本文内容转载自《激光与光电子学停顿》2018年第5期，版权回《激光与光电子学停顿》编纂部所有。
李玉娇，宗楠，彭钦军
中国科学院理化手艺研究所中国科学院固体激光重点尝试室，中国科学院大学
摘要：与传统的边发射半导体激光器比拟，垂曲腔面发射激光器（VCSEL）具有光束量量好、阈值电流低、易于二维排阵集成和造形成本低廉等长处。近年来，以VCSEL为根底开展起来的电抽运和光抽运垂曲外腔面发射激光器（VECSEL），在获得高的输出功率和光束量量的同时，能够通过在腔内插进光学元件，实现腔内倍频、波长可调和谐锁模等激光手艺，在激光范畴很有合作力。本文介绍了面发射半导体激光器的构造、工做原理及性能优势，综述了其在高功率输出、可调谐手艺、锁模手艺等方面的研究现状与停顿，切磋了该类型激光器的开展前景。
关键词：激光器；垂曲腔面发射半导体激光器；电抽运；光抽运；高功率；可调谐手艺；锁模手艺
1 引言
半导体激光器具有体积小、量量轻、效率高、波长范畴广、易集成、可靠性高、可批量化消费等长处，自20世纪70年代初实现室温持续运转以来，已成为光电子手艺范畴的重要器件。传统的边发射半导体激光器已实现较大功率输出，但其输出光斑为卵形，光斑的纵横比最差可达100 … 1，在某些利用中须附加光束整形系统。1979年，Soda等提出了垂曲腔面发射激光器（VCSEL）的概念，与传统的边发射激光器差别的是其激光出射标的目的垂曲于衬底外表，可获得圆形光斑。因为谐振腔长与波长接近，动态单模性比力好，有看在光通信、光互连、光存储、激光展现和照明等范畴大展身手。目前，Princeton Optronics公司获得了VCSEL单管持续输出的更高功率为5.5 W。可是，因为VCSEL的谐振腔是由顶部布拉格反射镜（DBR）和底部布拉格反射镜构成，腔长与波长同量级，招致器件发散角较大（半角宽度约15°）。为了获得较小的发散角，一种垂曲外腔面发射激光器（VECSEL）应运而生。因为摘用外腔构造，其腔长由波长量级增加到毫米至厘米量级，有效改进了光束量量，理论极值达M2~1。早期的垂曲外腔面发射激光器照旧摘用电抽运（EP）体例，目前EP - VECSEL单管获得了超越9 W的持续输出。可是电抽运VCSEL和VECSEL均因电流注进不平均和串联电阻热堆积，在单横模工做形式下高功率输出遭到限造。1997年，Kuznetsov等提出的光抽运垂曲外腔面发射激光器（OP - VECSEL），也有人称为半导体盘片激光器（SDL）。其综合了高光束量量的垂曲腔面发射激光器和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势，可同时获得高功率和高光束量量的激光输出，笼盖从深紫外到中红外波段的宽广波段。在紫外及蓝紫光波段，半导体增益介量以InGaN - GaN素材系统为主，在GaN基底素材上生长出多个InGaN量子阱。在红光至近红外波段，半导体增益介量次要摘用在GaAs衬底上生长InGaP – AlGaInP、GaAs - AlGaAs、InGaAs - GaAsP及GaInNAs - GaAs量子阱。1.5 μm四周波段次要在InP衬底上生长AlGaInAs - InP量子阱来实现，2~3 μm则通过在GaSb衬底上生长GaInAsSb - GaSb素材系来实现。关于更长的4~5 μm波段，衬底素材多为BaF2，增益介量素材为PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe系统。同时，得益于其外腔的存在，能够便利地停止锁模而获得超短脉冲输出；还能够实现高效率的激光腔内频—频转换，扩展了输出波长范畴。别的，OP - VECSEL的独到之处在于半导体增益芯片构造简单、无p - n结、无电接触，极大地简化其生长过程，在进步增益芯片可靠性的同时，消弭附加电阻上的热效应；抽运波长可抉择性设想；可获得百纳米的波长调谐范畴；半导体增益芯片上抽运光斑较大，高功率时产生光学损伤的可能性减小；激光器体积紧凑，照顾便利，适用水平高。在现实利用中，便利做为仪器仪表和显微镜的配套光源，目前，单管OP - VECSEL持续输出功率已高达106 W。
