近年來,光泵浦半導體(OPS)激光器在低功率應用領域贏得了顯著的市場份額,特別是在傳統(tǒng)488nm波長的OEM生物儀器應用中,以及473nm波長的照相洗印應用中。光泵浦半導體激光器在這些領域的成功,在于它具有很多優(yōu)于早期激光器的性能,同時又能避免很多限制因素。目前,基于這項技術產生的激光波長和功率范圍已經得到了更大的擴展,產生了新的波長和更高的輸出功率,使得OPS激光器進入了一個更加廣闊的應用領域。
大多數(shù)半導體激光器都構建成所謂的邊發(fā)射器。這里,激光從尺寸為幾個微米的激活結平面發(fā)射,這導致輸出光束的發(fā)散角很大。此外,大多數(shù)激光二極管發(fā)射的光束是非對稱和像散的。這些特性導致垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)僅適合于某些通信應用。
在VCSEL中,激光垂直于半導體結從二極管芯片表面發(fā)射。輸出口徑越大,光束的發(fā)散角越小并仍能保持光束對稱。然而,電激勵VCSEL并不能產生像邊發(fā)射半導體激光器一樣高的功率,這是因為在不使用擴展電極時,載流子無法擴散到更大的面積,而使用擴展電極將會導致?lián)p耗過大。這個問題可以通過利用光泵浦器件產生載流子的辦法來解決。
在OPS激光器中,直接耦合的單個激光二極管或光纖耦合激光二極管陣列發(fā)出的泵浦光被再次成像到OPS芯片的前表面(見圖1)。這種單片III-V族半導體芯片包括兩層砷化鎵(GaAs)和夾在其中的砷鎵銦(InGaAs)量子阱。兩層GaAs經過了優(yōu)化從而能有效地吸收泵浦光,產生大量的載流子。這導致載流子的粒子數(shù)反轉并在量子阱中復合發(fā)光,其輻射波長由量子阱的化學計量和物理尺寸決定。在這些吸收/輻射層的后面,是由多層高低折射率交替的介質層構成的低損耗分布式布拉格反射鏡(DBR),該反射鏡經過了優(yōu)化,可以得到特定的OPS輸出波長。
為什么不把輸出泵浦光的半導體激光器和VCSEL集成在單一芯片上呢?首先,通過外部反射鏡可以靈活改變激光腔,從而可以靈活改變輸出光束的特性。而且,可以在腔內放置光學元件,便于簡單有效地將近紅外光倍頻到可見光波段。另外,由于可以使用多個激光二極管同時泵浦單片OPS芯片,因此可以得到高功率輸出。
泵浦光以接近30°的角度入射到OPS芯片上。這種非共線設計可以充分利用模體積并且?guī)缀醪粫氡闷止獾臋E圓度,同時保證了泵浦光的成像光學元件不會阻擋OPS的腔內光束。此外,這種離軸泵浦結構允許兩個甚至三個激光二極管以不同的方位角同時泵浦,從而產生很高的輸出功率。同樣重要的是,整個OPS的泵浦激光頭的尺寸可以做得很小,并安裝在一小塊面積上,這在OEM應用中具有體積小巧的優(yōu)勢,同時還具有優(yōu)異的短期與長期穩(wěn)定性(見圖2)。
波長與輸出模式
OPS增益介質具有多個優(yōu)于Nd:YAG和Nd:YVO4(釩酸鹽)等激光晶體的優(yōu)點。例如,OPS激光器可以工作在一個非常寬的泵浦波長范圍內,其要求僅僅是泵浦激光二極管的輸出光子能量超過OPS吸收層的帶隙寬度。相比之下,摻釹(Nd)和摻鐿(Yb)的材料吸收峰非常窄,泵浦激光二極管的波長必須與之精確匹配,這要求仔細選擇二極管(從而降低了產量)并嚴格控制二極管的工作溫度。
OPS的另一個優(yōu)點是沒有熱透鏡效應,而熱透鏡效應卻嚴重存在于Nd:YVO4等一般的二極管泵浦固態(tài)(DPSS)材料中。此外,透鏡效應會隨泵浦功率的提高而更加嚴重,這將使腔的優(yōu)化設計變得十分復雜,并且不利于功率的提高。
然而,從終端用戶的角度來看,OPS技術最重要的優(yōu)點在于可以在一個很寬的波長范圍內很容易地定制一個使用波長。例如,砷鎵銦(InGaAs)基的OPS激光器輸出波長為700~1200nm,通過倍頻可以把這一波長范圍拓展到大部分可見光波段(350~600nm)。這樣寬的輸出波長范圍使人們可以設計出滿足特定應用需求的OPS激光器。
