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(shì)，包括波長(zhǎng)的靈活性。 特別是OPSL打破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，可以通過(guò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的波長(zhǎng)要求相匹配。

不折不扣的波長(zhǎng)靈活性

光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項(xiàng)獨(dú)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(shí)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(xì)胞儀和全息攝影術(shù)。 遺憾的是，它們的輸出波長(zhǎng)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(guò)去，主要應(yīng)用都要適應(yīng)這些固定波長(zhǎng)，有時(shí)甚至無(wú)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(zhǎng)。 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(lái)，在不斷擴(kuò)大的可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)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(gè)不對(duì)稱的小(微米級(jí))輸出面發(fā)射出來(lái)的。 因此，輸出光高度發(fā)散、不對(duì)稱、不受衍射限制而且往往會(huì)發(fā)生散光。 因此，對(duì)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(lái)重塑光束并對(duì)其進(jìn)行空間過(guò)濾。 此外，小輸出面高強(qiáng)度意味著功率擴(kuò)展受到限制，通常需要多個(gè)發(fā)射器排列成條狀或陣列。 這不利于需要高度準(zhǔn)直或聚焦光束的應(yīng)用。

OPSL 是一種獨(dú)特的激光器架構(gòu)，兼具激光二極管的波長(zhǎng)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(shì)，如功率的可擴(kuò)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(diǎn)從二極管芯片的表面發(fā)射出來(lái)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(duì)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?yàn)闆](méi)有辦法在不使用擴(kuò)展電極的情況下用電荷載流子淹沒(méi)一個(gè)大的區(qū)域，這樣會(huì)帶來(lái)太多的光損耗。 然而，通過(guò)用二極管激光器對(duì)設(shè)備進(jìn)行光學(xué)泵浦以產(chǎn)生電荷載體，可以避免這個(gè)問(wèn)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(gè)簡(jiǎn)化的示意圖，顯示了 OPSL 的主要元件。 來(lái)自直接耦合單個(gè)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(guò)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(huì)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(gè)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(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化。 半導(dǎo)體芯片安裝在一個(gè)散熱器上，以便對(duì)其整個(gè)后表面進(jìn)行高效冷卻。

OPSL 波長(zhǎng)控制

與其他基于半導(dǎo)體的激光器一樣，OPSL 的發(fā)射波長(zhǎng)由量子阱結(jié)構(gòu)的化學(xué)計(jì)量和物理尺寸決定。 因此，通過(guò)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(zhǎng) — 見(jiàn)圖 2。

圖 2：Coherent提供眾多標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的 OPSL，并為 OEM 生產(chǎn)定制波長(zhǎng)的 OPSL。

大多數(shù)Coherent的 OPSL 都在腔內(nèi)加入了一個(gè)雙折射濾光器。 這解決了大多數(shù)二極管激光器的兩個(gè)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(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射光。 此外，不同芯片的中心波長(zhǎng)略有不同，也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，激光二極管制造商在客戶選擇窄波長(zhǎng)窗口的激光二極管時(shí)要收取一定的費(fèi)用。 雙折射濾光器是一種窄帶腔內(nèi)濾光器，其傳輸波長(zhǎng)在工廠通過(guò)圍繞其法軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)置。 這個(gè)濾光器用于將發(fā)射限制在一個(gè)窄帶內(nèi) — 在某些型號(hào)中是單一的縱向模式 — 同時(shí)還能將輸出精確設(shè)置為目標(biāo)波長(zhǎng)。

Coherent的 OPSL 基于 InGaAs 增益芯片。 這是因?yàn)樗鼈兪浅煽?、壽命超長(zhǎng)、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(jì)成在極大的近紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生激光發(fā)射。 然后通過(guò)使用腔內(nèi)倍頻晶體將其有效地轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光輸出。 而對(duì)于需要紫外線輸出的應(yīng)用，一些 OPSL 還配備了一對(duì)腔內(nèi)晶體，以實(shí)現(xiàn)三倍頻。

波長(zhǎng)靈活性的價(jià)值

在 OPSL 技術(shù)出現(xiàn)之前，如果應(yīng)用中需要毫瓦級(jí)到瓦級(jí)連續(xù) (CW) 輸出的可見(jiàn)光或紫外光激光，就不得不使用一個(gè)現(xiàn)有的固定波長(zhǎng)。 起初，固定波長(zhǎng)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(kāi)始廣泛使用。 可見(jiàn)光譜中存在很大的空白，沒(méi)有簡(jiǎn)單的激光器可用，特別是在光譜的黃色和橙色部分。 盡管對(duì)這些光譜區(qū)域的激光器的需求日益增長(zhǎng)，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(zhǎng)的應(yīng)用往往要做出妥協(xié)，以匹配其中一個(gè)可用的激光波長(zhǎng)。 OPSL 引起了范式變化。 今天，每一個(gè)現(xiàn)有或新興應(yīng)用都得到了專門設(shè)計(jì)的 OPSL，其波長(zhǎng)可以優(yōu)化該應(yīng)用。 兩個(gè)截然不同的應(yīng)用說(shuō)明了這種能力的優(yōu)勢(shì)。

