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    半導體激光器
    高亮度半導體激光器拓展新波長及新應用
    材料來源:激光世界           錄入時間:2010-8-9 17:55:27

    作者:Jörg Neukum,Bernd Köhler,Jens Biesenbach,Dilas公司

    半導體激光器的輸出波長日趨豐富,在設計各種波長的高亮度光纖耦合半導體激光器時,必須要有一些重要的設計考量。隨著輸出波長的不斷拓展,半導體激光器將在更多新的應用領域中大顯身手。

    高亮度半導體激光器

    半導體激光器技術的不斷發展使其應用日益廣泛,同時越來越多的應用都要求半導體激光器簡單易用,這使光纖耦合半導體激光器模塊廣受青睞。為了更好地滿足應用需求,在設計高亮度半導體激光器模塊時,必須要考慮一些重要的設計規則,特別是當這些模塊的輸出波長為非標準波長時。這些設計考量主要涉及以下幾方面:

    原則上,最低衍射極限光束參數乘積(BPP)與波長成正比,也就是說,隨著波長(l)的增加,光束質量會逐漸變差。光纖耦合模塊需要一個特定的光束參數乘積,這意味著可以耦合到一根光纖中的發射體(emitter)的數量,會隨著波長的平方因子(l-2)而減少。例如,在1940nm可以耦合到指定纖芯中的發射體的數量,要比在970nm時減少4倍。

    通常慢軸發散角會隨著波長的增加而增加,這意味著慢軸準直透鏡(SAC)的焦距,必須能適應避免SAC損失。

    對于輸出非標準波長的半導體激光器巴條,其快軸方向的發散角可達到90°,因此需要使用具有高數值孔徑和高質量的快速軸準直透鏡(FAC)。

    必須要考慮光學元件自身的損耗。特別是當波長超過2200nm,由于羥基伸縮會導致大量水吸收。目前幾乎微型光學元件使用的所有材料,都會發生這種水吸收現象。

    1給出了各種光纖耦合半導體激光器模塊(見圖1)所能實現的輸出功率。

     

    圖1:分別由1、3、6、12個半導體激光器巴條構成的光纖耦合半導體激光器模塊。

    表1:各種光纖耦合半導體激光器模塊所能實現的輸出功率。

     

    波長

    巴條數

    纖芯與包層直徑NA 0.22

    輸出功率

    [W]

    638nm

    1

    200µm modestrip

    3.2

    1

    400µm modestrip

    5.5

    2

    400µm modestrip

    13

    650nm

    1

    400µm/480µm

    5

    670nm

    1

    400µm/480µm

    12

    1064nm

    1

    400µm/480µm

    35

    2

    400µm/480µm

    65

    1210nm

    1

    400µm/480µm

    13

    1470nm

    1550nm

    1

    400µm/480µm

    15

    2

    400µm/480µm

    30

    3

    600µm/660µm

    45

    6

    600µm/660µm

    90

    1940nm

    1

    600µm/660µm

    6

    2

    600µm/660µm

    12

    3

    600µm/660µm

    18

    2200nm

    1

    600µm/660µm

    2.2*

    *:由于微型光學元件中的水吸收導致了大量功率損耗。

     半導體激光器輸出的新波長及其應用

    目前,半導體激光器已經開發出了多種新的輸出波長,以滿足更多應用需求。其中405440nm的波長范圍是人們比較感興趣的一個波段,目前其應用主要是低功率應用,405nm波長在藍光光盤中的應用就是一個很好的例子。如果人們能夠實現更大的氮化鎵(GaN)晶圓,例如寬10mm、諧振長度1mm,那么由這個芯片上的多個發射器實現的功率則可以達到幾瓦級(~4W)。波長在405440nm范圍內、輸出功率可達幾瓦的高功率半導體激光器可用于以下領域:

    絲網印刷中的環氧樹脂固化

    印刷與半導體行業中的光刻

    摻鐠(Pr)晶體和光纖的光學泵浦

    然而,隨著藍光半導體激光器的問世,最近幾年人們似乎對綠光半導體激光器的研發放慢了腳步。當然,最近也出現了一些有關波長515nm低功率半導體激光器的報道。預計在今后幾年內,高功率綠光半導體激光器產品將會相繼出現。

     在可見光譜中,另一個引人關注的波段是630690nm。該波段范圍內的低功率產品通常用于指示器和DVD應用中;谏榛墸GaAs)晶圓上的銦鎵鋁磷(InGaAlP)結構的半導體激光器巴條,能夠實現高功率半導體激光器,其在630nm的輸出功率可達幾瓦,在680nm的輸出功率最高約達20W。

     這些波長可用于光動力治療(PDT)、泵浦Cr3+:LiCAF/Cr3+:LiSAF固體激光器以產生超短脈沖、照明、全息以及顯示等諸多領域。在顯示應用中,通常是將綠光和藍光混合使用,以獲得白光效果。

