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光泵浦半导体激光器正在拓展其潜在应用领域

2007-04-09 14:36
天堂的苦涩
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作者:Matthias Schulze, Andrew Masters

近年来,光泵浦半导体(OPS)激光器在低功率应用领域赢得了显著的市场份额,特别是在传统488nm波长的OEM生物仪器应用中,以及473nm波长的照相洗印应用中。光泵浦半导体激光器在这些领域的成功,在于它具有很多优于早期激光器的性能,同时又能避免很多限制因素。目前,基于这项技术产生的激光波长和功率范围已经得到了更大的扩展,产生了新的波长和更高的输出功率,使得OPS激光器进入了一个更加广阔的应用领域。
大多数半导体激光器都构建成所谓的边发射器。这里,激光从尺寸为几个微米的激活结平面发射,这导致输出光束的发散角很大。此外,大多数激光二极管发射的光束是非对称和像散的。这些特性导致垂直腔面发射激光器(VCSEL)仅适合于某些通信应用。

 



图1. 在OPS激光器中,泵浦光被再次成像到OPS芯片的表面。外腔式设计使得波长和功率范围灵活可调。

在VCSEL中,激光垂直于半导体结从二极管芯片表面发射。输出口径越大,光束的发散角越小并仍能保持光束对称。然而,电激励VCSEL并不能产生像边发射半导体激光器一样高的功率,这是因为在不使用扩展电极时,载流子无法扩散到更大的面积,而使用扩展电极将会导致损耗过大。这个问题可以通过利用光泵浦器件产生载流子的办法来解决。

在OPS激光器中,直接耦合的单个激光二极管或光纤耦合激光二极管阵列发出的泵浦光被再次成像到OPS芯片的前表面(见图1)。这种单片III-V族半导体芯片包括两层砷化镓(GaAs)和夹在其中的砷镓铟(InGaAs)量子阱。两层GaAs经过了优化从而能有效地吸收泵浦光,产生大量的载流子。这导致载流子的粒子数反转并在量子阱中复合发光,其辐射波长由量子阱的化学计量和物理尺寸决定。在这些吸收/辐射层的后面,是由多层高低折射率交替的介质层构成的低损耗分布式布拉格反射镜(DBR),该反射镜经过了优化,可以得到特定的OPS输出波长。

为什么不把输出泵浦光的半导体激光器和VCSEL集成在单一芯片上呢?首先,通过外部反射镜可以灵活改变激光腔,从而可以灵活改变输出光束的特性。而且,可以在腔内放置光学元件,便于简单有效地将近红外光倍频到可见光波段。另外,由于可以使用多个激光二极管同时泵浦单片OPS芯片,因此可以得到高功率输出。

 



图2. 光泵浦半导体激光器的泵浦结构和折叠腔使得激光头的尺寸非常小。这个安装在试验板上、输出功率为10W的TEM00模OPS激光器样机中,为清晰起见,激光束的路径以红色突出显示。

泵浦光以接近30°的角度入射到OPS芯片上。这种非共线设计可以充分利用模体积并且几乎不会引入泵浦光的椭圆度,同时保证了泵浦光的成像光学元件不会阻挡OPS的腔内光束。此外,这种离轴泵浦结构允许两个甚至三个激光二极管以不同的方位角同时泵浦,从而产生很高的输出功率。同样重要的是,整个OPS的泵浦激光头的尺寸可以做得很小,并安装在一小块面积上,这在OEM应用中具有体积小巧的优势,同时还具有优异的短期与长期稳定性(见图2)。

波长与输出模式
OPS增益介质具有多个优于Nd:YAG和Nd:YVO4(钒酸盐)等激光晶体的优点。例如,OPS激光器可以工作在一个非常宽的泵浦波长范围内,其要求仅仅是泵浦激光二极管的输出光子能量超过OPS吸收层的带隙宽度。相比之下,掺钕(Nd)和掺镱(Yb)的材料吸收峰非常窄,泵浦激光二极管的波长必须与之精确匹配,这要求仔细选择二极管(从而降低了产量)并严格控制二极管的工作温度。

OPS的另一个优点是没有热透镜效应,而热透镜效应却严重存在于Nd:YVO4等一般的二极管泵浦固态(DPSS)材料中。此外,透镜效应会随泵浦功率的提高而更加严重,这将使腔的优化设计变得十分复杂,并且不利于功率的提高。
然而,从终端用户的角度来看,OPS技术最重要的优点在于可以在一个很宽的波长范围内很容易地定制一个使用波长。例如,砷镓铟(InGaAs)基的OPS激光器输出波长为700~1200nm,通过倍频可以把这一波长范围拓展到大部分可见光波段(350~600nm)。这样宽的输出波长范围使人们可以设计出满足特定应用需求的OPS激光器。

