【封面文章】Light | 国防科大半导体激光团队：VECSEL实现亮度超1.65 GW cm⁻²·sr⁻¹的黄色激光

560~600 nm 波段黄色激光在原子冷却与捕获、光遗传学、眼科诊疗以及钠导星等多个热门领域具有重要的应用。如在钠导星技术中，589 nm激光可与 80~100 km 高空的钠原子层发生共振作用，从而反向产生高亮度荧光辐射，在天文望远镜的成像校正系统中发挥着关键作用。如图1所示，在众多的激光技术中，基于垂直外腔面发射激光器（VECSEL）腔内二次谐波是一种实现高亮度、高效率黄色激光的新型解决方案。

图1：黄色激光产生的主流技术方案

当前限制黄光VECSEL由实验室向商业化应用仍存在两方面未解决的核心问题：一方面，为了在1.2 μm波段实现高性能的基频增益输出，需要增加InGaAs量子阱中铟组分以减小带隙，导致量子阱与GaAs衬底的晶格匹配度恶化，进而诱发外延生长中失配位错的形成；另一方面，虽然金属有机气相外延沉积（MOCVD）技术具备生长速率快、量产兼容性更佳的优势。但是由于其气相的外延生长方式，生长温度相对更高，给应变调控与界面质量控制带来了更大挑战。目前，研究人员已提出氮化物、锑化物量子阱以及量子点等结构来减小晶格失配带来的限制，但高性能的基频增益实现依然具有挑战。

为了提升1180 nm基频增益芯片性能，研究从芯片设计、外延生长开展优化设计。研究团队改进了倒装的增益芯片结构，便利衬底去除进而提升热负载；针对量子阱的晶格失配问题，设计了张应变的GaAsP层补偿压应变的InGaAs有源区，用GaAs插入层抑制量子阱界面处的铟磷原子的互扩散现象。突破了高应变量子阱MOCVD制备技术瓶颈，创新性的提出变温生长的策略，通过低温生长工艺抑制量子阱的铟原子偏析，再采用较高温度生长GaAsP层以提升磷掺杂效率，进而改善整体晶格应变。与此同时，量子阱在反复升降温循环过程中经历多次退火处理，有效减少了晶体缺陷。后续测试结果显示，晶体质量与热稳定性均得到显著提升。所制备的1180 nm增益芯片可实现超过45 W的连续功率，且斜率效率高于50%。

图2：基于变温生长策略实现高质量1180 nm外延制备

进一步，验证了增益芯片在超高亮度黄色激光产生方面的技术优势。针对高阶横模振荡导致的亮度退化问题，优化腔内二次谐波产生的谐振器结构，调控泵浦参数抑制高阶模式增益。测试结果显示，590 nm黄色激光连续输出功率达到了6.2 W，斜率效率超过17%。激光输出保持在近衍射极限的基模，光束质量M²<1.1，计算亮度突破1.65 GW cm^-2sr^-1，性能媲美固体激光器与光纤激光器。

图3：基于腔内二次谐波实现高亮度VECSEL黄光输出

突破MOCVD技术在高应变量子阱制备瓶颈，实现1.2 μm波段VECSEL性能显著提升。借助原子尺度表征技术，揭示了应变补偿抑制铟偏析的作用机制。验证了VECSEL在超高亮度黄色激光产生方面的技术优势，590 nm二次谐波输出亮度突破1.65 GW cm^-2sr^-1，光束质量接近衍射极限，为原子冷却与捕获、光遗传学、钠激光导星等应用领域提供核心光源支撑。

展望未来，可以采用新型应变工程，如插入应变缓冲层或采用图形化衬底，改善晶格失配；强化原位监测以实现对生长界面的精准管控，同时结合反应腔结构优化，减轻气相记忆效应；优化掺杂与泵浦方式，实现高效电/光泵浦，以兼容小体积、轻量化的应用，推动VECSEL从实验室走向商业化。

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