半导体所在二维阵列激光器方面取得重要进展

　　【仪表网 研发快讯】垂直腔面发射激光器(VCSEL)凭借其低阈值、圆形光斑、单纵模、低温漂系数、高可靠性及易于二维集成的优点，广泛应用于泵浦源、消费电子、3D传感、医疗美容等多个领域。然而，传统VCSEL在输出功率方面存在一定的局限，为提高功率，通常采用增大氧化孔径、多结结构以及扩大阵列规模等方法。这些手段虽然能够增加输出功率，但却导致发散角增大和横模变为高阶模等问题，进而使光束质量(Beam Parameter Product，BPP)下降，最终导致亮度急剧降低。因此，高功率与高光束质量之间的制约，成为了VCSEL技术发展的核心难题之一，也极大地限制了其在激光雷达、空间光通信等需要高亮度光源的远程探测与照明系统中的应用。
 

　　为解决这一瓶颈，中国科学院半导体研究所固态光电信息技术实验室郑婉华院士团队联合中国科学院大学等单位，创新性地提出二维固态激光阵列(SSLA)解决方案。该技术通过将大尺寸高功率VCSEL阵列与薄型Nd:YVO4激光晶体直接集成，构建出紧凑型二维面阵激光器结构，在实现功率等比扩展的同时能显著提升光束质量。实验数据显示，这款3×3 mm2的SSLA阵列在1 μm中心波长下，单脉冲能量达4.7 mJ，光光转换效率52%，面光源亮度高达1.27 kW·cm-2·sr-1，较传统VCSEL阵列提升近三个数量级。其创新性体现在：①各发光单元保持M2<1.5的优异光束质量；②继承VCSEL阵列的固有激光发射阵列模式；③突破功率扩展与光束退化的传统矛盾。这种“高功率-高亮度-高集成"三位一体的技术突破，为远程探测系统提供了轻量化的高亮度光源解决方案。此外，这项二维固态激光阵列技术的突破，不仅为传统应用领域的进一步发展开辟了新的可能，也为高速数据传输、三维成像、精密测距等新兴领域的应用奠定了技术基础。在未来，随着技术的不断成熟，面阵激光源的可芯片化设计将成为激光技术发展的重要方向，推动激光技术向更高效、更紧凑的未来迈进。
 

　　该研究成果以“Scaled-up 2D Solid-State Laser Array”为题，发表于Optics Letters(《光学快报》)，并被选为Editor's pick(“编辑精选”)。半导体所博士生张妮慧和国科大单珍娇为论文共同第一作者，渠红伟研究员、周旭彦副研究员和齐爱谊副研究员做出了重要贡献。该工作得到了郑婉华院士的悉心指导和国家重点研发计划项目的支持。
 

(左)二维固体激光阵列图片；(中)二维固体激光阵列近场光束图像；
(右)单点阵激光源光束质量测试结果。