，獲得單頻和可調諧激光輸出；半導體可飽和吸收鏡（SESAM）被動鎖模和克爾透鏡鎖模可以獲得飛秒級超短脈沖，同時具有高重復頻率，這些技術使面發射激光器有更為廣闊的應用前景。

紅外波段的808和980 nm著重于高功率面陣的研究，用于抽運摻鉺的光纖放大器和端面抽運Nd … YAG、Nd … YVO4等固體激光器以及紅外照明、成像等應用。另外，Watkins等研制的單頻窄線寬780、795和850 nm VCSEL可用于原子鐘及其相關領域，如基于原子鐘新型傳感器等。980 nm EP - VECSEL使用SESAM被動鎖模已經獲得了2.5 ps脈寬的激光輸出，其平均功率為53.2 mW、峰值功率為4.73 W、重復頻率為18.2 GHz，均為目前EP - VECSEL鎖模的最高水平。980 nm OP - VECSEL利用InGaAs增益芯片的克爾透鏡效應鎖模得到了脈寬為930 fs、重復頻率為210 MHz和峰值功率為6.8 kW的激光輸出，為目前OP - VECSEL超短脈沖最高的峰值功率，可應用于光通信和光時鐘領域。

1 μm激光的超短脈沖，通過SESAM鎖模脈沖寬度已經縮短至60 fs，重復頻率高達175 GHz，平均功率提高到6.4 W，峰值功率亦提高到4.35 kW。使用碳納米管可飽和吸收鏡（GSAM）鎖模，Husaini等獲得了脈寬為353 fs、脈沖能量為2.8 nJ、平均功率為10 W的1030 nm輸出，為目前超短脈沖最高的平均功率。在高速計算系統和計量學等領域、光時鐘、頻率轉換、高速電光采樣、時間分辨光譜學等占有一席之地。近幾年，M Squared Laser公司成功地實現了輸出波長范圍920~1050 nm的鎖模VECSEL的商業化應用，為日漸興起的非線性顯微鏡市場提供了一種低成本、易操作的激光光源。2016年，Lubeigt等再次實現了脈沖130 fs以下，重復頻率為200 MHz、平均功率為0.85 W的鎖模OP - VECSEL，有望代替鈦寶石超快激光器在非線性領域的應用。2017年，Scheller等報道了產生1012和1015 nm的雙波長OP - VECSEL，可用于差頻產生太赫茲光源。圖5是常用的2種SESAM被動鎖模腔型，激光的一個端鏡為耦合輸出鏡，另外一個端鏡是被動鎖模元件SESAM。圖5（a）所示的V型腔通過移動耦合輸出鏡和SESAM的位置改變增益介質和SESAM上激光模式大小的比例，獲得可調節的脈寬輸出，圖5（b）所示的Z型腔則具有更穩定的鎖模輸出。

圖5 OP – VECSEL SESAM被動鎖模示意圖。（a）V型腔；（b）Z型腔

近紅外波段中有三個石英光纖的低損窗口，850 nm是第一個低損窗口，主要用于短距離的高速數據通訊和光互連；1330 nm是第二個低損窗口；而1550 nm是第三個低損窗口，也是損耗最低的一個窗口。因此，1310 nm和1550 nm VCSEL分別用于中距離和遠距離高速數據通訊和光互連、光并行處理、光識別系統等。目前，850 nm VCSEL設備的傳輸速度可達160 Gb·s-1。1.3 μm VCSEL設備的傳輸速度可達到25 Gb·s-1，1.5 μm VCSEL設備的傳輸速度可達56 Gb·s-1。2011年，Gierl等利用微機械技術（MEMS）進行調諧首次報道了1550 nm波段可調諧范圍>100 nm的單模輸出，刷新了之前1550 nm最寬可調諧范圍65 nm的記錄。2012年，Jayaraman等報道了在InP1310 nm VCSEL中利用MEMS技術獲得了150 nm的連續可調范圍，該器件在其整個調諧范圍內掃描速度高達500 kHz，可用做光學相干斷層掃描和高速瞬態光譜掃描的光源。

