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解析氮化镓(GaN)蓝紫光激光器

2008-04-14 17:28
夜隼008
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    在为数众多的半导体激光器中,波长为405nm的氮化镓蓝紫光激光器算是后来者,但它可以说是受市场需求驱动而出现且一上市就很快得到广泛的应用、迅速成为当前激光领域的热门产品之一。本文就氮化镓激光器的结构特点与它的主要应用作一简单介绍。

一、氮化镓激光器的结构特点

    氮化镓是Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体材料,其禁带宽度Eg在3电子伏左右,因此由公式 λ=1.24/Eg 可知,它的光发射波长在405nm附近。根据有关资料记载(1),由日本日亚化学工业公司开发的GaN激光器结构如图一所示。看起来这要比由四元化合物InGaAlP构成的红光激光器、以及由三元化合物GaAlAs构成的近红外激光器结构要复杂得多。这主要是由于GaN 晶体生长技术的困难程度所致。GaN是一种具有六方对称的晶体,为了生长这种晶体薄膜,需要选择同类晶体结构的衬底材料。研究表明,蓝宝石晶体亦具有六方对称晶体结构,可以作为衬底材料,但要制造出合格的GaN激光二极管,还需解决像晶格常数以及热胀系数匹配、良好的欧姆接触、低位错密度和其他缺陷的晶体生长、高浓度P型杂志掺杂等诸多技术难题。

    九十年代,日本一位名古屋大学出身、就职于日亚化学工业公司的学者中村修二经过多年努力,开创性地提出用双流MOCVD和氮气氛下用热合金法进行高浓度P型杂质掺杂两大重要技术革新,成功地解决了上述难题,并利用在有源区添加In来改善发光特性,实现了发射波长可自由调整。1995年底,制造出第一个多量子阱结构GaN激光二极管,并可在室温下工作(2)。

    时至今日,GaN激光器已进入民用商品市场,图二为日亚公司提供的功率为60mW的GaN激光二极管的封装结构及电气特性参数。

    可以看出,此类激光二极管有着与红光、近红外光激光二极管相似的特性参数。在驱动电路设计上亦可采用类似的恒功率(APC)或恒流(ACC)设计。且因为激光管外壳接LD的负端(另外一些不带PD的产品则外壳与LD隔离),有利于安全防护。但有几点仍然值得留意,即由于GaN材料有较宽的禁带,电气驱动GaN激光管时,正向导通电压较大,因此驱动电路需有较高的工作电压;此外,有的厂家提供的GaN管反向击穿电压较低,仅有2V左右(3),因此反向过压保护需特别注意。同时也要有很好的防浪涌措施,电路启动、关闭应保证无过冲等。

二、氮化镓激光器的应用

    405 nm GaN 激光器的应用前景十分广阔,现就其典型应用介绍如下:
1)GaN激光光盘存储器

    今天,光盘存储器早已深入千家万户,其种类有CD-ROM、CD-Audio音乐光盘、VCD视频光盘、DVD数字光盘等等,这些光盘的工作原理可由图四示意介绍。这是一种目前应用得较为普遍的三光束方式光驱激光头。图左上方的坑槽的不同长度与间隔能反映存储信息内容的不同。激光头则用于发射激光光束、再检测由光盘反射回来的激光来提取信息。激光二极管发射的激光,经光栅板分裂成为三束光。其中一束主光束用于读取数字信息,其余两束辅助光束用于检测循迹误差,以保证主光束始终能正确跟踪光盘上的信息纹。光束经半透半反镜、1/4波长板、准直透镜、反射镜以及物镜聚焦成一个小光点照射在光盘表面上。从光盘反射的激光光束再通过物镜、反射镜、准直镜、1/4 波长板、半反射镜、透镜和柱面镜后照射到光电二极管上。通过光电二极管及其后的放大电路将光信号转变为电信号输出。这就是激光头读取光盘上所载信息的全过程。

