與其他類型的連續(xù)激光器相比，光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 技術(shù)有許多優(yōu)勢，包括波長的靈活性。 特別是OPSL打破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，可以通過設(shè)計與應(yīng)用的波長要求相匹配。

不折不扣的波長靈活性

光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項獨有的技術(shù)，它結(jié)合了激光二極管、DPSS(半導(dǎo)體泵浦固態(tài))和離子激光器的優(yōu)異屬性，同時消除了它們的一些限制。 例如，許多離子氣體激光器和第一代半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器都能夠產(chǎn)生許多應(yīng)用所需的高質(zhì)量 TEM00 模式的輸出光束，這些應(yīng)用包括共聚焦顯微分析、流式細胞儀和全息攝影術(shù)。 遺憾的是，它們的輸出波長限制在由增益材料決定的少數(shù)發(fā)射線上，例如，離子激光器為 488 nm，而 DPSS 激光器為 1064 nm(及其諧波)。 因此在過去，主要應(yīng)用都要適應(yīng)這些固定波長，有時甚至無法得到充分優(yōu)化，最明顯的是生命科學(xué)應(yīng)用中的 488 nm 波長。 另一方面，基于二元和三元半導(dǎo)體的二極管激光器可以制造出來，在不斷擴大的可見光和近紅外波長范圍內(nèi)工作。 然而，這些設(shè)備通常是所謂的邊緣發(fā)射器，光是從一個不對稱的小(微米級)輸出面發(fā)射出來的。 因此，輸出光高度發(fā)散、不對稱、不受衍射限制而且往往會發(fā)生散光。 因此，對于任何需要常規(guī)光束屬性的應(yīng)用，都需要適應(yīng)多種光學(xué)器件來重塑光束并對其進行空間過濾。 此外，小輸出面高強度意味著功率擴展受到限制，通常需要多個發(fā)射器排列成條狀或陣列。 這不利于需要高度準直或聚焦光束的應(yīng)用。

OPSL 是一種獨特的激光器架構(gòu)，兼具激光二極管的波長靈活性和傳統(tǒng)激光器的卓越光束特性。 此外，它還具有其他重要優(yōu)勢，如功率的可擴展性。

OPSL 架構(gòu)

OPSL 是一種垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)。 在常規(guī) VCSEL 中，光是垂直于結(jié)點從二極管芯片的表面發(fā)射出來的，而不是從邊緣發(fā)出的。 較大的輸出孔徑形成了發(fā)散較低的光束，而且光束也可以是對稱的。 遺憾的是，電泵浦 VCSEL 不能產(chǎn)生邊緣發(fā)射器的高功率，因為沒有辦法在不使用擴展電極的情況下用電荷載流子淹沒一個大的區(qū)域，這樣會帶來太多的光損耗。 然而，通過用二極管激光器對設(shè)備進行光學(xué)泵浦以產(chǎn)生電荷載體，可以避免這個問題 — 這是Coherent的專利方法。 這就是 OPSL 的基礎(chǔ)。

圖 1：OPSL 中主要功能部件的示意圖。

圖 1 是一個簡化的示意圖，顯示了 OPSL 的主要元件。 來自直接耦合單個發(fā)射器或光纖耦合激光二極管陣列的泵浦光被重新成像到 OPSL 芯片的前表面。 這種單片 III-V 族半導(dǎo)體芯片包含多層三元量子阱 (InGaAs)，與二元 (GaAs) 層交替排列。 這些二元層經(jīng)過優(yōu)化，可以高效地吸收泵浦輻射，從而產(chǎn)生大量電荷載體。 這會在量子阱中引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和重組，從而導(dǎo)致受激激光發(fā)射。 在這些吸收/發(fā)射層的后面是幾個交替排列的高折射率層和低折射率層，它們充當(dāng)?shù)蛽p耗 DBR(分布式布拉格反射器)鏡，專為所需的 OPSL 輸出波長進行了優(yōu)化。 半導(dǎo)體芯片安裝在一個散熱器上，以便對其整個后表面進行高效冷卻。

OPSL 波長控制

與其他基于半導(dǎo)體的激光器一樣，OPSL 的發(fā)射波長由量子阱結(jié)構(gòu)的化學(xué)計量和物理尺寸決定。 因此，通過改變這些量子阱的組成和尺寸，OPSL 芯片可以根據(jù)應(yīng)用的需要，定制不同的特定輸出波長 — 見圖 2。

