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

半導(dǎo)體激光器的輸出波長日趨豐富，在設(shè)計(jì)各種波長的高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器時(shí)，必須要有一些重要的設(shè)計(jì)考量。隨著輸出波長的不斷拓展，半導(dǎo)體激光器將在更多新的應(yīng)用領(lǐng)域中大顯身手。

高亮度半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷發(fā)展使其應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)越來越多的應(yīng)用都要求半導(dǎo)體激光器簡單易用，這使光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊廣受青睞。為了更好地滿足應(yīng)用需求，在設(shè)計(jì)高亮度半導(dǎo)體激光器模塊時(shí)，必須要考慮一些重要的設(shè)計(jì)規(guī)則，特別是當(dāng)這些模塊的輸出波長為非標(biāo)準(zhǔn)波長時(shí)。這些設(shè)計(jì)考量主要涉及以下幾方面：

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

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

l 對于輸出非標(biāo)準(zhǔn)波長的半導(dǎo)體激光器巴條，其快軸方向的發(fā)散角可達(dá)到90°，因此需要使用具有高數(shù)值孔徑和高質(zhì)量的快速軸準(zhǔn)直透鏡（FAC）。

l 必須要考慮光學(xué)元件自身的損耗。特別是當(dāng)波長超過2200nm時(shí)，由于羥基伸縮會導(dǎo)致大量水吸收。目前幾乎微型光學(xué)元件使用的所有材料，都會發(fā)生這種水吸收現(xiàn)象。

表1給出了各種光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊（見圖1）所能實(shí)現(xiàn)的輸出功率。

圖1：分別由1、3、6、12個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條構(gòu)成的光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊。

表1：各種光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊所能實(shí)現(xiàn)的輸出功率。

*：由于微型光學(xué)元件中的水吸收導(dǎo)致了大量功率損耗。

 半導(dǎo)體激光器輸出的新波長及其應(yīng)用

目前，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開發(fā)出了多種新的輸出波長，以滿足更多應(yīng)用需求。其中405～440nm的波長范圍是人們比較感興趣的一個(gè)波段，目前其應(yīng)用主要是低功率應(yīng)用，405nm波長在藍(lán)光光盤中的應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子。如果人們能夠?qū)崿F(xiàn)更大的氮化鎵（GaN）晶圓，例如寬10mm、諧振長度1mm，那么由這個(gè)芯片上的多個(gè)發(fā)射器實(shí)現(xiàn)的功率則可以達(dá)到幾瓦級（～4W）。波長在405～440nm范圍內(nèi)、輸出功率可達(dá)幾瓦的高功率半導(dǎo)體激光器可用于以下領(lǐng)域：

l 絲網(wǎng)印刷中的環(huán)氧樹脂固化

l 印刷與半導(dǎo)體行業(yè)中的光刻

l 摻鐠（Pr）晶體和光纖的光學(xué)泵浦

然而，隨著藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的問世，最近幾年人們似乎對綠光半導(dǎo)體激光器的研發(fā)放慢了腳步。當(dāng)然，最近也出現(xiàn)了一些有關(guān)波長515nm的低功率半導(dǎo)體激光器的報(bào)道。預(yù)計(jì)在今后幾年內(nèi)，高功率綠光半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品將會相繼出現(xiàn)。

 在可見光譜中，另一個(gè)引人關(guān)注的波段是630～690nm。該波段范圍內(nèi)的低功率產(chǎn)品通常用于指示器和DVD應(yīng)用中。基于砷化鎵（GaAs）晶圓上的銦鎵鋁磷（InGaAlP）結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器巴條，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器，其在630nm的輸出功率可達(dá)幾瓦，在680nm的輸出功率最高約達(dá)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(chǎn)生超短脈沖、照明、全息以及顯示等諸多領(lǐng)域。在顯示應(yīng)用中，通常是將綠光和藍(lán)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(jīng)過很短的一段時(shí)間（通常在一小時(shí)之內(nèi)）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(qiáng)度光，光敏劑分子被激活，并且一旦其恢復(fù)到基態(tài)，可以產(chǎn)生具有高度活性的氧自由基，從而能夠破壞周圍的細(xì)胞組織（如腫瘤細(xì)胞）。

 808～976nm這一波段通常被認(rèn)為是高功率半導(dǎo)體激光器的標(biāo)準(zhǔn)輸出波長范圍。人們對這個(gè)波段的開發(fā)研究最久，目前半導(dǎo)體激光器已經(jīng)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(dǎo)體激光器波長

目前，人們還在針對表2中列出的波長進(jìn)行功率方面的發(fā)展與優(yōu)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(shù)情況下是稀土離子）的各種吸收譜線。

除了泵浦固態(tài)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(yīng)用領(lǐng)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(yī)療診斷產(chǎn)生自旋極化稀有氣體。在這種應(yīng)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(xué)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(nèi)核。隨后，自旋極化的氙同位素可以被凍結(jié)，保存自旋極化狀態(tài)。這個(gè)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(dǎo)體激光器中還采用了溫度調(diào)諧功能，氣態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的小線寬，可以利用一個(gè)布拉格光柵（VBG）使半導(dǎo)體激光器的線寬窄化來實(shí)現(xiàn)。