1.68 μm與1.80 μm波長和2~2.5 μm波段主要用于環境監測。前者可分別用于甲烷和水的氣體檢測。后者對大氣中的污染物，如CH4、CO、NO2H2等有強烈的吸收譜線，可用于天然氣探測和大氣環境監測，但是CO2和H2O對其吸收率很低，因此可以對樣品進行光譜分析從而確定其成分組成。2009年，Harkonen使用980 nm光源采用典型的V型腔結構抽運GaSb VECSEL，獲得了4 W的2 μm激光輸出，并使用腔內雙折射濾光片實現了156 nm可調諧范圍。這是OP - VECSEL可獲得的最寬的調諧范圍。Solus Technologies公司開發了一種中紅外1.9~2.5 μm波長范圍窄線寬激光源，適用于氣體傳感器和分子光譜學。2.5~5 μm中紅外波段可基于分子振動的模式作氣體痕量分析，因此可以用于環境檢測、高速排氣分析、化學反應控制等領域。

可見光波段激光可用于激光顯示、激光照明、激光高密度存儲和激光打印等領域。由于直接從材料中激發獲得高功率輸出不易，更多的通過外腔變頻方法獲得。EP - VECSEL利用PPLN晶體倍頻獲得了4.7 W的531 nm綠光輸出。美國相干公司在InGaAs / GaAs OP - VECSEL中通過LBO晶體腔內倍頻得到15 W的488 nm和5 W的460 nm倍頻藍光輸出，是目前報道的藍光最高輸出功率。和傳統的780 nm半導體激光器相比，倍頻藍光VECSEL具有波長短和光束質量好的優點，使聚焦光斑更小，可有效提高存儲密度，從而提高存儲的容量。另外，488 nm激光器還可用于流式細胞計來提高人類疾病的診斷準確率。2007年，Hunziker等使用LBO倍頻研制的綠光OP - VECSEL，基模綠光最大輸出11.5 W。為了提高功率他們使用兩片芯片，成功獲得了24 W的531 nm輸出。隨后，采用三個InGaAs / GaAs VECSEL芯片在腔內進行串接及腔內倍頻的方式，獲得了532 nm綠光基模輸出達55 W，高階模輸出達66 W，這是目前綠光輸出的最高功率。該公司還利用OP - VECSEL腔內倍頻后得到的藍光和綠光，與二極管激光器提供的紅光相結合，構成三基色光源，成功用于激光顯示，該光源體積小、成本低、集成度高，是激光顯示領域很有競爭力的光源。基于530 nm綠光OP - VECSEL的小型犯罪偵查成像系統，可以有效減小相機的光圈，從而獲得足夠大的景深，可用于檢測犯罪現場的指紋、痕跡等證據。

Rautiainen等在利用1 μm波段倍頻獲得黃紅光（580~620 nm）方面進行研究，獲得了目前最高連續輸出功率的黃光和紅光。在研究中發現，GaInAs中摻入N可以有效的減少GaInAs的晶格應力，獲得1.1~1.5 μm波段的激光輸出，以便于倍頻獲得黃紅光。而利用LBO晶體倍頻獲得了20 W連續588 nm輸出，為目前黃光輸出的最高功率，展示了黃光VECSEL在醫療領域的巨大潛力，可為視網膜病變等眼科疾病提供有效的治療。另外，Hessenius等利用標準具調諧和LBO晶體倍頻獲得了可調諧單頻黃光輸出，調諧波長可覆蓋鈉D2線（588.991 nm）和D1線（589.595 nm），是鈉導星優質光源。2015年，Kantola等通過控制0.5%摻N量獲得了1230 nm激光輸出，并通過LBO倍頻獲得了10.5 W的615 nm連續激光輸出，這是目前通過倍頻可獲得紅光的最高功率。在測量和非接觸檢測系統等領域憑借良好的光束質量，可簡化準直光學系統，提高分辨率。與適當染料耦合，是共焦顯微鏡在生物觀測領域的潛在競爭對手。