本文介绍了VCSEL，EP - VECSEL和OP - VECSEL的原理和特征，并综述了其最新研究停顿、次要利用和开展前景。
2 根本原理
2.1 VCSEL
如图1所示，典型的VCSEL包罗顶发射和底发射两种构造。一般来说，早期典型器件是通过金属有机物化学气相堆积（MOCVD）手艺在N型GaAs衬底上生长而成的。其次要由DBR做为激光腔镜，量子阱有源区（MQWs）夹在n - DBR和p - DBR之间，因为量子阱厚度小，使单程增益很小，因而反射镜的反射率较高，一般全反腔镜反射率 99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定更佳的耦合输出率（ 99%），然后，在衬底和p - DBR外外表造造金属接触层。通过在p - DBR或n - DBR上造造一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口曲径从几微米到百微米量级，再和导热性好的热沉键合，进步芯片的散热性能。因为GaAs衬底对800 nm四周的光有强吸收，所以在那个波段的器件凡是摘取顶发射构造。底发射构造可用于产生976 nm和1064 nm波段，为了削减衬底的吸收损耗，凡是将衬底减薄到150 μm以下，再生长一层增透膜，进步激光光束量量，最初将增益芯片安拆在热沉上，离有源区更近，因而散热性更好。
图1 VCSEL构造简图。（a）顶发射构造；（b）底发射构造
2.2 EP - VECSEL
EP - VECSEL的芯片包罗电注进构造、有源区和DBR，与传统的VCSEL比拟，其引进的外腔构造增加了腔长，如图2所示。谐振腔包罗p - DBR、n - DBR以及外腔镜等3个镜面，是一种由两个子谐振腔构成的耦合谐振腔。激光器芯片上生长的p - DBR、n - DBR以及夹在此中的有源区构成的谐振腔为有源腔，供给激射所需的增益；由p - DBR及外腔镜构成的谐振腔能够通过掌握差别传输形式的损耗，按捺高阶横模，从而改进光束量量。
图2 EP - VECSEL器件构造图
2.3 OP - VECSEL
OP - VECSEL与EP - VECSEL比拟，削减了电流注进部门，其构造次要包罗热沉、增益芯片、外腔输出镜（OC）、抽运光。抽运体例凡是有两种：端面抽运和背端抽运；图3为端面抽运的OP - VECSEL构造，抽运光反向注进且与输出光成必然夹角（一般约为45°）聚焦到增益芯片上，假设角度太大会招致抽运光斑外形不平均，而角度太小可能阻挠激光振荡。其增益芯片为顶发射构造，次要分为4个部门：衬底、DBR、MQWs增益区和窗口层，可在衬底上通过火子束外延手艺（MBE）或者金属化学物有机气相堆积（MOCVD）逐层生长而成。考虑激光器的散热问题，凡是把激光器芯片的顶层与热导率高的导热片键合后利用，如光学金刚石片、光学SiC片或蓝宝石片等。
图3 OP - VECSEL端面抽运安装图
图4为背端抽运的OP - VECSEL及其增益芯片的构造，与端面抽运差别，其抽运光从后腔镜进射与输出光同轴同向。虽然抽运光斑不大，但可获得愈加平均的圆形抽运光斑，而且抽运光耦合系统相对随便架设，构造紧凑，更有利于激光的集成与封拆。其增益芯片为底发射构造，生长挨次与顶发射差别，先在衬底上生长窗口层，再生长MQWs，最初生长DBR。再将DBR焊接到金刚石或SiC散热片上。别的，因为抽运光通过DBR后才进进增益区，因而要尽量使DBR对抽运光通明，对激光波长有高反射。