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

 除了泵浦固體激光器外，半導(dǎo)體激光器還能用于泵浦氣體激光器，這也是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)建立功率為50～100kW的激光器時(shí)，首要的選擇就是使用半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器。然而，在提高功率的同時(shí)，熱量問題隨之也成為了激光增益介質(zhì)本身的一個(gè)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(gè)很簡單的好辦法——更換激光增益介質(zhì)。這種方法通過使用氣體激光增益介質(zhì)和高流速泵浦得以實(shí)現(xiàn)，因此半導(dǎo)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(fā)中。在這類應(yīng)用中遇到的困難是：即使借助一種緩沖氣體實(shí)現(xiàn)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(shù)，例如使用VBG或通過分布式反饋（DFB）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部線寬窄化。^[1]

與國防相關(guān)的應(yīng)用對激光器的需求正在增加，通常這種應(yīng)用的針對性非常強(qiáng)，因此對激光的功率等指標(biāo)也都是有特定要求的�；�于這種應(yīng)用的特殊之處，人們可以預(yù)先為這類應(yīng)用開發(fā)相應(yīng)的高功率半導(dǎo)體激光器。

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

目前，高功率半導(dǎo)體激光器的輸出波長已經(jīng)超過了1064nm。對于1210nm波長，其可用于激光輔助吸脂，這種技術(shù)就是所謂的破壞脂肪細(xì)胞，并且同時(shí)收緊皮膚。此外，1320～1380nm（基于InP晶圓）波段的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以用于醫(yī)療領(lǐng)域，這個(gè)波段正是Nd：YAG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(xiàn)在的成熟的1470nm（基于InP晶圓）的高功率半導(dǎo)體激光器，使得半導(dǎo)體激光器與Nd：YAG激光器在這類應(yīng)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(xì)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(xì)胞碎片。^[2]

1470nm是半導(dǎo)體激光器的一個(gè)常見波長，其最初主要用于光通信領(lǐng)域，主要是為了實(shí)現(xiàn)光纖對光波的最小化吸收，以致于數(shù)據(jù)能被傳輸更遠(yuǎn)的距離。除此之外，1470nm的高功率半導(dǎo)體激光器還開辟出了一些新應(yīng)用，例如，在醫(yī)療設(shè)備制造中用于白色聚合物^[3]的塑料焊接；在國防應(yīng)用中，用于飛機(jī)前方的湍流探測；或者用于泵浦摻鉺晶體，實(shí)現(xiàn)2μm范圍的激光波長。

基于磷化銦（InP）的半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了更長的波長，主要有1550nm和1650nm，國防應(yīng)用對該段波長非常感興趣。這些波長有時(shí)被錯(cuò)誤地描述為“人眼安全”波長，因?yàn)檫@些波長已經(jīng)被眼淚液體吸收。但是需要指出的一點(diǎn)是，任何高功率半導(dǎo)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(yīng)用中，一個(gè)來襲導(dǎo)彈的紅外目標(biāo)采集系統(tǒng)，會被一個(gè)活躍的高強(qiáng)度信號誤導(dǎo)，這將起到保護(hù)目標(biāo)的作用。另一個(gè)更加有趣的應(yīng)用是距離選通激光成像，在這種應(yīng)用中，激光脈沖（如1550nm波長）與一個(gè)門控?cái)z像系統(tǒng)一起使用，該應(yīng)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(chuàng)建的圖像被收集。在這里，通過只拍攝反向散射渡越時(shí)間與障礙后面的場景相關(guān)的圖片，光的渡越時(shí)間信息以及攝影抽樣可以“穿過”煙霧或偽裝網(wǎng)。

去年，m2k-Laser公司已宣布開發(fā)出了高功率半導(dǎo)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(fèi)應(yīng)用固體物理研究所剝離出來的公司，但其目前已經(jīng)屬于Rofin Sinar公司。m2k-Laser用銻化鎵（GaSb）晶圓產(chǎn)生邊緣發(fā)射的固體激光器結(jié)構(gòu)，輸出波長范圍1800～2300nm。

半導(dǎo)體激光器的輸出波長已經(jīng)能夠滿足各種各樣的應(yīng)用需求，從醫(yī)療設(shè)備制造中利用聚合物鏈固有的電子振動吸收實(shí)現(xiàn)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(gè)數(shù)量級）的外科手術(shù)中的直接醫(yī)療應(yīng)用。^[4]這個(gè)波長也可用于IRCM或范圍選通激光成像等國防應(yīng)用領(lǐng)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(tài)激光晶體將輸出大于2100nm的波長，這在國防應(yīng)用中引起了高度興趣。

小結(jié)

高功率半導(dǎo)體激光器所實(shí)現(xiàn)的新的輸出波長，開辟出了新的應(yīng)用天地（見表3）。針對這些波長的進(jìn)一步的研究調(diào)查、改善和優(yōu)化，將有望實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率或?qū)崿F(xiàn)更長的使用壽命。

表3：高功率半導(dǎo)體激光器的波長及應(yīng)用總結(jié)

 參考文獻(xiàn)

[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