在MOCVD生长的高应变InGaAs/GaAs量子阱VECSEL中实现590 nm黄色二次谐波产生，亮度超过1.65 GW cm−2 sr−1

为什么明亮的黄色光很重要

黄色激光器听起来可能像是一项小众技术，但它们正悄然支持着当今一些最先进的科学与医学工作。黄色光非常适合用于将原子冷却到接近绝对零度、引导巨型望远镜进行深空观测、研究人眼以及治疗某些皮肤和血管疾病。然而，要构建既紧凑又可靠、同时既高功率又聚焦良好的黄色激光器，仍然出乎意料地困难。本文报道了一项重要进展，朝着可大规模生产、亮度高、效率高并能在实验室外实用的黄色激光器迈出了关键一步。

从红外芯片到黄色光束

研究人员没有直接尝试制造黄色激光器，而是从发射不可见红外光（波长约1.2微米）的半导体器件入手。该器件是一种垂直外腔面发射激光器（VECSEL）：一块薄的、背面带镜面的芯片，由另一台激光器泵浦并置于一个开放的光学腔内。在腔内，非线性晶体将红外光转换为其二次谐波——大致为原来波长的一半——落在约590纳米的黄色区域。通过将强大的红外源与高效的倍频相结合，团队旨在创建一个紧凑的系统，其性能可与体积更大、基于固体或光纤的黄色激光器竞争或超越它们。

工程化微小的光源工厂

芯片的核心是超薄层结构，称为量子阱，由铟镓砷（InGaAs）夹在砷化镓（GaAs）之间构成。这些量子阱是光实际产生的地方。为了获得所需的红外颜色，量子阱必须含有较高比例的铟，这会拉伸晶格并产生机械应变。如果不精心管理这种应变，晶体会通过形成缺陷来松弛，从而散射光并降低效率。作者采用了“翻片”设计，包含八个量子阱和位于其下方的一组镜面层，精确地将量子阱放置在内部光场最强的位置，以便每个阱都能有效贡献增益。

驯服应变与迁移的原子

一个核心挑战是铟原子在生长和加热过程中倾向迁移，导致成分不均——称为掺杂分离（segregation）。团队通过加入一层具有相反应变的砷化镓磷（GaAsP）来补偿，并在InGaAs与GaAsP之间插入一薄层GaAs以减少不希望的混溶，从而应对这一问题。关键是，他们在金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器中比较了两种生长策略，这种方法适合大规模制造。在第一种方法中，所有活性层都在相对低温下生长以保持铟的位置，这在初期抑制了缺陷，但在后续加热时结构会退化，铟流失并且光学质量下降。

更聪明的温度工艺

在改进的策略中，富铟量子阱仍然在低温下生长，但GaAsP层在较高温度下生长，并在温度变化时使用GaAs间隔层。该“变温”工艺使磷更容易掺入，从而提供更强的应变补偿和更平滑的界面。高分辨率显微镜和X射线测量显示，铟现在在各量子阱中分布更加均匀，表面更平坦，内部层界更清晰。退火后，发射波长仅有轻微移动且保持窄线宽，表明热稳定性良好——这对必须承受强泵浦和长期运行的激光器至关重要。

从实验室级芯片到明亮的黄色光源

采用优化结构后，封装的VECSEL芯片在低冷却温度下产生超过45瓦的连续红外功率，并具有超过50%的斜率效率——对于该波段的MOCVD生长器件而言，这是一项非常强的性能。当该芯片置于包含非线性晶体的精心设计的V形腔内时，红外光被转换为超过6.2瓦的连续黄色输出。束腰几乎达到衍射极限，意味着它可以被紧密聚焦，所得亮度约为1.65吉瓦每平方厘米每球面度——这一数值可与许多体积更大的固体激光器和光纤激光器相媲美甚至优于它们。黄色输出在时间上的稳定性也表现良好。

这意味着什么

对非专业读者来说，关键信息是作者展示了如何使用适合产业化的方法生长和处理复杂的半导体激光芯片，以产生异常明亮且谱线清晰的黄色光束。通过微调生长过程中层的堆叠、应变及加热方式，他们抑制了此前限制性能的缺陷。尽管分子束外延（MBE）这一更慢且更昂贵的技术仍保持某些性能纪录，这项工作缩小了差距，同时为量产提供了明确路径。实际上，这使得紧凑、高效的黄色激光器离在天文学、精密测量、成像和医疗治疗等领域的广泛应用更近了一步。

引用: Zhang, Z., Zhan, W., Xiao, Y. et al. Over 1.65 GW cm⁻² sr⁻¹ brightness 590 nm yellow second-harmonic generation in MOCVD-grown high-strain InGaAs/GaAs quantum well VECSEL. Light Sci Appl 15, 161 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02230-8

关键词: 黄色激光器, VECSEL, 二次谐波产生, 半导体外延生长, 自适应光学