图4 OP - VECSEL背端抽运安装图
3 研究停顿
3.1 VCSEL
近红外波段的研究较多也较为成熟，此中808 nm波段次要集中在高功率阵列输出方面。持久以来，Princeton Optronics公司努力于该方面的研究，并于2013年获得了目前更高输出功率的808 nm VCSEL阵列，利用于高速成像的高功率照明模块，其输出功率高达4800 W，能够在准持续前提下工做。
850 nm VCSEL阵列输出功率已经到达4 W。2015年，Watkins等报导了850 nm单管VCSEL的单频激光输出超越100 mW，为目前850 nm更高的单管输出功率，据悉，该小组正在勤奋研造该波段输出功率5 W的单管器件。
980 nm波段VCSEL的研究最为成熟。在很长一段时间内，D′Asaro等获得的3 W 980 nm VCSEL不断是电抽运VCSEL单管输出的更高功率。2015年他们获得了发射波长为976 nm的高功率电抽运VCSEL，在20 ℃持续工做前提下，功率到达5.5 W，刷新了单管VCSEL的更高功率。显然，阵列是进步输出功率的有效路子。2012年，Princeton Optronics公司推出的980 nm高功率VCSEL面阵和面阵组合模块产物，面阵组合模块持续输出超越14 kW，为目前980 nm阵列输出的更高功率。
1 μm波段自Hou等率先在室温下获得1060 nm持续输出持续输出后开展敏捷。Zhou等通过优化DBR和增益区的设想，获得了目前VCSEL单管63.4%的更高转换效率，高于Kageyama等获得的62%的转换效率。同时，他们用于照明范畴的1064 nm照明器，由8 x 16 kW的模块构成，输出功率高达100 kW。
1310 nm和1550 nm波段的VCSEL器件一般由InP和GaAs基素材系统来实现。Boehm等造造的1.3~2.0 μm AlGaInAs / InP系VCSEL，为了降低热效应，顶部反射镜由基于InP的化合物半导体构成，在MBE构造上生长的掩埋隧道结供给了自调剂的横向电和光限造以及不变的低电串联电阻。1.315 μm器件室温下的单模更大输出功率为0.43 mW，多模持续工做的更大输出功率为7 mW。Klem等在掺Si的GaAs衬底上生长InGaAsN增益素材并通过增大电流注进孔径和隧道结的形式在室温下获得了1300 nm的持续输出，更大输出功率为2.1 mW，可操做更高温度为105 ℃。Nishida等把DBR和量子阱之间的AlGaAs空间层替代为i - GaAs隔离层，以此阻遏Al扩散到量子阱中降低外表量量和量子阱的光致发光（PL）密度，获得了4.2 mW的1261.5 nm输出。Michalzik将Sb加进到GaInNAs素材中，得到的GaInNAsSb可输出波长为1530 nm，持续输出功率为2 μW。
可见光波段的紫光和蓝绿光次要通过GaN基素材间接激发，次要难点是短波长高反射率DBR的生长、有效的电流注进以及热治理。目前，420 nm紫光已经获得了0.6 mW的输出功率。利用高反射率的全电介量DBR的GaN基VCSEL已经获得了0.7 mW的451 nm蓝光和0.8 mW的503 nm绿光，其输出功率较低。Hamaguchi等考虑到n型GaN衬底的热导率高于传统利用的蓝宝石或Si衬底，加之外延横向过生长（ELO）办法能够切确掌握腔体长度和构成高反射率电介量DBR，通过两者连系在GaN基VCSEL中获得了1.165 mW的453 nm激光输出，为目前电抽运蓝光VCSEL输出的更高功率。