    如何使光盘能存储更大的信息量,始终是高科技追求的一个重要目标。明白了光盘工作原理,就不难理解设法使光学系统聚焦的激光光斑尽量缩小的重要性。而在光束的极限条件下,光斑直径d是与光的波长λ成正比、与聚焦透镜的数值孔径NA成反比,即有:(4)的关系。由此可见,光盘上激光束光点直径可以通过增加数值孔径或是缩短激光波长来实现。而数值孔径不能做得过大、否则会导致焦深减小,使跟踪变得困难,因此一般控制在0.55左右。这样、减小所采用激光的波长就成为提高光盘存储密度的最有效办法!如以通用的5寸双面光盘为例,采用波长在670~690nm的红光半导体激光器时,光盘存储容量在2.6GB左右;如采用波长为405nm的GaN激光器,相同尺寸光盘的容量则可达到15GB以上,这是光存储领域在存储容量方面的一大飞跃!难怪蓝紫色激光如此深受业界的期盼。

    随着蓝紫光激光器的量产,最近不断有新的记录被缔造,日立公司不久前宣布蓝紫光光盘的容量已经高达100GB!

2)在印刷领域的应用

    常用的胶片印刷工序十分复杂而且很费时费力,需要人工将数字式文件制成照相底版,再用化学处理办法将文字图像转移到印刷版上,然后再将这种底版装在滚筒上进行印刷。

    将激光技术引入印刷行业,在印刷过程中则可以省去制作照相底版这一道工序,可以直接将文字或图像从计算机传送到一种涂有感光或感热化学材料的铝板上(学名CTP板),这样就可以大大节约工时,加快印刷速度,并且大幅度减少由于照相制片、化学处理对环境带来的污染。

    图五为一种外鼓式激光印刷系统的示意图。CTP板安装在外鼓上,并以一定速度旋转。带有文字图像信息的激光束在转镜带动下做大面积左右来回扫描,高速完成制版任务。如果是采用半导体激光器,由于可以实现电调制,因而可以省去声光调制器部分。

    激光印刷制版所使用的CTP板有两种类型,一种是热敏型板、另一种是光敏型板。热敏型CTP板一般选用830nm或1064nm波长的激光作为光源;而光敏型CTP板则可选用405nmGaN蓝紫光激光作为光源。相比这两种技术,一般认为光敏型CTP板具有响应速度快、所需激光功率低的优点。而且405nm蓝紫光激光光斑比830nm/1064nm激光的光斑要小很多,因而也会带来引刷质量的提升。可以预见,405nm蓝紫光激光器不久就将会在印刷制版领域得到广泛的应用。

3)激光诱导荧光检测技术

    激光诱导荧光检测技术,是利用激光强度高、聚焦特性好的特点,作为微区、微量样品(例如毛细管电泳)的激发光源,使荧光检测的灵敏度、稳定性得到大幅度提高。最低检测浓度可以达到10-12,比一般激发光源的检测限度提高了10万倍!早期通常使用的激光器是氩离子激光器,它的功率较大,输出稳定,出射激光接近理想高斯光束,能够比较准确地会聚于一点。但氩离子激光器体积庞大,不利于仪器小型化,成本也很高。新型的短波长GaN半导体激光器可以代替氩离子激光器,降低成本,使仪器实现小型化,使用更为便利。

    图六为北京雷神光机电科技开发有限公司与中国农业大学信息系协作开发的激光诱导荧光检测仪,其重量不到1公斤,所使用的激光器是405nm的GaN激光器,输出功率大于30mW,发散角为1mrad。

    此类仪器可应用于以下诸多领域:生命科学、分子生物学、神经化学、免疫学、药物学、环境科学、毒理学、食品学等等,可辅助进行寡核酸片段分析、药物靶蛋白分析、微流控生物芯片、兴奋剂检测、毒品监管等。此外,还可与毛细管电色谱仪、毛细管电泳仪、毛细管液相色谱仪、微径液相色谱仪、常规高效液相色谱仪等多种仪器配合使用,进一步拓展它的应用领域。

三、结束语

    本文就氮化镓蓝紫光激光器的结构特点和它的主要应用作了简单介绍,但这样的一个为公众所期盼多时的新型高能激光器的应用还远远不止这些。在激光打印、激光防伪、拉曼光谱检测技术以及科研教学、物理学实验中还可以找到它成功应用的身影。因此有理由相信,405nm蓝紫光激光器的应用领域将更为广阔!

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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