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新型固体半导体激光器:跨越可见光光谱

2015-01-27 09:14
铁马老言
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  2014年的诺贝尔物理奖授予了高效蓝光LED的发明者,提醒我们对可见光的固态光源所做的进步有多么巨大,我还记得1991年12月在材料研究学会会议上,当赤崎勇向我展示明亮的蓝色LED时,我是多么的吃惊。如今,你可以花几美元买到紫色、蓝色、绿色、红色的激光指示器。

  然而,在可见光激光光谱仍然有空白难以填补,宽调谐性、特殊应用所需的精确波长,以及一直难以捉摸的黄色或橙色光束。幸运的是,出现了新的改进光源填补了这些需求的空白,反映了早期实验系统以及新研究的工程改进。

  调谐参数源

  光学参量光源自实验室初期研究以来走了很长的路,他们的宽调谐范围来自于利用非线性光学将泵浦光子分离成一对低能量光子,频率称为“信号”和“空载”加入等同泵浦频率。当紫外激光器泵浦时,典型的是355nm,他们可以跨越整个可见光谱并达到近红外线。光学元件增加和频和二次谐波可以拓展其调谐范围达到紫外线,跨越200~2600nm。最熟悉的光学参量系统是光参量振荡器(OPOs)和光学参量放大器(OPA)。重要的变化包括准相位匹配(QPM)OPOs、同步泵浦OPOs以及种子OPAs。参量产生要求强大的泵浦源,对于典型的飞秒OPAs是每平方厘米数百亿瓦。能量脉冲激光器或约束泵浦脉冲在波导或光纤小范围内可以满足这些需求。

  用于激光电影的VECSELs翻倍

  可见光谱的固定波长覆盖范围参差不齐,钕激光器的二次谐波长期以来是532nm通用绿光的标准光源,红光和蓝光二极管就很容易找到。然而,其他波长被优选用于许多应用。倍频近红外半导体可产生其他可见光波长,但是要求高光束质量,垂直腔表面发射激光器(VECSEL)满足这一条件。光泵浦版本,也称为光泵浦半导体碟片激光器(OPSLs),连同内腔二次谐波产生在世纪之交被引入商业应用。相干公司现在提供从355nm到639nm的发光产品。

  然而,电泵浦对于一些应用更有吸引力,如RGB激光电影放映机。单个倍频VECSELs可以在525nm到555nm波段发射几百毫瓦,所以阵列可以产生通道所需的几百毫瓦。使用多个在稍微不同线路的激光器发射减少激光散斑至所需的良好图像质量。倍频VECSELs还可以提供其他难以生产的波长,如果有应用需求。

  拉曼频移

  产生黄色、橘色或红色光的另外一种方式是通过拉曼频移固体激光器的输出到较长波段,然后倍频。

  IPG光电子公司通过三阶过程产生的橘色激光束,涉及从掺镱光纤激光器泵浦拉曼光纤激光器的光束倍频,在2005年描述的实验中,线偏振连续波掺镱光纤激光器在1118nm输出40W,周期性极化铌酸锂倍频在589nm输出3W。目前的商业版本是570~600nm连续输出15W,类似的红色激光器在615~650nm输出20W。

  可见光激光器的新基础

  继续努力开发基本输出在可见光的新型激光器,II-VI二极管激光器发射在中间可见光,但缺陷传播严重限制了他们的寿命。日本日立中央研究所的人员报道铍锌镉硒(BeZnCdSe)二极管保证会有更长的寿命。

  稀土镨和镝在各种固态材料中发射可见光,许多由蓝色InGaN二极管激光器泵浦。日本大阪大学的Y. Fujimoto报导了防水氟铝酸盐光纤掺杂离子有望比传统氧化镝光纤的输出更高。掺镝YAG在583nm波长输出峰值功率150mW,受限泵浦二极管的亮度。掺Pr的氟化钡钇在607nm连续输出高达78mW。掺Pr的SrAl12O19波导激光器在644nm红色波段输出高达1W,在绿光525nm输出高达36mW。

  其他正在研究的基本可见光光源包括有机染料和胶体量子点的固态薄膜光泵浦。

  展 望

  如果你一直在关注可见光激光器在过去二十几年的发展,这种进步是一个迅速发展。回过头来看,你会发现这是一次革命。“你基本上都可以实现可见光波段,高功率、低成本激光技术,”Niven说,“这在以前是做不到的,而且更让人兴奋的是将带来更多的新应用。”

  取得成功的关键是启发式的发明、扎实的工程再结合认真的投资。蓝光HD视频光盘的潜在巨大市场推动了蓝光二极管激光器的数百万美元投资。现在,我们有更好的工具生产跨越可见光谱段的激光器。

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