近年(nián)來，光(guāng)泵浦半導體(OPS)激光(guāng)器(qì)在低(dī)功率應用領域赢得了顯著的市(shì)場份額，特别是在傳統488nm波長(cháng)的OEM生(shēng)物(wù)儀器(qì)應用中，以及473nm波長(cháng)的照(zhào)相(xiàng)洗印應用中。光(guāng)泵浦半導體激光(guāng)器(qì)在這些領域的成功，在于它具有很多(duō)優于早期激光(guāng)器(qì)的性能(néng)，同時又(yòu)能(néng)避免很多(duō)限制因素。目前，基于這項技(jì)術(shù)産生(shēng)的激光(guāng)波長(cháng)和功率範圍已經得到(dào)了更大的擴展，産生(shēng)了新的波長(cháng)和更高(gāo)的輸出功率，使得OPS激光(guāng)器(qì)進入了一(yī)個(gè)更加廣闊的應用領域。

  大多(duō)數半導體激光(guāng)器(qì)都構建成所謂的邊發射器(qì)。這裡(lǐ)，激光(guāng)從(cóng)尺寸為(wèi)幾個(gè)微米的激活結平面發射，這導緻輸出光(guāng)束的發散角很大。此外，大多(duō)數激光(guāng)二極管發射的光(guāng)束是非對稱和像散的。這些特性導緻垂直腔面發射激光(guāng)器(qì)(VCSEL)僅适合于某些通(tōng)信應用。

  在VCSEL中，激光(guāng)垂直于半導體結從(cóng)二極管芯片表面發射。輸出口徑越大，光(guāng)束的發散角越小(xiǎo)并仍能(néng)保持光(guāng)束對稱。然而，電(diàn)激勵VCSEL并不能(néng)産生(shēng)像邊發射半導體激光(guāng)器(qì)一(yī)樣高(gāo)的功率，這是因為(wèi)在不使用擴展電(diàn)極時，載流子無法擴散到(dào)更大的面積，而使用擴展電(diàn)極将會(huì)導緻損耗過大。這個(gè)問題可以通(tōng)過利用光(guāng)泵浦器(qì)件(jiàn)産生(shēng)載流子的辦法來解決。

  在OPS激光(guāng)器(qì)中，直接耦合的單個(gè)激光(guāng)二極管或光(guāng)纖耦合激光(guāng)二極管陣列發出的泵浦光(guāng)被再次成像到(dào)OPS芯片的前表面(見(jiàn)圖1)。這種單片III-V族半導體芯片包括兩層砷化镓(GaAs)和夾在其中的砷镓铟(InGaAs)量子阱。兩層GaAs經過了優化從(cóng)而能(néng)有效地吸收泵浦光(guāng)，産生(shēng)大量的載流子。這導緻載流子的粒子數反轉并在量子阱中複合發光(guāng)，其輻射波長(cháng)由量子阱的化學計量和物(wù)理尺寸決定。在這些吸收/輻射層的後面，是由多(duō)層高(gāo)低(dī)折射率交替的介質層構成的低(dī)損耗分布式布拉格反射鏡(DBR)，該反射鏡經過了優化，可以得到(dào)特定的OPS輸出波長(cháng)。

  為(wèi)什麽不把輸出泵浦光(guāng)的半導體激光(guāng)器(qì)和VCSEL集成在單一(yī)芯片上(shàng)呢(ne)?首先，通(tōng)過外部反射鏡可以靈活改變激光(guāng)腔，從(cóng)而可以靈活改變輸出光(guāng)束的特性。而且，可以在腔内放(fàng)置光(guāng)學元件(jiàn)，便于簡單有效地将近紅(hóng)外光(guāng)倍頻到(dào)可見(jiàn)光(guāng)波段。另外，由于可以使用多(duō)個(gè)激光(guāng)二極管同時泵浦單片OPS芯片，因此可以得到(dào)高(gāo)功率輸出。

  泵浦光(guāng)以接近30°的角度入射到(dào)OPS芯片上(shàng)。這種非共線設計可以充分利用模體積并且幾乎不會(huì)引入泵浦光(guāng)的橢圓度，同時保證了泵浦光(guāng)的成像光(guāng)學元件(jiàn)不會(huì)阻擋OPS的腔内光(guāng)束。此外，這種離軸泵浦結構允許兩個(gè)甚至三個(gè)激光(guāng)二極管以不同的方位角同時泵浦，從(cóng)而産生(shēng)很高(gāo)的輸出功率。同樣重要的是，整個(gè)OPS的泵浦激光(guāng)頭的尺寸可以做得很小(xiǎo)，并安裝在一(yī)小(xiǎo)塊面積上(shàng)，這在OEM應用中具有體積小(xiǎo)巧的優勢，同時還(hái)具有優異的短期與長(cháng)期穩定性(見(jiàn)圖2)。