圖 2：Coherent提供眾多標(biāo)準波長的 OPSL，并為 OEM 生產(chǎn)定制波長的 OPSL。

大多數(shù)Coherent的 OPSL 都在腔內(nèi)加入了一個雙折射濾光器。 這解決了大多數(shù)二極管激光器的兩個典型特性，包括 OPS 芯片。 首先，與基于原子發(fā)射的激光器(如氬離子激光器)相比，這種增益芯片可以在更大的波長范圍內(nèi)發(fā)射光。 此外，不同芯片的中心波長略有不同，也正是因為這個原因，激光二極管制造商在客戶選擇窄波長窗口的激光二極管時要收取一定的費用。 雙折射濾光器是一種窄帶腔內(nèi)濾光器，其傳輸波長在工廠通過圍繞其法軸旋轉(zhuǎn)進行設(shè)置。 這個濾光器用于將發(fā)射限制在一個窄帶內(nèi) — 在某些型號中是單一的縱向模式 — 同時還能將輸出精確設(shè)置為目標(biāo)波長。

Coherent的 OPSL 基于 InGaAs 增益芯片。 這是因為它們是超可靠、壽命超長、功率特性超高的二極管。 這種類型的量子阱器件可以設(shè)計成在極大的近紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生激光發(fā)射。 然后通過使用腔內(nèi)倍頻晶體將其有效地轉(zhuǎn)換為可見光輸出。 而對于需要紫外線輸出的應(yīng)用，一些 OPSL 還配備了一對腔內(nèi)晶體，以實現(xiàn)三倍頻。

波長靈活性的價值

在 OPSL 技術(shù)出現(xiàn)之前，如果應(yīng)用中需要毫瓦級到瓦級連續(xù) (CW) 輸出的可見光或紫外光激光，就不得不使用一個現(xiàn)有的固定波長。 起初，固定波長是離子氣體激光器的發(fā)射譜線，如氬離子激光器的 488 nm 和 514 nm 譜線。 然后 1064 nm 的 DPSS 激光器(腔內(nèi)倍增至 532 nm)開始廣泛使用。 可見光譜中存在很大的空白，沒有簡單的激光器可用，特別是在光譜的黃色和橙色部分。 盡管對這些光譜區(qū)域的激光器的需求日益增長，在生命科學(xué)領(lǐng)域尤其明顯，但是能夠提供的解決方案只有使用基于低效弱發(fā)射譜線復(fù)雜混合方案的氪離子激光器、染料激光器或固體激光器。 因此，需要這些波長的應(yīng)用往往要做出妥協(xié)，以匹配其中一個可用的激光波長。 OPSL 引起了范式變化。 今天，每一個現(xiàn)有或新興應(yīng)用都得到了專門設(shè)計的 OPSL，其波長可以優(yōu)化該應(yīng)用。 兩個截然不同的應(yīng)用說明了這種能力的優(yōu)勢。

用于治療 AMD 的光凝術(shù)

濕式年齡相關(guān)性黃斑變性 (AMD) 是導(dǎo)致視力喪失和失明的主要原因。 這種情況的特點是黃斑區(qū)血管滲漏。 這是視網(wǎng)膜上的一個小區(qū)域(直徑 < 6 mm)，位于視野的中心，負責(zé)高分辨率的彩色視覺。 根據(jù)滲漏血管的位置，激光光凝術(shù)通常是一種推薦的治療方法。 在這里，激光產(chǎn)生可控的局部燒灼，破壞微小的元兇血管，防止進一步出血。

成功實施光凝術(shù)的一個關(guān)鍵是組織選擇性;也就是說，在不以任何方式損害周圍組織的情況下封閉目標(biāo)血管。 泄漏的血管和其他組織之間的主要區(qū)別是存在血液。 因此，通過使用優(yōu)先被血液吸收的激光波長，可以最好地實現(xiàn)選擇性。 此波長還需要是一個可見波長，這樣激光就可以無害通過眼球的透明前端。 血液中具有可見光吸收能力的主要成分是氧合血紅蛋白。多年來，最常用的激光波長是 532 nm(來自半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器)，接近氧合血紅蛋白的弱吸收峰。