红光VCSEL也在热治理上碰着了很大的挑战。较高的发射能量将DBR AlxGa1-xAs的x的构成范畴限造在0.5~1.0，限造了反射镜中可用的折射率范畴，反过来又需要更多的DBR层数以实现所需的反射率，较多的DBR层数会产生较高的电流阻抗，而较高的热阻会加重器件的热效应。Johnson等在室温下获得了多模673 nm的AlGaInP VCSEL更大输出功率到达11.54 mW，转换效率达22.9%，为目前红光波段单管输出的更高程度。为了进步输出功率，Seurin等将GaAs衬底往除并将芯片焊接在高导热性基座上，造造高功率二维阵列，如2 mm x 2 mm的688 nm VCSEL阵列在室温下获得了3 W的持续输出功率，而4 mm x 4 mm的650 nm和688 nm VCSEL阵列在准持续（QCW）运转平分别获得了17和55 W的输出功率。
3.2 EP - VECSEL
EP - VECSEL是VCSEL向OP - VECSEL开展的过渡产品，其研究次要集中在最后的近红外波段（850~1550 nm），同时能够基于腔内倍频有效地在可见光区域产生激光辐射，易于设想为具有多个激光元件的二维阵列，大幅进步了输出功率。因而，EP - VECSEL合适批量消费，大大降低了造形成本。
近红外波段的研究已有较多相关报导。Leeuwen等研造的980 nm EP - VECSEL产物，外腔镜利用双凸透镜与平面镜构成扩展腔构造，单管器件的基模和多模持续输出功率别离为365 mW和1 W，在15 ns、1 kHz的脉冲工做前提下，基横模峰值输出功率到达4 W。Princeton Optronics公司亦研造出包罗475个发光单位的980 nm EP - VECSEL排阵器件，持续及脉冲工做时基模输出功率别离到达42 W和155 W，成为EP - VECSEL基横模输出的更高程度。1.06 μm波长获得了EP - VECSEL单管更高的输出功率，Zhao等利用MOCVD在n型GaAs衬底上生长芯片素材，为了减小吸收，衬底掺杂浓度很低（ 2 x 1017 cm-3）。增益区由InGaAs / GaAs构成，DBR由GaAs / AlGaAs构成，该器件输出功率达9.04 W。
2004年，Kurdi等初次报导了InGaAsP EP - VECSEL室温输出1550 nm激光，该口径为50 μm的InP基VECSEL持续输出功率为0.3 mW，准持续前提下输出达2.76 mW。操纵掩埋隧道结型和离子注进结型掌握电流平均性，获得了1550 nm的3 mW脉冲输出和0.5 mW单横模输出。2010年，Harkonen等操纵掩埋隧道结型在GaInAsSb VECSEL中获得了2.34 μm脉冲光输出，设想了30~90 μm口径的器件，并在90 μm口径的器件中获得更高的脉冲峰值功率为1.5 mW。
3.3 OP - VECSEL
在红外波段，850 nm激光常摘用量子阱内抽运体例以进步量子效率，减小热效应。此中，Zhang等利用806 nm光纤耦合激光二极管抽运GaAs / AlGaAs VECSEL，得到更大功率1.02 W的855 nm输出。Beyertt等利用833 nm抽运光阱内抽运获得了865 nm的1.6 W的激光输出，光光转换效率高至50%。美国相关公司研造的InGaAs / GaAs VECSEL，获得了30 W的980 nm和19 W的920 nm的持续多模输出，为目前980 nm单管OP - VECSEL获得的更高功率。960 nm基模激光也获得了数十瓦的功率输出。Rudin等报导了20.2 W输出的InGaAs/ GaAs VECSEL，其DBR对激光反射率R为99.95%，同时对抽运光反射率为97%，使抽运光得以两次通过增益区，吸收可达85%。利用808 nm激光器45°进射抽运，斜效率为49%，光光转换效率为43%，光束量量因子M2 ≈ 1.1，那是目前OP - VECSEL单管基模输出的更高功率。
