《蓝光激光器的应用与发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蓝光激光器的应用与发展（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 蓝光激光器的应用与发展黄必昌 一、前言全固态蓝光激光器因其在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光打印、激光水下成像与通讯等领域的广泛应用，近年来备受人们重视。用 LD 泵浦 YAG 晶体通过腔内倍频可以实现大功率蓝光激光输出，从而实现红（671nm）、绿（532 nm）、蓝（473 nm）三元色激光的连续输出。目前有关蓝光激光器的研究成为国内外研究小组竞相开展的研究热点，在很短的时间里世界各地都掀起了固态草蓝色激光光源的研究热潮。全固态蓝光激光作为一种新的相干光源，具有体积小、结构紧凑、寿命长、效率高、运转可靠等一系列优点，能够应用在许多其他激光器无法应用的场合。
2、全固态蓝光激光器主要应用在蓝光激发、高密度光存储、彩色激光显示、拉曼光谱、荧光光谱分析、生物工程、DNA 排序、海洋水色和海洋资源探测等很多方面。在固体激光器中欲获得蓝色激光输出，主要有以下三种方法：（1）利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器；（2）利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频；（3）利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。对于可见波段的半导体激光二极管(LD)，蓝光 LD 的研制需要昂贵的设备和衬底材料，同时 LD 的光束质量不尽人意，在许多应用领域受到了限制。由 LD 泵浦的倍频固体激光器，需要非线性晶体材料进行频率转换，虽然光束质量很好，输出功
3、率也很高，但系统较复杂。近年来，人们利用发光学中的频率上转换机制，大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料，所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。另外，与稀土掺杂的玻璃和晶体相比，光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。近两年来，国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃，并且其商业化进程也相当迅速。下面结合激光显示和蓝光光盘等主要应用，首先简单说明其工作原理然后介绍全固态蓝光激光器的多种技术和最新发展。重点讲述了蓝光半导体激光以及半导体激光直接倍频蓝光激光器技术的进展，最后就蓝光激光器的应用进行小节。二、工作原理 蓝光光纤激光
4、器是利用稀土离子上转换的发光机理，即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时，发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝光上转换光纤的输出波长一般在 450490nm 之间，目前能获得蓝光输出稀土离子主要有 Tm,Pr两种，但大多数情况下，为了提高泵浦吸收效率和上转换发33光效率，往往采用将 Tm或者 Pr离子与 Yb离子共掺的方式，通过 Yb333离子的敏化作用，利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应，3Tm/Yb共掺和 Pr/Yb共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道的最3333多。三、蓝光激光器的发展和应用1、
5、激光显示与蓝色激光激光显示采用红、绿、蓝三基色全固态激光器作为光源，由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大，因而激光显示的图像有着比现有彩色电视更大的色域、更高的对比度和亮度，颜色更鲜艳，能反映自然界的真实色彩，在家庭影院和大屏幕显示领域具有巨大的应用前景。2002年韩国三星公司就已经推出了 80 英寸 VGA 分辨率的高亮度激光电视的样机，可以获得很好的显示效果。作为激光全色显示的关键技术，红、绿、蓝三基色全固态激光器也已成为当前国际上研究的热点。其中，三基色光源中的蓝色激光是目前激光显示研究中的瓶颈。实现全固态蓝色激光光源的途径主要有三种：(1)直接发射蓝光