圖 3：577 nm OPSL 已成為治療特定類型濕式 AMD 的首選光凝術(shù)激光器，因為它與氧血紅蛋白的最大吸收量完全匹配。

然而，氧合血紅蛋白的實際吸收峰值是 577 nm(見圖 3)。 Coherent為這一應(yīng)用設(shè)計了一種全新的 OPSL 激光器 (Genesis MX577)，它在這一特定波長下可提供 3 瓦的功率輸出。 與 532 nm 波長的上一代產(chǎn)品相比，該激光器能夠更好地封閉血管，同時減少了眼球的熱負荷。 除了這一重要益處外，OPSL 的快速脈沖(可達 100 kHz)能力使其能夠使用“微脈沖”來提供高度劑量控制，以最大限度地提高傷口愈合反應(yīng)，并最大限度降低局部組織創(chuàng)傷。 由于這些原因，577 nm OPSL 已經(jīng)取代了 532 nm DPSS，成為這一應(yīng)用中的首選激光器。

具有卓越色彩的燈光表演

燈光表演代表了一個截然不同的應(yīng)用領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域，OPSL 憑借其波長靈活性，成為了首選激光器。 激光燈光表演引擎所能產(chǎn)生的顏色范圍(色域)取決于所使用的特定激光波長。 傳統(tǒng)上，大多數(shù)彩色投影儀使用三種激光：紅色、綠色和藍色 (RGB)，其中藍色是傳統(tǒng)氬離子激光的 488 nm 波長。 然而，人眼對色差非常敏感，因此激光燈光表演面臨的一大挑戰(zhàn)就是如何產(chǎn)生真正的白色，技術(shù)上稱為 D65。

Coherent使用 OPSL 技術(shù)，在傳統(tǒng)的 RGB 波長上提供瓦級功率以及兩個重要的非傳統(tǒng)波長用于燈光表演，這兩個波長就是 最初用于光凝術(shù)的 577 nm 波長以及 460 nm 波長。 如圖 4 所示，后者確保了更大的色域，更重要的是，只需混合兩種激光(577 nm 和 460 nm)，就可以產(chǎn)生白色。 下面這個具體的例子進一步說明了這些新波長對于燈光表演設(shè)計師的價值。

圖 4：通過添加輸出波長為 460 nm 和 577 nm 的激光器，大大擴展了傳統(tǒng) RGB 燈光表演引擎的色域，也簡化了“白色”輸出的制作。

2011 年，BMW 想要推出他們的全新 i 系列節(jié)油汽車 – 對于一個一直重視性能和操控的品牌來說，這是一個重大市場發(fā)展。 他們選擇了法蘭克福國際車展 (IAA) 發(fā)布這個系列。 發(fā)布會由 BlueScope 廣告公司構(gòu)思，由 Rockservice 公司管理，由位于德國阿倫的先進激光表演公司 LOBO 提供服務(wù)。 此次發(fā)布會廣受關(guān)注，其總體概念是通過藍色的激光隧道來揭開每一輛車的面紗(見圖 5)。此外，發(fā)布會還包括其他激光效果。 這些激光元素都必須與 BMW 公司的藍色完全一致，就像發(fā)布會的其他視覺組件(如 LED 屏幕)所使用的顏色一樣。 但是，人們對顏色的感知會因地點、背景燈光和其他因素而變化。 因此，LOBO 需要能夠在現(xiàn)場對其投影儀的藍色輸出順暢地進行細微改變。 如果使用標(biāo)準的 RGB 投影機，要實現(xiàn)完美的顏色匹配是非常困難的。 于是，LOBO 為他們的 RGB 投影機配置了兩個藍色的 OPSL(Coherent Taipan)，波長分別為 488 nm 和 460 nm。 這樣他們就能夠簡單地“調(diào)整”藍色輸出，以便在最終的照明條件下與展廳環(huán)境中其他 BMW 顯示部分的感知顏色相匹配。

OPSL 為需要毫瓦級到瓦級連續(xù)激光的應(yīng)用提供了無與倫比的優(yōu)勢組合。 其中最重要的一點是波長的靈活性，它首次實現(xiàn)了激光波長與精確應(yīng)用需求的匹配，而無需應(yīng)用再去適應(yīng)波長。

審核編輯 黃宇