目前1 μm波段研究最为成熟。Lee等在背端抽运OP - VECSEL中操纵液体毛细管绑定散热窗口获得了9.1 W的1079 nm持续输出，那是背端抽运获得的更高输出功率。Heinen等操纵热电造冷器掌握温度，进步芯片和基底的键合量量，操纵金刚石做为散热片，在3 ℃时获得了106 W的1028 nm持续InGaAsOP - VECSEL多模激光输出，那是目前单管更高输出功率，在输出功率为99.6 W时，光光转换效率达45%。Zhang等操纵腔内的双折射滤波片和5%的输出耦合镜，获得了23.6 W的1013 nm单频输出，为目前单频输出的更高功率。在更长的1160~1200 nm波段，因为InGaAs / GaAs中In的组分更高，晶格应变动严峻，Kantola等在InGaAs / GaAs量子阱中生长了GaAsP应力抵偿层，在热沉-15 ℃下获得了50 W的1180 nm输出，光光转换效率为28%。2017年，Leinonen等在AlGaInAsOP - VECSEL中操纵特造的金反射镜将未吸收的光再次反射进增益区，加强吸收，在热沉-5 ℃下获得了33 W的1275 nm激光输出。
Lyytikainen等和Rantamaki等协做停止了1.3~1.55 μm的研究，先后获得了2.7 W的1.3 μm输出、2.6 W的1.57 μm输出和1 W的1.56 μm单频输出，以及5 W的1.48 μm激光输出。2014年他们设想了腔内金刚石散热芯片构造，并操纵980 nm抽运AlGaInAs / InP构造，获得1300 nm出光功率为7.1 W，且M2 1.25，为该波段输出的更高功率。
2~5 μm中红外波段已经获得数十瓦级输出。Hopkins等在AlGaIn / AsSb VECSEL中获得了5 W的2 μm激光输出，操纵双折射滤波片可调谐波长范畴为80 nm。2015年，Holl等操纵1470 nm低量子吃亏抽运并连系前后散热热沉，在0 ℃前提下获得了2 μm激光的更高输出，功率达20 W，之后换用金刚石散热片在室温下获得了17 W的激光输出。Ishida等利用1.55 μm光纤激光抽运PbSrS / PbS和PbTe / CdTe VECSEL，通过掌握温度，别离获得了2.65~3 μm和3.3~4.2 μm的激光输出，更高功率别离达2 W和700 mW。而在BaF2衬底上生长PbTe / PbEuTe增益区并利用Al做为散热片，亦获得了300 mW的5 μm波长输出。
在可见光波段，同GaN - VCSEL，间接激发素材获得紫光以及蓝光的次要难点集中在生长优良的DBR构造、适宜的抽运源、腔构造的设想，以及高效的热治理。Debusmann等操纵375 nm染料激光器抽运InGaN OP - VECSEL，获得415 nm蓝光，单脉冲能量为60 nJ，响应峰值功率22 W。2015年，Baumgärtner等在热沉温度-15 ℃前提下，于GaInP / AlGaInP OP - VECSEL中获得了1.6 W的665.5 nm持续红光，2016年，操纵多程量子阱抽运，将功率进步到2.5 W，那是目前红光OP - VECSEL的更高输出功率。
在紫外波段，间接从GaN基VECSEL中获得紫外光输出仍是一个亟待打破的难题。2000年，Zhou等操纵三倍频锁模355 nm Nd … YAG激光器为抽运源，摘用GaN / AlGaN和SiO2 / HfO2DBR构成谐振腔，获得了室温准持续前提下InGaN / GaN VECSEL的383 nm的紫外光，输出功率为3 mW。
综上所述，面发射半导体激光器通过间接激发已可使输出波长笼盖从深紫外到数微米红外的波长范畴。此中1 μm波段研究较为成熟，在该波段VCSEL单管更高输出功率达5.5 W，阵列输出功率达100 kW；EP- VECSEL单管更高输出功率超越9 W，阵列输出达42 W；OP - VECSEL单管更高输出功率106 W，单频更高输出功率23.6 W。别的，其凸起的高转换效率也为面发射半导体增彩很多，VCSEL的转换效率更高可达63.4%。OP - VECSEL转换效率也高达50%。