OPS的另一个显著优点是其纵模特性,这使得倍频后输出的激光噪声非常低。腔内倍频连续波(CW)激光器经常受模式噪声影响,这是由不同纵模之间产生的功率振荡引起的。由于二次谐波产生(SHG)效率取决于精确的基频波长,这种模式噪声会转化成倍频输出的幅度噪声(常称为“绿噪声”)。在商用OPS激光器中,用一个窄带双折射滤光片(BRF)来压缩激光线宽,并使输出波长稳定在SHG曲线的峰值处。这 这个双折射滤光片将输出激光限制在3~10个稳定的纵模内。此外,OPS量子阱的激发态寿命非常短,这实际上消除了纵模之间产生的动态功率振荡,使绿噪声低于0.03% (达到10 MHz rms)。另外,短OPS腔产生的纵模间隔较宽,这样在腔内放置标准具,可以相对容易地使激光器以单纵模振荡,以满足高相干性应用的要求。

功率范围
可以通过使用更高功率的泵浦激光二极管或者增加激光二极管的个数,来提高OPS激光器的输出功率。然而,OPS激光器(或任何其它VCSEL)产生激光的效率(L-I曲线斜率或激光输出对输入电流的斜坡效率)随功率的增加而降低,甚至变为负值,这完全是由热效应和粒子数反转的物理机制引起的。简单地说,量子阱中的温度随着载流子密度和光子通量的增加而升高。相干公司的工程师们已经开发了一种双叉(two-pronged)方法来解决这个问题,并且提高了OPS的功率范围。

 



图3. 使用开普勒望远镜光学系统可以缩短腔长,并且在增益介质内获得较大的模体积。图中带有透镜的线形腔简单地阐明了其原理(上图)。在OPS激光器中实际采用的结构是由凹面镜构成的折叠腔(下图)。


第一项创新是采用扩展的模体积和新型折叠腔设计。因为功率密度是温度升高的原因,一个明显的解决办法是使功率分布在OPS芯片更大的面积上。但是仅仅增大模体积而不增加腔的焦距长度,会使激光器处在多个横模的不稳定工作状态中。另一方面,显著地增加腔的焦距长度会使激光器的体积过于庞大,而且会降低光学机械稳定性。
现在,使用带有开普勒望远镜光学系统的紧凑型折叠腔来消除模式直径与腔长之间的制约关系。这种设计同时支持OPS芯片上的大光束直径和输出镜附近窄而均匀的束腰(见图3)。此外,SHG晶体可以放置在这个光束中。加上模式噪声较低,这意味着利用坚固耐用的长寿命三硼酸锂(LBO)晶体可以获得很高的倍频效率,而不是使用直接倍频一些激光二极管所必需的外部晶体或波导。

一种新颖的冷却方案能够直接降低OPS芯片的整体温度,尤其是量子阱内部的温度。这种冷却方案基于一项把芯片安装在其散热器上的专利技术。对于给定的器件尺寸,通过该方案可以获得更高的功率。同时该冷却方案也是决定OPS激光器长寿命工作的关键因素。

目前的寿命测试数据表明,对于488nm商用产品,20mW型号的产品使用寿命超过50,000小时,200mW型号的产品使用寿命超过25,000小时。寿命检测结果强有力地证明了这种冷却方案的有效性。输出功率为5W的532nm激光器已经投产,11.5W的TEM00模531nm激光器和接近20W的488nm激光器已经在实验室中演示成功,并且,这些激光器都非常紧凑。

广泛的应用领域
最先得益于OPS技术的领域是使用488nm的生物仪器领域。实际上,目前在诸如共焦显微镜、流式细胞仪(血细胞计数)、DNA排序和蛋白质组学等应用中,主要使用输出488nm的固体激光器,而以前使用功率较弱的离子激光器来激发荧光。小型化OPS激光器的应用将使仪器更加简单、小巧,而且可靠性更高、性能更好、功耗更低。此外,对波长的需求,使OPS技术最近推出的505nm激光器可以同时激发很宽的荧光范围,而在以前,这需要同时使用488nm和514nm波长的激光。

 



图4. 在犯罪侦查应用中,OPS激光器为需要对微量痕迹激发荧光的犯罪现场调查提供了便携性和经济性。在这片洒有若丹明的弯曲的铝箔上面,OPS激光器输出的高功率(5W)激光可以大大减小相机的光圈,从而获得足够的景深来显现这个高度弯曲的表面上的指纹(上图)。使用经滤波的灯光源无法显现同样的指纹(中图),即使延长曝光时间也无济于事(下图)。

微量痕迹恢复应用也采用了OPS技术。其中,绿光激光器用于显现犯罪现场遗留的潜指纹和体液(见图4)。传统的离子激光器仅适用于实验室中,甚至DPSS激光器对此应用来说也太过笨重(并且价格太昂贵)。目前,基于5W的530nm OPS激光器的小型犯罪侦查成像系统,满足了人们对便携性和经济性的需求。


医学(治疗)应用也开始从OPS激光器中受益。例如,已经开发了一种新型6W的黄光(577nm)激光器用于眼科激光凝固治疗——凝固眼睛背面爆裂的血管。黄光被认为是进行这项工作最理想的波长,这是因为它与血液的吸收峰相匹配。这种波长和功率水平还可应用于皮肤医学。

在显示领域,460nm和530nm的数瓦级OPS激光器目前正广泛应用于电影工业中的数字胶片写入——制作底片胶卷,其中场景越来越多地采用电脑特技效果。此外,类似的激光器已被开发应用于高端RGB投影显示应用中。

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