  波長(cháng)與輸出模式

  OPS增益介質具有多(duō)個(gè)優于Nd:YAG和Nd:YVO4(釩酸鹽)等激光(guāng)晶體的優點。例如，OPS激光(guāng)器(qì)可以工(gōng)作在一(yī)個(gè)非常寬的泵浦波長(cháng)範圍内，其要求僅僅是泵浦激光(guāng)二極管的輸出光(guāng)子能(néng)量超過OPS吸收層的帶隙寬度。相(xiàng)比之下(xià)，摻钕(Nd)和摻镱(Yb)的材料吸收峰非常窄，泵浦激光(guāng)二極管的波長(cháng)必須與之精确匹配，這要求仔細選擇二極管(從(cóng)而降低(dī)了産量)并嚴格控制二極管的工(gōng)作溫度。

  OPS的另一(yī)個(gè)優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(yī)般的二極管泵浦固态(DPSS)材料中。此外，透鏡效應會(huì)随泵浦功率的提高(gāo)而更加嚴重，這将使腔的優化設計變得十分複雜(zá)，并且不利于功率的提高(gāo)。

  然而，從(cóng)終端用戶的角度來看(kàn)，OPS技(jì)術(shù)最重要的優點在于可以在一(yī)個(gè)很寬的波長(cháng)範圍内很容易地定制一(yī)個(gè)使用波長(cháng)。例如，砷镓铟(InGaAs)基的OPS激光(guāng)器(qì)輸出波長(cháng)為(wèi)700～1200nm，通(tōng)過倍頻可以把這一(yī)波長(cháng)範圍拓展到(dào)大部分可見(jiàn)光(guāng)波段(350～600nm)。這樣寬的輸出波長(cháng)範圍使人們可以設計出滿足特定應用需求的OPS激光(guāng)器(qì)。

  OPS的另一(yī)個(gè)顯著優點是其縱模特性，這使得倍頻後輸出的激光(guāng)噪聲非常低(dī)。腔内倍頻連續波(CW)激光(guāng)器(qì)經常受模式噪聲影響，這是由不同縱模之間産生(shēng)的功率振蕩引起的。由于二次諧波産生(shēng)(SHG)效率取決于精确的基頻波長(cháng)，這種模式噪聲會(huì)轉化成倍頻輸出的幅度噪聲(常稱為(wèi)“綠噪聲”)。在商用OPS激光(guāng)器(qì)中，用一(yī)個(gè)窄帶雙折射濾光(guāng)片(BRF)來壓縮激光(guāng)線寬，并使輸出波長(cháng)穩定在SHG曲線的峰值處。這個(gè)雙折射濾光(guāng)片将輸出激光(guāng)限制在3～10個(gè)穩定的縱模内。此外，OPS量子阱的激發态壽命非常短，這實際上(shàng)消除了縱模之間産生(shēng)的動态功率振蕩，使綠噪聲低(dī)于0.03% (達到(dào)10 MHz rms)。另外，短OPS腔産生(shēng)的縱模間隔較寬，這樣在腔内放(fàng)置标準具，可以相(xiàng)對容易地使激光(guāng)器(qì)以單縱模振蕩，以滿足高(gāo)相(xiàng)幹性應用的要求。

  功率範圍

  可以通(tōng)過使用更高(gāo)功率的泵浦激光(guāng)二極管或者增加激光(guāng)二極管的個(gè)數，來提高(gāo)OPS激光(guāng)器(qì)的輸出功率。然而，OPS激光(guāng)器(qì)(或任何其它VCSEL)産生(shēng)激光(guāng)的效率(L-I曲線斜率或激光(guāng)輸出對輸入電(diàn)流的斜坡效率)随功率的增加而降低(dī)，甚至變為(wèi)負值，這完全是由熱效應和粒子數反轉的物(wù)理機(jī)制引起的。簡單地說，量子阱中的溫度随著(zhe)載流子密度和光(guāng)子通(tōng)量的增加而升高(gāo)。相(xiàng)幹公司的工(gōng)程師(shī)們已經開(kāi)發了一(yī)種雙叉(two-pronged)方法來解決這個(gè)問題，并且提高(gāo)了OPS的功率範圍。