4 利用
通过激光手艺能够扩展面发射半导体激光器的利用，将其长处发扬到极致。操纵偏硼酸钡（BBO）、三硼酸锂（LBO）、磷酸氧钛钾（KTP）等非线性晶体停止变频可得到更短波长的激光输出，进一步扩展波长范畴；半导体增益片具有数十纳米的增益带宽，扩展腔构造亦可便利地插进滤波元件和调谐元件，获得单频和可调谐激光输出；半导体可饱和吸收镜（SESAM）被动锁模和克尔透镜锁模能够获得飞秒级超短脉冲，同时具有高反复频次，那些手艺使面发射激光器有更为宽广的利用前景。
红外波段的808和980 nm着重于高功率面阵的研究，用于抽运掺铒的光纤放大器和端面抽运Nd … YAG、Nd … YVO4等固体激光器以及红外照明、成像等利用。别的，Watkins等研造的单频窄线宽780、795和850 nm VCSEL可用于原子钟及其相关范畴，如基于原子钟新型传感器等。980 nm EP - VECSEL利用SESAM被动锁模已经获得了2.5 ps脉宽的激光输出，其均匀功率为53.2 mW、峰值功率为4.73 W、反复频次为18.2 GHz，均为目前EP - VECSEL锁模的更高程度。980 nm OP - VECSEL操纵InGaAs增益芯片的克尔透镜效应锁模得到了脉宽为930 fs、反复频次为210 MHz和峰值功率为6.8 kW的激光输出，为目前OP - VECSEL超短脉冲更高的峰值功率，可利用于光通信和光时钟范畴。
1 μm激光的超短脉冲，通过SESAM锁模脉冲宽度已经缩短至60 fs，反复频次高达175 GHz，均匀功率进步到6.4 W，峰值功率亦进步到4.35 kW。利用碳纳米管可饱和吸收镜（GSAM）锁模，Husaini等获得了脉宽为353 fs、脉冲能量为2.8 nJ、均匀功率为10 W的1030 nm输出，为目前超短脉冲更高的均匀功率。在高速计算系统和计量学等范畴、光时钟、频次转换、高速电光摘样、时间辨认光谱学等占有一席之地。近几年，M Squared Laser公司胜利地实现了输出波长范畴920~1050 nm的锁模VECSEL的贸易化利用，为日渐鼓起的非线性显微镜市场供给了一种低成本、易操做的激光光源。2016年，Lubeigt等再次实现了脉冲130 fs以下，反复频次为200 MHz、均匀功率为0.85 W的锁模OP - VECSEL，有看取代钛宝石超快激光器在非线性范畴的利用。2017年，Scheller等报导了产生1012和1015 nm的双波长OP - VECSEL，可用于差频产生太赫兹光源。图5是常用的2种SESAM被动锁模腔型，激光的一个端镜为耦合输出镜，别的一个端镜是被动锁模元件SESAM。图5（a）所示的V型腔通过挪动耦合输出镜和SESAM的位置改动增益介量和SESAM上激光形式大小的比例，获得可调剂的脉宽输出，图5（b）所示的Z型腔则具有更不变的锁模输出。
图5 OP – VECSEL SESAM被动锁模示企图。（a）V型腔；（b）Z型腔
近红外波段中有三个石英光纤的低损窗口，850 nm是第一个低损窗口，次要用于短间隔的高速数据通信和光互连；1330 nm是第二个低损窗口；而1550 nm是第三个低损窗口，也是损耗更低的一个窗口。因而，1310 nm和1550 nm VCSEL别离用于中间隔和远间隔高速数据通信和光互连、光并行处置、光识别系统等。目前，850 nm VCSEL设备的传输速度可达160 Gb·s-1。1.3 μm VCSEL设备的传输速度可到达25 Gb·s-1，1.5 μm VCSEL设备的传输速度可达56 Gb·s-1。2011年，Gierl等操纵微机械手艺（MEMS）停止调谐初次报导了1550 nm波段可调谐范畴100 nm的单模输出，刷新了之前1550 nm最宽可调谐范畴65 nm的笔录。2012年，Jayaraman等报导了在InP1310 nm VCSEL中操纵MEMS手艺获得了150 nm的持续可调范畴，该器件在其整个调谐范畴内扫描速度高达500 kHz，可用做光学相关断层扫描和高速瞬态光谱扫描的光源。