紫外波段在生物醫學、原子捕獲、光譜學、激光光刻、激光高密度存儲等領域有重要的應用。目前，由紅光倍頻獲得紫外光已獲得數百毫瓦的功率輸出。2015年，Baumg?rtner等在應力補償研制的紅光OP - VECSEL中，利用BBO晶體倍頻獲得了429 mW的331.6 nm紫外光輸出。而Mateo等利用多程量子阱抽運OP - VECSEL產生的665 nm紅光倍頻，獲得了820 mW的333 nm紫外光輸出，這是目前紫外波段可達到的最高功率。2017年，Yakshin等在InGaAs VECSEL獲得了936 nm的基頻光輸出，通過四次倍頻獲得190 mW的234 nm的深紫外輸出，是目前可獲得的最短波長。

5結束語

經過40年的發展，面發射半導體激光器技術和應用已經取得了顯著成果，其未來發展有以下方面：1）更高輸出功率；2）擴展輸出波長；3）高度集成化。

可以通過4個方面提高功率輸出：1）增加抽運尺寸，同時控制腔內的放大自發發射，減少增益損耗。2）進一步改善熱管理，如使用導熱性高的金剛石散熱片和熱沉，利用脈沖抽運，設計和制造雙散熱結構，低熱阻半導體結構等等。通過以上方法，VCSEL和OP - VECSEL單管輸出功率有望增加到數十瓦和數百瓦水平并保持優良的光束質量。3）使用多個增益芯片（目前最多有三個芯片），同時增加增益芯片面積。4）激光合束，可通過相干合束和非相干合束來獲得，同時可保持優異的光束質量。

擴展波長可通過以下方式實現：1）使用現有的半導體材料系統，找到合適的抽運源和抽運方式獲得新波長，如GaN材料系統直接激發的藍光，若能同時具有高功率和良好的光束質量將獲得諸多應用。然而，合適的抽運光源并不容易獲得。2）通過使用新型材料系統或新型非線性光學技術獲得新的波長。各種非線性光學頻率轉換可擴大波長的范圍：腔內倍頻、三倍和四倍、和頻產生，雙波長激光器差頻產生等，將波長擴展到200 nm以下的深紫外和5 μm以上的中紅外波段，以此來填補現有波長的空白區域。

高度集成化是指在一個半導體襯底上整合多個功能塊。例如抽運源、可飽和吸收鏡等器件，抽運源與VECSEL增益結構的集成已有相關報道。這種集成抽運的VECSEL可降低器件組裝難度，易于制造大功率激光器，從而降低設備成本并擴大激光器的潛在市場。功能組件集成的另一個例子是鎖模集成外腔面發射激光器，其中增益區和可飽和吸收區域集成在襯底上。通過這些方式，可以產生更加簡單、緊湊、易于制造和便宜的設備，以及實現更好的性能和新穎的功能。未來發展功能集成可以幫助VECSEL在商業上得到更廣泛的應用，特別是在低成本和大批量應用中，如移動投影顯示器等領域。

總而言之，面發射半導體激光器正通過技術推動和市場拉動擴大其影響力。現有和正在開發的產品在市場推動下將刺激新商業的出現，例如數瓦級紅、綠和藍VECSEL用于激光投影儀。近期，蘋果公司宣布iPhone 8即將采用VCSEL為其新的后置3D成像系統提供光源，可更快的實現攝像頭對焦。此外，還能實現精準的深度映射，從而有助于在增強現實技術中的應用。緊湊、高效和高性能的可定制波長的激光器將會擴大現有商業應用中的使用，VCSEL將會在某些應用領域替代現有激光技術。如可輸出藍光和綠光的Ar離子氣體激光器，在過去是共焦熒光顯微鏡和抽運鈦寶石的唯一激光源，后來在很大程度上被全固態激光器取代，而由于VCSEL波長可調諧、功率高、光束質量高，加之器件結構緊湊、效率高、可靠性高，逐漸取代固態激光器。VCSEL將在新型科學應用（如分子光譜學、激光陀螺儀、微波光子學和原子鐘等）得到更加廣泛地應用。