据报道，近日，长春中科长光时空光电技术有限公司(简称：长光时空)与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称：长春光机所)联合发布了在人眼安全垂直腔面发射激光器(VCSEL)方面的最新成果。
双方联合研究团队突破了高密度集成VCSEL阵列技术，在国内首次实现了1550nm VCSEL芯片连续输出功率＞1W，脉冲输出功率＞10W。相关论文——《高功率人眼安全波段垂直腔面发射激光器》发表在《中国激光》(中国激光，2023,50(19)：1901008)(网络首发)。
据了解，VCSEL具有圆形对称光斑、窄的激光光谱及二维可集成等独特优势。高密度集成的VCSEL阵列激光功率可以达到瓦级乃至数十瓦，近年来，高功率的VCSEL在3D智能感知领域如面部识别、AR/VR、激光雷达等得到新的重要应用。发光波长在850nm、905nm及940nm的VCSEL阵列技术相对成熟，且具有高的激光功率与效率，目前 3D 感知技术大多采用上述波长的VCSEL激光光源，然而这类波长的激光易于对人眼角膜、视网膜有直接损伤。波长在1550nm的VCSEL激光在通过眼球过程中会快速被水分吸收，难以直接对人眼关键部位造成激光损伤，因而其人眼安全阈值比1000nm以下波长的激光高两个数量级以上。
然而，1550nm波长其他激光器技术会对智能感知技术的体积、功耗及成本产生制约，1550nm VCSEL激光器相对来说体积更小成本也更低，但若想获得高功率工作下VCSEL阵列的高功率输出还需要阵列具备良好的散热特性，加之其复杂的材料、工艺结构和制备方法，制备具有高密度集成特性的1550nm VCSEL阵列是一项极大的挑战。
左图为1550nm VCSEL阵列连续输出功率曲线，右图为1550nm VCSEL阵列脉冲输出功率曲线及远场图
本次研究是在前期1550nm VCSEL单管研究基础上开发出的高功率VCSEL阵列结果，研究人员对1550nm VCSEL激光器单个发光点的热阻特性进行了分析，建立了基于热阻分析及可变产热量的VCSEL阵列热模型，优化了VCSEL发光点单元间距，理论上可保证阵列内部拥有均匀的温度分布。制备了发光单元边缘间距为30μm的高密度集成1550nm波长VCSEL阵列，并对其连续及脉冲工作时的输出特性进行了测试分析。
VCSEL阵列工作温度为15℃时，最高连续输出功率达到1.05W；即使工作温度增加至65℃，VCSEL最高连续输出功率仍能达到0.42W。在脉宽5μs，重复频率1kHz 脉冲条件下，VCSEL工作在15℃时的最大峰值功率达到10.5W，此时VCSEL呈现出热饱和现象。在脉冲功率10.5W时，阵列远场光斑仍然呈现圆形对称形貌，在两个正交方向上的远场发散角分别为26.69°及26.98°。
研究团队总结道，1550nm VCSEL激光器具有极佳的人眼安全性能，并且VCSEL激光器未来在成本、体积及集成度等方面具有巨大优势，相信1550nm VCSEL阵列将在3D感知场景如屏下识别、激光雷达等领域将具有广阔的应用前景。
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