1.68 μm与1.80 μm波长和2~2.5 μm波段次要用于情况监测。前者可别离用于甲烷和水的气体检测。后者对大气中的污染物，如CH4、CO、NO2H2等有强烈的吸收谱线，可用于天然气探测和大气情况监测，但是CO2和H2O对其吸收率很低，因而能够对样品停止光谱阐发从而确定其成分构成。2009年，Harkonen利用980 nm光源摘用典型的V型腔构造抽运GaSb VECSEL，获得了4 W的2 μm激光输出，并利用腔内双折射滤光片实现了156 nm可调谐范畴。那是OP - VECSEL可获得的最宽的调谐范畴。Solus Technologies公司开发了一种中红外1.9~2.5 μm波长范畴窄线宽激光源，适用于气体传感器和分子光谱学。2.5~5 μm中红外波段可基于分子振动的形式做气体痕量阐发，因而能够用于情况检测、高速排气阐发、化学反响掌握等范畴。
可见光波段激光可用于激光展现、激光照明、激光高密度存储和激光打印等范畴。因为间接从素材中激发获得高功率输出不容易，更多的通过外腔变频办法获得。EP - VECSEL操纵PPLN晶体倍频获得了4.7 W的531 nm绿光输出。美国相关公司在InGaAs / GaAs OP - VECSEL中通过LBO晶体腔内倍频得到15 W的488 nm和5 W的460 nm倍频蓝光输出，是目前报导的蓝光更高输出功率。和传统的780 nm半导体激光器比拟，倍频蓝光VECSEL具有波长短和光束量量好的长处，使聚焦光斑更小，可有效进步存储密度，从而进步存储的容量。别的，488 nm激光器还可用于流式细胞计来进步人类疾病的诊断准确率。2007年，Hunziker等利用LBO倍频研造的绿光OP - VECSEL，基模绿光更大输出11.5 W。为了进步功率他们利用两片芯片，胜利获得了24 W的531 nm输出。随后，摘用三个InGaAs / GaAs VECSEL芯片在腔内停止串接及腔内倍频的体例，获得了532 nm绿光基模输出达55 W，高阶模输出达66 W，那是目前绿光输出的更高功率。该公司还操纵OP - VECSEL腔内倍频后得到的蓝光和绿光，与二极管激光器供给的红光相连系，构成三基色光源，胜利用于激光展现，该光源体积小、成本低、集成度高，是激光展现范畴很有合作力的光源。基于530 nm绿光OP - VECSEL的小型立功侦查成像系统，能够有效减小相机的光圈，从而获得足够大的景深，可用于检测立功现场的指纹、陈迹等证据。
Rautiainen等在操纵1 μm波段倍频获得黄红光（580~620 nm）方面停止研究，获得了目前更高持续输出功率的黄光和红光。在研究中发现，GaInAs中掺进N能够有效的削减GaInAs的晶格应力，获得1.1~1.5 μm波段的激光输出，以便于倍频获得黄红光。而操纵LBO晶体倍频获得了20 W持续588 nm输出，为目前黄光输出的更高功率，展现了黄光VECSEL在医疗范畴的浩荡潜力，可为视网膜病变等眼科疾病供给有效的治疗。别的，Hessenius等操纵原则具调和谐LBO晶体倍频获得了可调谐单频黄光输出，调谐波长可笼盖钠D2线（588.991 nm）和D1线（589.595 nm），是钠导星优良光源。2015年，Kantola等通过掌握0.5%掺N量获得了1230 nm激光输出，并通过LBO倍频获得了10.5 W的615 nm持续激光输出，那是目前通过倍频可获得红光的更高功率。在丈量和非接触检测系统等范畴凭仗优良的光束量量，可简化准曲光学系统，进步辨认率。与恰当染料耦合，是共焦显微镜在生物看测范畴的潜在合作敌手。
