近年來，光泵浦半導(dǎo)體(OPS)激光器在低功率應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用中，以及473nm波長的照相洗印應(yīng)用中。光泵浦半導(dǎo)體激光器在這些領(lǐng)域的成功，在于它具有很多優(yōu)于早期激光器的性能，同時(shí)又能避免很多限制因素。目前，基于這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的激光波長和功率范圍已經(jīng)得到了更大的擴(kuò)展，產(chǎn)生了新的波長和更高的輸出功率，使得OPS激光器進(jìn)入了一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
大多數(shù)半導(dǎo)體激光器都構(gòu)建成所謂的邊發(fā)射器。這里，激光從尺寸為幾個(gè)微米的激活結(jié)平面發(fā)射，這導(dǎo)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(dǎo)致垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)僅適合于某些通信應(yīng)用。
在VCSEL中，激光垂直于半導(dǎo)體結(jié)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(lì)VCSEL并不能產(chǎn)生像邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器一樣高的功率，這是因?yàn)樵诓皇褂脭U(kuò)展電極時(shí)，載流子無法擴(kuò)散到更大的面積，而使用擴(kuò)展電極將會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗過大。這個(gè)問題可以通過利用光泵浦器件產(chǎn)生載流子的辦法來解決。
在OPS激光器中，直接耦合的單個(gè)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(dǎo)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(jīng)過了優(yōu)化從而能有效地吸收泵浦光，產(chǎn)生大量的載流子。這導(dǎo)致載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并在量子阱中復(fù)合發(fā)光，其輻射波長由量子阱的化學(xué)計(jì)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(zhì)層構(gòu)成的低損耗分布式布拉格反射鏡(DBR)，該反射鏡經(jīng)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(dǎo)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(nèi)放置光學(xué)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(gè)激光二極管同時(shí)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(shè)計(jì)可以充分利用模體積并且?guī)缀醪粫?huì)引入泵浦光的橢圓度，同時(shí)保證了泵浦光的成像光學(xué)元件不會(huì)阻擋OPS的腔內(nèi)光束。此外，這種離軸泵浦結(jié)構(gòu)允許兩個(gè)甚至三個(gè)激光二極管以不同的方位角同時(shí)泵浦，從而產(chǎn)生很高的輸出功率。同樣重要的是，整個(gè)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(yīng)用中具有體積小巧的優(yōu)勢，同時(shí)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(zhì)具有多個(gè)優(yōu)于Nd:YAG和Nd:YVO4(釩酸鹽)等激光晶體的優(yōu)點(diǎn)。例如，OPS激光器可以工作在一個(gè)非常寬的泵浦波長范圍內(nèi)，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(xì)選擇二極管(從而降低了產(chǎn)量)并嚴(yán)格控制二極管的工作溫度。
OPS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒有熱透鏡效應(yīng)，而熱透鏡效應(yīng)卻嚴(yán)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(yīng)會(huì)隨泵浦功率的提高而更加嚴(yán)重，這將使腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得十分復(fù)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(shù)最重要的優(yōu)點(diǎn)在于可以在一個(gè)很寬的波長范圍內(nèi)很容易地定制一個(gè)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(shè)計(jì)出滿足特定應(yīng)用需求的OPS激光器。
OPS的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其縱模特性，這使得倍頻后輸出的激光噪聲非常低。腔內(nèi)倍頻連續(xù)波(CW)激光器經(jīng)常受模式噪聲影響，這是由不同縱模之間產(chǎn)生的功率振蕩引起的。由于二次諧波產(chǎn)生(SHG)效率取決于精確的基頻波長，這種模式噪聲會(huì)轉(zhuǎn)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(gè)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(gè)雙折射濾光片將輸出激光限制在3～10個(gè)穩(wěn)定的縱模內(nèi)。此外，OPS量子阱的激發(fā)態(tài)壽命非常短，這實(shí)際上消除了縱模之間產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功率振蕩，使綠噪聲低于0.03% (達(dá)到10 MHz rms)。另外，短OPS腔產(chǎn)生的縱模間隔較寬，這樣在腔內(nèi)放置標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(gè)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(chǎn)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?fù)值，這完全是由熱效應(yīng)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理機(jī)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(jīng)開發(fā)了一種雙叉(two-pronged)方法來解決這個(gè)問題，并且提高了OPS的功率范圍。
第一項(xiàng)創(chuàng)新是采用擴(kuò)展的模體積和新型折疊腔設(shè)計(jì)。因?yàn)楣β拭芏仁菧囟壬叩脑?，一個(gè)明顯的解決辦法是使功率分布在OPS芯片更大的面積上。但是僅僅增大模體積而不增加腔的焦距長度，會(huì)使激光器處在多個(gè)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(huì)使激光器的體積過于龐大，而且會(huì)降低光學(xué)機(jī)械穩(wěn)定性。
現(xiàn)在，使用帶有開普勒望遠(yuǎn)鏡光學(xué)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(guān)系。這種設(shè)計(jì)同時(shí)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(gè)光束中。加上模式噪聲較低，這意味著利用堅(jiān)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(dǎo)。
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(nèi)部的溫度。這種冷卻方案基于一項(xiàng)把芯片安裝在其散熱器上的專利技術(shù)。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(shí)該冷卻方案也是決定OPS激光器長壽命工作的關(guān)鍵因素。
目前的壽命測試數(shù)據(jù)表明，對于488nm商用產(chǎn)品，20mW型號(hào)的產(chǎn)品使用壽命超過50,000小時(shí)，200mW型號(hào)的產(chǎn)品使用壽命超過25,000小時(shí)。壽命檢測結(jié)果強(qiáng)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(jīng)投產(chǎn)，11.5W的TEM00模531nm激光器和接近20W的488nm激光器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中演示成功，并且，這些激光器都非常緊湊。
廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域
最先得益于OPS技術(shù)的領(lǐng)域是使用488nm的生物儀器領(lǐng)域。實(shí)際上，目前在諸如共焦顯微鏡、流式細(xì)胞儀(血細(xì)胞計(jì)數(shù))、DNA排序和蛋白質(zhì)組學(xué)等應(yīng)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(yīng)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(shù)最近推出的505nm激光器可以同時(shí)激發(fā)很寬的熒光范圍，而在以前，這需要同時(shí)使用488nm和514nm波長的激光。
微量痕跡恢復(fù)應(yīng)用也采用了OPS技術(shù)。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(shí)驗(yàn)室中，甚至DPSS激光器對此應(yīng)用來說也太過笨重(并且價(jià)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(jīng)濟(jì)性的需求。
醫(yī)學(xué)(治療)應(yīng)用也開始從OPS激光器中受益。例如，已經(jīng)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(rèn)為是進(jìn)行這項(xiàng)工作最理想的波長，這是因?yàn)樗c血液的吸收峰相匹配。這種波長和功率水平還可應(yīng)用于皮膚醫(yī)學(xué)。
在顯示領(lǐng)域，460nm和530nm的數(shù)瓦級(jí)OPS激光器目前正廣泛應(yīng)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(yīng)用于高端RGB投影顯示應(yīng)用中。