    光動力治療與光敏劑一起工作,光敏劑被注射人體用于治療人體組織。經過很短的一段時間(通常在一小時之內)后,光敏劑會在人體的特殊部位(如腫瘤部位)聚集積累。不同的光敏劑對波長有不同的選擇性。通過使用高強度光,光敏劑分子被激活,并且一旦其恢復到基態,可以產生具有高度活性的氧自由基,從而能夠破壞周圍的細胞組織(如腫瘤細胞)。

     808976nm這一波段通常被認為是高功率半導體激光器的標準輸出波長范圍。人們對這個波段的開發研究最久,目前半導體激光器已經能夠輸出多種波長,用于固體激光器材料的泵浦(見表2)。

    表2:用于固體激光器泵浦的一些重要的半導體激光器波長

     

    波長

    泵浦材料

    785nm

    Tm3+:YAG

    793nm, 797nm

    Nd3+: YLF

    808nm-range

    Nd3+:YAG, Nd3+:YVO4

    880nm-range

    Nd3+:YAG, Nd3+:YVO4

    915nm

    Yb3+:glass

    938nm

    Yb3+:YAG

    976nm

    Yb3+:glass

     

     

     

     

     

     

    目前,人們還在針對表2中列出的波長進行功率方面的發展與優化,使其更具可用性。這些波長幾乎能夠適合各種不同晶體(如Nd:YAG)中的激活離子(在大多數情況下是稀土離子)的各種吸收譜線。

    除了泵浦固態激光材料外,在過去的幾年中人們還為這些波長開辟出了一些新的應用領域。首先是堿性氣體的光泵浦,以便為核磁共振成像(MRI)中的醫療診斷產生自旋極化稀有氣體。在這種應用中,銣和氙同位素(Xe127)的混合氣體,被放入位于高壓磁場中的光學單元中。用794.8nm的圓偏振光均勻地照射該單元,銣被激活,然后通過碰撞將其自旋傳送到氙同位素的內核。隨后,自旋極化的氙同位素可以被凍結,保存自旋極化狀態。這個過程被用于MRI中,以顯示心臟或肺部的活動情況。為了獲得必需的波長,半導體激光器中還采用了溫度調諧功能,氣態轉變所需要的小線寬,可以利用一個布拉格光柵(VBG)使半導體激光器的線寬窄化來實現。

    在銣和氙同位素中所產生的現象,也可以在其他堿性氣體(如銫)和其他惰性氣體(如He3)中產生。堿性氣體只是用來產生自旋極化的稀有氣體,這是唯一引入到病人體內的元素,在診斷治療結束后,其對人體不會產生任何負面影響。

     除了泵浦固體激光器外,半導體激光器還能用于泵浦氣體激光器,這也是一個重要的應用領域。

    當為彈道導彈防御系統建立功率為50100kW的激光器時,首要的選擇就是使用半導體激光器泵浦的固體激光器。然而,在提高功率的同時,熱量問題隨之也成為了激光增益介質本身的一個重要問題。人們并沒有無奈地等待晶體冷卻下來再工作,而是想出了一個很簡單的好辦法——更換激光增益介質。這種方法通過使用氣體激光增益介質和高流速泵浦得以實現,因此半導體激光器能夠泵浦基于銣(泵浦波長794.8nm)或銫(泵浦波長780nm或 852nm)的堿性蒸汽激光器。其他堿性蒸氣激光器正在研究開發中。在這類應用中遇到的困難是:即使借助一種緩沖氣體實現壓力展寬吸收的情況下,這些氣體的光躍遷吸收也較小。因此,必須要采用線寬窄化技術,例如使用VBG或通過分布式反饋(DFB)結構實現內部線寬窄化。[1]

    與國防相關的應用對激光器的需求正在增加,通常這種應用的針對性非常強,因此對激光的功率等指標也都是有特定要求的;谶@種應用的特殊之處,人們可以預先為這類應用開發相應的高功率半導體激光器。

    高功率半導體激光器可輸出的另一個波長是1064nm。波長為1064nm的半導體激光器除了取代現有的NdYAG激光器外,目前人們對這個波長并沒有太大的商業興趣。由于與固體激光器相比,高功率半導體管激光器所提供的光束質量通常較差,并且不能產生超脈沖,因此,1064nm半導體激光器只能用于取代一些低亮度應用中的NdYAG激光器。

    目前,高功率半導體激光器的輸出波長已經超過了1064nm。對于1210nm波長,其可用于激光輔助吸脂,這種技術就是所謂的破壞脂肪細胞,并且同時收緊皮膚。此外,13201380nm(基于InP晶圓)波段的半導體激光器已經可以用于醫療領域,這個波段正是NdYAG激光器的輸出波長范圍。激光對人體組織的作用基于水對光的吸收。有了現在的成熟的1470nm基于InP晶圓)的高功率半導體激光器,使得半導體激光器與NdYAG激光器在這類應用中擁有了可比性。光被人體組織中的水吸收,并使水變熱,直到細胞爆裂。這種方法可以用于前列腺治療中的組織移除。在治療過程中通過沖洗冷水,不但能為患者減少痛苦,還能帶走細胞碎片。[2]