紫外波段在生物医学、原子捕获、光谱学、激光光刻、激光高密度存储等范畴有重要的利用。目前，由红光倍频获得紫外光已获得数百毫瓦的功率输出。2015年，Baumgärtner等在应力抵偿研造的红光OP - VECSEL中，操纵BBO晶体倍频获得了429 mW的331.6 nm紫外光输出。而Mateo等操纵多程量子阱抽运OP - VECSEL产生的665 nm红光倍频，获得了820 mW的333 nm紫外光输出，那是目前紫外波段可到达的更高功率。2017年，Yakshin等在InGaAs VECSEL获得了936 nm的基频光输出，通过四次倍频获得190 mW的234 nm的深紫外输出，是目前可获得的最短波长。
5 完毕语
颠末40年的开展，面发射半导体激光器手艺和利用已经获得了显著功效，其将来开展有以下方面：1）更高输出功率；2）扩展输出波长；3）高度集成化。
能够通过4个方面进步功率输出：1）增加抽运尺寸，同时掌握腔内的放大自觉发射，削减增益损耗。2）进一步改进热治理，如利用导热性高的金刚石散热片和热沉，操纵脉冲抽运，设想和造造双散热构造，低热阻半导体构造等等。通过以上办法，VCSEL和OP - VECSEL单管输出功率有看增加到数十瓦和数百瓦程度并连结优良的光束量量。3）利用多个增益芯片（目前最多有三个芯片），同时增加增益芯全面积。4）激光合束，可通过相关合束和非相关合束来获得，同时可连结优良的光束量量。
扩展波长可通过以下体例实现：1）利用现有的半导体素材系统，找到适宜的抽运源和抽运体例获得新波长，如GaN素材系统间接激发的蓝光，若能同时具有高功率和优良的光束量量将获得诸多利用。然而，适宜的抽运光源其实不随便获得。2）通过利用新型素材系统或新型非线性光学手艺获得新的波长。各类非线性光学频次转换可扩展波长的范畴：腔内倍频、三倍和四倍、和频产生，双波长激光器差频产生等，将波长扩展到200 nm以下的深紫外和5 μm以上的中红外波段，以此来填补现有波长的空白区域。
高度集成化是指在一个半导体衬底上整合多个功用块。例如抽运源、可饱和吸收镜等器件，抽运源与VECSEL增益构造的集成已有相关报导。那种集成抽运的VECSEL可降低器件组拆难度，易于造造大功率激光器，从而降低设备成本并扩展激光器的潜在市场。功用组件集成的另一个例子是锁模集成外腔面发射激光器，此中增益区和可饱和吸收区域集成在衬底上。通过那些体例，能够产生愈加简单、紧凑、易于造造和廉价的设备，以及实现更好的性能和别致的功用。将来开展功用集成能够搀扶帮助VECSEL在贸易上得到更普遍的利用，特殊是在低成本和多量量利用中，如挪动投影展现器等范畴。
总而言之，面发射半导体激光器正通过手艺鞭策和市场拉动扩展其影响力。现有和正在开发的产物在市场鞭策下将刺激新贸易的呈现，例如数瓦级红、绿和蓝VECSEL用于激光投影仪。近期，苹果公司公布iPhone 8即将摘用VCSEL为其新的后置3D成像系统供给光源，可更快的实现摄像头对焦。此外，还能实现精准的深度映射，从而有助于在加强现实手艺中的利用。紧凑、高效和高性能的可定造波长的激光器将会扩展示有贸易利用中的利用，VCSEL将会在某些利用范畴替代现有激光手艺。如可输出蓝光和绿光的Ar离子气体激光器，在过往是共焦荧鲜明微镜和抽运钛宝石的独一激光源，后来在很大水平上被全固态激光器代替，而因为VCSEL波长可调谐、功率高、光束量量高，加之器件构造紧凑、效率高、可靠性高，逐步代替固态激光器。VCSEL将在新型科学利用（如分子光谱学、激光陀螺仪、微波光子学和原子钟等）得到愈加普遍地利用。