OPS的另一個顯著優(yōu)點是其縱模特性,這使得倍頻后輸出的激光噪聲非常低。腔內倍頻連續(xù)波(CW)激光器經常受模式噪聲影響,這是由不同縱模之間產生的功率振蕩引起的。由于二次諧波產生(SHG)效率取決于精確的基頻波長,這種模式噪聲會轉化成倍頻輸出的幅度噪聲(常稱為“綠噪聲”)。在商用OPS激光器中,用一個窄帶雙折射濾光片(BRF)來壓縮激光線寬,并使輸出波長穩(wěn)定在SHG曲線的峰值處。這個雙折射濾光片將輸出激光限制在3~10個穩(wěn)定的縱模內。此外,OPS量子阱的激發(fā)態(tài)壽命非常短,這實際上消除了縱模之間產生的動態(tài)功率振蕩,使綠噪聲低于0.03% (達到10 MHz rms)。另外,短OPS腔產生的縱模間隔較寬,這樣在腔內放置標準具,可以相對容易地使激光器以單縱模振蕩,以滿足高相干性應用的要求。
功率范圍
可以通過使用更高功率的泵浦激光二極管或者增加激光二極管的個數(shù),來提高OPS激光器的輸出功率。然而,OPS激光器(或任何其它VCSEL)產生激光的效率(L-I曲線斜率或激光輸出對輸入電流的斜坡效率)隨功率的增加而降低,甚至變?yōu)樨撝?,這完全是由熱效應和粒子數(shù)反轉的物理機制引起的。簡單地說,量子阱中的溫度隨著載流子密度和光子通量的增加而升高。相干公司的工程師們已經開發(fā)了一種雙叉(two-pronged)方法來解決這個問題,并且提高了OPS的功率范圍。
第一項創(chuàng)新是采用擴展的模體積和新型折疊腔設計。因為功率密度是溫度升高的原因,一個明顯的解決辦法是使功率分布在OPS芯片更大的面積上。但是僅僅增大模體積而不增加腔的焦距長度,會使激光器處在多個橫模的不穩(wěn)定工作狀態(tài)中。另一方面,顯著地增加腔的焦距長度會使激光器的體積過于龐大,而且會降低光學機械穩(wěn)定性。
現(xiàn)在,使用帶有開普勒望遠鏡光學系統(tǒng)的緊湊型折疊腔來消除模式直徑與腔長之間的制約關系。這種設計同時支持OPS芯片上的大光束直徑和輸出鏡附近窄而均勻的束腰(見圖3)。此外,SHG晶體可以放置在這個光束中。加上模式噪聲較低,這意味著利用堅固耐用的長壽命三硼酸鋰(LBO)晶體可以獲得很高的倍頻效率,而不是使用直接倍頻一些激光二極管所必需的外部晶體或波導。
一種新穎的冷卻方案能夠直接降低OPS芯片的整體溫度,尤其是量子阱內部的溫度。這種冷卻方案基于一項把芯片安裝在其散熱器上的專利技術。對于給定的器件尺寸,通過該方案可以獲得更高的功率。同時該冷卻方案也是決定OPS激光器長壽命工作的關鍵因素。
目前的壽命測試數(shù)據(jù)表明,對于488nm商用產品,20mW型號的產品使用壽命超過50,000小時,200mW型號的產品使用壽命超過25,000小時。壽命檢測結果強有力地證明了這種冷卻方案的有效性。輸出功率為5W的532nm激光器已經投產,11.5W的TEM00模531nm激光器和接近20W的488nm激光器已經在實驗室中演示成功,并且,這些激光器都非常緊湊。
廣泛的應用領域
最先得益于OPS技術的領域是使用488nm的生物儀器領域。實際上,目前在諸如共焦顯微鏡、流式細胞儀(血細胞計數(shù))、DNA排序和蛋白質組學等應用中,主要使用輸出488nm的固體激光器,而以前使用功率較弱的離子激光器來激發(fā)熒光。小型化OPS激光器的應用將使儀器更加簡單、小巧,而且可靠性更高、性能更好、功耗更低。此外,對波長的需求,使OPS技術最近推出的505nm激光器可以同時激發(fā)很寬的熒光范圍,而在以前,這需要同時使用488nm和514nm波長的激光。
微量痕跡恢復應用也采用了OPS技術。其中,綠光激光器用于顯現(xiàn)犯罪現(xiàn)場遺留的潛指紋和體液(見圖4)。傳統(tǒng)的離子激光器僅適用于實驗室中,甚至DPSS激光器對此應用來說也太過笨重(并且價格太昂貴)。目前,基于5W的530nm OPS激光器的小型犯罪偵查成像系統(tǒng),滿足了人們對便攜性和經濟性的需求。
醫(yī)學(治療)應用也開始從OPS激光器中受益。例如,已經開發(fā)了一種新型6W的黃光(577nm)激光器用于眼科激光凝固治療——凝固眼睛背面爆裂的血管。黃光被認為是進行這項工作最理想的波長,這是因為它與血液的吸收峰相匹配。這種波長和功率水平還可應用于皮膚醫(yī)學。
在顯示領域,460nm和530nm的數(shù)瓦級OPS激光器目前正廣泛應用于電影工業(yè)中的數(shù)字膠片寫入——制作底片膠卷,其中場景越來越多地采用電腦特技效果。此外,類似的激光器已被開發(fā)應用于高端RGB投影顯示應用中。