    1470nm是半導體激光器的一個常見波長,其最初主要用于光通信領域,主要是為了實現光纖對光波的最小化吸收,以致于數據能被傳輸更遠的距離。除此之外,1470nm高功率半導體激光器還開辟出了一些新應用,例如,在醫療設備制造中用于白色聚合物[3]的塑料焊接;在國防應用中,用于飛機前方的湍流探測;或者用于泵浦摻鉺晶體,實現2μm范圍的激光波長。

    基于磷化銦(InP)的半導體激光器實現了更長的波長,主要有1550nm1650nm,國防應用對該段波長非常感興趣。這些波長有時被錯誤地描述為“人眼安全”波長,因為這些波長已經被眼淚液體吸收。但是需要指出的一點是,任何高功率半導體激光器,都會由于上述水吸收而損害人體組織。

    這些波長可用于照明用途或紅外線干擾措施(IRCM),在這種應用中,一個來襲導彈的紅外目標采集系統,會被一個活躍的高強度信號誤導,這將起到保護目標的作用。另一個更加有趣的應用是距離選通激光成像,在這種應用中,激光脈沖(如1550nm波長)與一個門控攝像系統一起使用,該應用對1550nm波長非常敏感。隨后,來自不同距離的反向散射光所創建的圖像被收集。在這里,通過只拍攝反向散射渡越時間與障礙后面的場景相關的圖片,光的渡越時間信息以及攝影抽樣可以“穿過”煙霧或偽裝網。

    去年,m2k-Laser公司已宣布開發出了高功率半導體激光器的一系列新波長。m2k-Laser公司是一家從德國夫瑯和費應用固體物理研究所剝離出來的公司,但其目前已經屬于Rofin Sinar公司。m2k-Laser用銻化鎵(GaSb晶圓產生邊緣發射的固體激光器結構,輸出波長范圍18002300nm。

    半導體激光器的輸出波長已經能夠滿足各種各樣的應用需求,從醫療設備制造中利用聚合物鏈固有的電子振動吸收實現透明塑膠焊接,到依賴人體組織中水的更大量的吸收(吸收程度要比980nm高出3個數量級)的外科手術中的直接醫療應用。[4]這個波長也可用于IRCM或范圍選通激光成像等國防應用領域。

     

    1940nm的波長可直接用于照明,取代基于Tm3+的固體激光器。另外,用1908nm泵浦Ho3+的固態激光晶體將輸出大于2100nm的波長,這在國防應用中引起了高度興趣。

     

    小結

    高功率半導體激光器所實現的新的輸出波長,開辟出了新的應用天地(見表3)。針對這些波長的進一步的研究調查、改善和優化,將有望實現更高的輸出功率或實現更長的使用壽命。

    3:高功率半導體激光器的波長及應用總結

     

    λ [nm]

    醫療

    固體激光器泵浦

    印刷

    材料加工

    國防

    儀器儀表

    航空

    半導體光刻

    405

     

    ü

    ü

    ü

     

     

     

    ü

    630 – 635, 652, 668

    ü

     

     

     

     

     

     

     

    670

    ü

    ü

     

     

     

    ü

     

     

    689, 730

    ü

     

     

     

     

     

     

     

    780, Δλ<1

     

     

     

     

    ü

     

     

     

    785, 792, 797

     

    ü

     

     

     

     

     

     

    795, Δλ<1

    ü

    ü

     

     

     

    ü

     

     

    805 / 808

    ü

    ü

     

     

     

     

     

     

    810± 10

    ü

     

     

    ü

     

     

     

     

    830

     

     

    ü

     

     

     

     

     

    852 Δλ<1, 868-888

     

    ü

     

     

    ü

     

     

     

    901

     

    ü

     

     

     

     

     

     

    905

     

     

     

     

    ü

    ü

     

     

    915

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    ü

     

     

     

     

     

     

    940

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    ü

     

     

     

     

    968, 973 – 976

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    ü

     

     

     

     

     

     

    980 ± 10

    ü

     

     

    ü

     

     

     

     

    1064

    ü

     

     

     

     

     

     

     

    1210

    ü

     

     

     

     

     

     

     

    1330 – 1380

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    1450 – 1470

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    ü

     

     

    ü

     

    ü

     

    1530, 1650, 1700

    ü

    ü

     

     

    ü

     

    ü

     

    1850-2200

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    ü

     

    ü

    ü

     

    ü

     

     參考文獻

    [1] Bernd Köhler et al.: “Wavelength stabilized high-power diode laser modules”; Proc. of SPIE Vol. 7198 (2009)

    [2] biolitec AG: www.biolitec.com

    [3] Treffert GmbH & Co. KG: www.treffert.org

    [4] George M. Hale and Marvin R. Querry:„Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-μm Wavelength Region,“Appl. Opt. 12 (1973) 555


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