6、的激光二极管；(2)LD 倍频的蓝色光源；(3)LD 泵浦通过非线性光学手段获得的蓝色激光器。直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点。能够直接发射蓝色激光的 LD 一直受到人们的关注。但由于半导体材料本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实用化之间还有一段距离。通过 LD 泵浦非线性光学频率转换如倍频、和频等方法来得到高转换效率的蓝色激光输出。此外直接倍频 LD 获得蓝色激光，能够实现高的光-光转换效率；要求改善 LD 光束质量、压缩其发射线宽，并且将 LD 输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上，是这项技术的关键所在。以上这些技术都有
7、自身的缺点，离激光显示的真正应用尚有一定差距。目前激光显示研究过程中，所采用的蓝色激光主要采用的方法是采用基于美国专利（US PATENT NO.4809291）制造的 473nm 蓝色激光，即利用 LD 泵浦 Nd:YAG的准三能级 4F3/2-4I9/2 的 946nm 倍频，并抑制 1064nm 的跃迁。但是这种方法效率比较低且实施难度较大。最近我们拟采用的窄带宽 LD 直接倍频 PPLN 的技术来获得蓝色激光，既可以实现高的光光转换效率，而且技术方案简单，是一个有潜力的选择。2、蓝光激光二极管1999 年 Nichia 公司生产出第一台蓝光半导体激光器，标志着下一代光存储的应用已经为期
8、不远了。2002 年出台了命名为“蓝光光盘”（Blue-ray Disc）的计划。具体讲，蓝光 LD 可以在一张 12cm 的光盘上实现 27GB 的存储量，它是现有技术的六倍，可以实现所有数字信息的存储（包括音频、视频、电视、照片等应用），大大方便了数字产品走进家庭和人们的办公室。例如，利用蓝光光盘可以记录两小时的高标准的数字视频或者 13 小时的标准电视。此外双面存储以及扩大光盘尺寸可以最终获得 50-100GB 的存储容量。关于蓝光 LD 最先的研究主要集中在族材料，尤其是 ZnSe。这种材料禁带宽度约 2.7eV,发射波长相应于深蓝色 480nm，且其栅格间距非常接近于常用的 GaAs
9、，看起来非常适合于蓝光 LD。1990 年，利用 ZnSe/ZnCdSe 应变量子阱技术首先获得了蓝色激光输出。1996 年日本索尼公司采用ZnCdSe/ZnSSe/ZnMgSSe 单量子阱激活层分别限制双异质结构实现了在 20下、输出 1mW 并且可连续工作 100 小时的蓝绿(515nm)LD。然而生长过程中pn 结内形成的缺陷在高阈值电流、高结温环境下会迅速扩散，使得其寿命的进一步提高十分困难，距离商品化 10000 小时的目标还有很长一段距离。在此同时，日本 Nichia 化学工业公司的 Shuji Nakamura 4另辟蹊径，致力于V 族 GaN 材料的研究（图 1）。他在充氮环境
10、下，借助双束气流反应技术，在 15%失配的石英基底上，采用 MOCVD 方法生长出了 InGaN 多量子阱结构的408.6nm 蓝光 LD。97 年初的时候其室温寿命为 35 小时，同年秋季通过侧向外延生长技术将室温寿命提高到了 1000 小时。目前该公司已经有几款输出功率达到30mW，线宽小于 1nm，输出波长为 400-415nm 的商品化器件。还有其他一些波长的工程样机推出。然而，考虑到半导体材料本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展仍相对缓慢，离实用化还有一段距离。目前 GaN 已经成为制造短波长半导体激光的主要材料，掺杂不同浓度的铟可以获得不同波长的输出。而基于 GaN 材料制