  第一(yī)項創新是采用擴展的模體積和新型折疊腔設計。因為(wèi)功率密度是溫度升高(gāo)的原因，一(yī)個(gè)明顯的解決辦法是使功率分布在OPS芯片更大的面積上(shàng)。但是僅僅增大模體積而不增加腔的焦距長(cháng)度，會(huì)使激光(guāng)器(qì)處在多(duō)個(gè)橫模的不穩定工(gōng)作狀态中。另一(yī)方面，顯著地增加腔的焦距長(cháng)度會(huì)使激光(guāng)器(qì)的體積過于龐大，而且會(huì)降低(dī)光(guāng)學機(jī)械穩定性。

  現在，使用帶有開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡光(guāng)學系統的緊湊型折疊腔來消除模式直徑與腔長(cháng)之間的制約關系。這種設計同時支持OPS芯片上(shàng)的大光(guāng)束直徑和輸出鏡附近窄而均勻的束腰(見(jiàn)圖3)。此外，SHG晶體可以放(fàng)置在這個(gè)光(guāng)束中。加上(shàng)模式噪聲較低(dī)，這意味著(zhe)利用堅固耐用的長(cháng)壽命三硼酸锂(LBO)晶體可以獲得很高(gāo)的倍頻效率，而不是使用直接倍頻一(yī)些激光(guāng)二極管所必需的外部晶體或波導。

  一(yī)種新穎的冷卻方案能(néng)夠直接降低(dī)OPS芯片的整體溫度，尤其是量子阱内部的溫度。這種冷卻方案基于一(yī)項把芯片安裝在其散熱器(qì)上(shàng)的專利技(jì)術(shù)。對于給定的器(qì)件(jiàn)尺寸，通(tōng)過該方案可以獲得更高(gāo)的功率。同時該冷卻方案也是決定OPS激光(guāng)器(qì)長(cháng)壽命工(gōng)作的關鍵因素。

  目前的壽命測試數據表明，對于488nm商用産品，20mW型号的産品使用壽命超過50,000小(xiǎo)時，200mW型号的産品使用壽命超過25,000小(xiǎo)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(wèi)5W的532nm激光(guāng)器(qì)已經投産，11.5W的TEM00模531nm激光(guāng)器(qì)和接近20W的488nm激光(guāng)器(qì)已經在實驗室中演示成功，并且，這些激光(guāng)器(qì)都非常緊湊。

  廣泛的應用領域

  最先得益于OPS技(jì)術(shù)的領域是使用488nm的生(shēng)物(wù)儀器(qì)領域。實際上(shàng)，目前在諸如共焦顯微鏡、流式細胞儀(血細胞計數)、DNA排序和蛋白(bái)質組學等應用中，主要使用輸出488nm的固體激光(guāng)器(qì)，而以前使用功率較弱的離子激光(guāng)器(qì)來激發熒光(guāng)。小(xiǎo)型化OPS激光(guāng)器(qì)的應用将使儀器(qì)更加簡單、小(xiǎo)巧，而且可靠性更高(gāo)、性能(néng)更好、功耗更低(dī)。此外，對波長(cháng)的需求，使OPS技(jì)術(shù)最近推出的505nm激光(guāng)器(qì)可以同時激發很寬的熒光(guāng)範圍，而在以前，這需要同時使用488nm和514nm波長(cháng)的激光(guāng)。

  微量痕迹恢複應用也采用了OPS技(jì)術(shù)。其中，綠光(guāng)激光(guāng)器(qì)用于顯現犯罪現場遺留的潛指紋和體液(見(jiàn)圖4)。傳統的離子激光(guāng)器(qì)僅适用于實驗室中，甚至DPSS激光(guāng)器(qì)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(guāng)器(qì)的小(xiǎo)型犯罪偵查成像系統，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(kāi)始從(cóng)OPS激光(guāng)器(qì)中受益。例如，已經開(kāi)發了一(yī)種新型6W的黃光(guāng)(577nm)激光(guāng)器(qì)用于眼科激光(guāng)凝固治療——凝固眼睛背面爆裂的血管。黃光(guāng)被認為(wèi)是進行這項工(gōng)作最理想的波長(cháng)，這是因為(wèi)它與血液的吸收峰相(xiàng)匹配。這種波長(cháng)和功率水(shuǐ)平還(hái)可應用于皮膚醫(yī)學。

  在顯示領域，460nm和530nm的數瓦級OPS激光(guāng)器(qì)目前正廣泛應用于電(diàn)影工(gōng)業(yè)中的數字膠片寫入——制作底片膠卷，其中場景越來越多(duō)地采用電(diàn)腦(nǎo)特技(jì)效果。此外，類似的激光(guāng)器(qì)已被開(kāi)發應用于高(gāo)端RGB投影顯示應用中。