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(diǎn)是黃斑區(qū)血管滲漏。 這是視網(wǎng)膜上的一個(gè)小區(qū)域(直徑 < 6 mm)，位于視野的中心，負(fù)責(zé)高分辨率的彩色視覺(jué)。 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(jìn)一步出血。

成功實(shí)施光凝術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵是組織選擇性;也就是說(shuō)，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(guò)使用優(yōu)先被血液吸收的激光波長(zhǎng)，可以最好地實(shí)現(xiàn)選擇性。 此波長(zhǎng)還需要是一個(gè)可見(jiàn)波長(zhǎng)，這樣激光就可以無(wú)害通過(guò)眼球的透明前端。 血液中具有可見(jiàn)光吸收能力的主要成分是氧合血紅蛋白。多年來(lái)，最常用的激光波長(zhǎng)是 532 nm(來(lái)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?yàn)樗c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(shí)際吸收峰值是 577 nm(見(jiàn)圖 3)。 Coherent為這一應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種全新的 OPSL 激光器 (Genesis MX577)，它在這一特定波長(zhǎng)下可提供 3 瓦的功率輸出。 與 532 nm 波長(zhǎng)的上一代產(chǎn)品相比，該激光器能夠更好地封閉血管，同時(shí)減少了眼球的熱負(fù)荷。 除了這一重要益處外，OPSL 的快速脈沖(可達(dá) 100 kHz)能力使其能夠使用“微脈沖”來(lái)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(gè)截然不同的應(yīng)用領(lǐng)域，在這個(gè)領(lǐng)域，OPSL 憑借其波長(zhǎng)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(zhǎng)。 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(lán)色 (RGB)，其中藍(lán)色是傳統(tǒng)氬離子激光的 488 nm 波長(zhǎng)。 然而，人眼對(duì)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(zhǎng)上提供瓦級(jí)功率以及兩個(gè)重要的非傳統(tǒng)波長(zhǎng)用于燈光表演，這兩個(gè)波長(zhǎng)就是 最初用于光凝術(shù)的 577 nm 波長(zhǎng)以及 460 nm 波長(zhǎng)。 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(gè)具體的例子進(jìn)一步說(shuō)明了這些新波長(zhǎng)對(duì)于燈光表演設(shè)計(jì)師的價(jià)值。

圖 4：通過(guò)添加輸出波長(zhǎng)為 460 nm 和 577 nm 的激光器，大大擴(kuò)展了傳統(tǒng) RGB 燈光表演引擎的色域，也簡(jiǎn)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(duì)于一個(gè)一直重視性能和操控的品牌來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重大市場(chǎng)發(fā)展。 他們選擇了法蘭克福國(guó)際車展 (IAA) 發(fā)布這個(gè)系列。 發(fā)布會(huì)由 BlueScope 廣告公司構(gòu)思，由 Rockservice 公司管理，由位于德國(guó)阿倫的先進(jìn)激光表演公司 LOBO 提供服務(wù)。 此次發(fā)布會(huì)廣受關(guān)注，其總體概念是通過(guò)藍(lán)色的激光隧道來(lái)揭開(kāi)每一輛車的面紗(見(jiàn)圖 5)。此外，發(fā)布會(huì)還包括其他激光效果。 這些激光元素都必須與 BMW 公司的藍(lán)色完全一致，就像發(fā)布會(huì)的其他視覺(jué)組件(如 LED 屏幕)所使用的顏色一樣。 但是，人們對(duì)顏色的感知會(huì)因地點(diǎn)、背景燈光和其他因素而變化。 因此，LOBO 需要能夠在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其投影儀的藍(lán)色輸出順暢地進(jìn)行細(xì)微改變。 如果使用標(biāo)準(zhǔn)的 RGB 投影機(jī)，要實(shí)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(jī)配置了兩個(gè)藍(lán)色的 OPSL(Coherent Taipan)，波長(zhǎng)分別為 488 nm 和 460 nm。 這樣他們就能夠簡(jiǎn)單地“調(diào)整”藍(lán)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(jí)到瓦級(jí)連續(xù)激光的應(yīng)用提供了無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)組合。 其中最重要的一點(diǎn)是波長(zhǎng)的靈活性，它首次實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)與精確應(yīng)用需求的匹配，而無(wú)需應(yīng)用再去適應(yīng)波長(zhǎng)。

審核編輯 黃宇