11、造的蓝色 LED 其性能已经大幅提高，并获得了广泛应用，其中最重要的应用是在显示技术和白光照明。3、LD 直接倍频蓝光激光器这种通过二次谐波(SHG)将 LD 的红外输出直接倍频而得到蓝色激光的方案，能够实现高的光-光转换效率。它要求 LD 不仅能够输出较高的激光功率，而且还必须实现单管、单频运转。因此，采用电学边带压缩或光学反馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善 LD 光束质量、压缩其发射线宽，并且将 LD 输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术的关键问题。1989 年，LGoldkey 和 MKChun 用 KN 晶体倍频 842nm 的 LD 输出得到 24mW 的连
12、续蓝色激光，WJKozlovsky 和 WLenth 用电学反馈技术钳制 858nmLD 的输出，在 140mW 入射功率下得到 41mW 的 428nm 连续输出。1994 年德国人AHemmerich 将单块 KN 同时用于环行倍频和 LD 光学频率自锁，在90mW、856nm 的入射功率下，获得了 22mW、428nm 的蓝色激光输出。JATrail 采用实时闭环反馈，有效地控制了光束质量、抑制了噪声，改善了激光器工作稳定性，得到了 40mW、430nm 激光输出。相干公司正利用此项成果开发用于光存储的商品。由于波导中传播的激光功率密度高、与泵浦光耦合充分、阈值低、转换效率高、位相匹配范
13、围宽，而曾使蓝光波导激光器受到重视。1994 年，GGupta 运用1mm 长的畴反转 LiTO3 波导对 840nm 的 LD 倍频而得到 26W 的功率输出、290%/W*cm2 的转换效率和 0.3nm 的位相匹配宽度。我国南京大学的陆亚林等人用三阶准位相匹配的 LiNbO3 倍频 810nmGaAsAl 激光，在入射功率为 250mW时，获得了 0.3mW 的 405nm 输出，光学转换效率达 0.14%。最令人瞩目的是离子 KN 波导和薄膜 KTP 波导。日本的 Tohru Doumuki 等人用带线加载(strip load)结构的 SiO2/Ta2O5/KTP 薄膜波导对钛宝石激
14、光进行倍频，在波导长度为 4.1mm时得到了 13mW 的近 TEM10 模 413nm 输出，转换效率接近 1000%/W*cm2。薄膜波导激光器的优点是效率高，缺点是波导制作复杂，对泵浦光束质量要求高，因而获得的倍频激光光束较差。近期我们设计的方案是，采用窄线宽 LD 直接倍频 PPLN 来获得蓝色激光的方案。LD 的输出波长为 975nm，线宽约 0.1nm，输出功率 200mW。由于 PPLN 的高倍频转换效率，可以获得 20-30mW 的 488nm 激光输出。目前此方案仍在进行当中，相信不久就可以获得实际应用。4、LD 泵浦非线性转换蓝光激光器利用了 LD 发射谱线能够很好地与 N
15、d、Cr等激活离子的吸收带相匹配，33并通过倍频、和频等方法来得到高转换效率的蓝色激光输出。(1)用和频方法获得蓝色激光器一种方法是运用 GaAlAs 激光二极管输出的 809nm 激光，与 Nd3+离子1.06m 的激光通过和频来得到 459nm 的蓝光输出。1987 年，JCBaumert 及其同事首次在类位相匹配的 KTP 晶体中运用和频方法得到了 0.96mW 的蓝光输出。1989 年，WPRisk 和 WLenth 利用同样的晶体，在常温下实现了此和频过程的非临界相位匹配，也获得了蓝色激光输出。1992 年，WPRisk 和WJKozlovsky 利用外腔谐振加强的办法，在 KTP
16、单块驻波腔内获得 4mW 的基横模 462nm 输出。PNKean 和 RWStanley 在 1993 年采用折叠腔结构，利用 100mW 的单管 LD 得到了 20mW 的 459nm 蓝色激光输出，单管 LD蓝光的转换效率高达 68%，在改变和频晶体的匹配角度时，实现 12nm 的调谐宽度，但是这种技术对起注入作用的 LD 要求较高。最近，德国的 Kaiserslautern 大学和当地的一家公司研发了一种采用锁模的半导体泵浦 Nd:YVO4 激光放大器来泵浦 KTA-OPO，用上述方法产生的 1064nm和 1535nm 激光，经倍频和和频过程同时获得 629nm、532nm、446nm 的三基色激光，直接用于激光显示的应用。从八十年代末期开始，人们就对利用 808nm 的 LD 泵浦 Nd:YAG 及Nd:YVO4，实现 4F3/24I9/2 准三能级的 946nm 或 912nm 激光振荡，并运用KN 或 LBO 等非线性晶体通过内腔倍频以得到蓝色激光输出的方案进行了研
