物质科学之激光篇！

全固体蓝色激光技术<br>　<br><br>1　引　言<br><br>　　八十年代以来，随着金属有机化学汽相沉积(MOCVD)的发展和多量子阱(MQW)技术的出现，半导体激光器件(LD)的工作特性，无论是激光功率、阈值电流，还是运转条件、输出稳定性等都有了显著的改善，这反过来又极大地推动了固体激光技术的发展。基于LD的各种激光器件的日益成熟，标志着全固化激光系统终成现实。目前，LD泵浦的全固体绿激光器已开始走向商品化，在某些场合已经取代了传统的离子激光器。但是，基于LD的蓝色激光器还处于试验阶段，其巨大的潜在应用价值吸引了众多的激光工作者。迄今为止，文献上报道实现全固态蓝色激光光源的途径主要有四种，即直接发射蓝光的LD、LD倍频的蓝色光源、蓝色波导激光器和利用LD泵浦、并通过非线性光学手段获得的蓝色激光器。本文即对这些蓝色激光光源以及应用领域进行了介绍。<br><br>2　直接发射蓝光的半导体激光器<br><br>　　由于结构简单、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。最先的研究集中于Ⅱ－Ⅳ族材料尤其是ZnSe上。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，因而显得非常适合于蓝光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p－n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10?000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另蹊别径，致力于Ⅲ－V族GaN材料的研究。他在充氮环境下，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年初室温寿命为35小时，同年秋季通过侧向外延生长技术将之提高到1000小时。同年，东芝材料与器件研究室在相似的结构下，也获得了室温下417nm的蓝色激光脉冲运转。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相对缓慢，与实用化之间还有较长的一段距离。尽管Nichia公司预计于98年底研制出功率达20～30mW、能够用于可擦写光盘的蓝紫光LD，但是一般认为，蓝色激光二极管的迅速发展及运用将是下一世纪的事情。<br><br>3　用直接倍频LD输出的方法得到的蓝色激光器<br><br>　　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，L．Goldkey和M．K．Chun用KN晶体倍频842nm的LD输出得到24mW的连续蓝色激光，W．J．Kozlovsky和W．Lenth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A．Hemmerich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。J．A．Trail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。其实验装置如图1所示。相干公司正计划将此项成果转化为可用于光存储的商品。<br><br><br> <br>图1　J．A．Trial用来直接倍频近红外LD，实现蓝色激光输出的实验装置 <br><br>4　蓝光波导激光器<br><br>　　这种激光器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、位相匹配范围宽而受到了重视。1994年，G．Gupta运用1mm长的畴反转LiTO3波导对840nm的LD倍频而得到26μW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，实验装置见图2。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，而获得的SHG激光光束较差。<br><br><br> <br>图2　T．Doumuki用于倍频钛宝石激光的带线加载SiO2/Ta2O5/KTP波导结构 <br><br>5　LD泵浦、非线性光学频率转换的蓝色激光器<br><br>　　把LD作为泵浦源，不仅可以将发散角大、光谱结构差的半导体激光转换为谱线窄、基横模的固体激光输出，并且谐振腔内高的往返激光功率，还使得通过非线性光学手段进行频率转换，实现全固体化激光器的波长扩展成为可能。这种方法主要利用了LD发射谱线能够很好地与Nd3+、Cr3+等激活离子的吸收带相匹配这一特性，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。<br><br>5.1　通过和频方法得到的蓝色激光器<br><br>　　这主要是运用GaAlAs LD输出的809nm与Nd3+离子1.06μm的激光和频来得到459nm的蓝光输出。1987年，J．－C．Baumert及其同事首次在Ⅱ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，W．P．Risk和W．Lenth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，W．P．Risk和W．J．Kozlovsky利用外腔谐振加强的办法，在KTP单块驻波腔内获得4mW的基横模462nm输出，这相应于809nm入射功率30mW的55%，1064nm入射功率33mW的45%，作者们还通过调制LD得到了脉宽为5ns的蓝色激光脉冲序列〔12〕。P．N．Kean和R．W．Stanley在1993年采用如图3所示的折叠腔结构，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。<br><br><br> <br>图3　P．N．Kean折叠腔和频459nm蓝色激光器<br> <br><br>5.2　内腔倍频的掺钕(Nd3+)蓝色激光器<br><br>　　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4F3/2→4I9/2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究。1987年，仍是W．P．Risk和W．Lenth在一个未优化的Nd:YAG-LiIO3激光腔外得到了100μW的473nm蓝色激光。1989年，W．P．Risk用KN晶体对LD泵浦的Nd:YAG倍频，在吸收功率为400mW时得到了3.7mW的蓝色激光。斯坦福大学的T．Y．Fan于同年申请了关于通过倍频掺Nd3+介质而获得蓝绿激光的专利。1997年岛津公司京阪研究所的工作者采用如图4的结构，用1W的LD泵浦Nd:YAG，使用KNO3和BBO内腔倍频，在室温下分别得到了32.3mW和25.1mW的473nm的输出，电－光效率分别达到1.1%和0.9%。前者输出TEM00模，而后 者输出为纵横比1∶4的椭圆高斯光束。近几年，各种采用Nd:YAG/KN微片腔或者微晶腔结构来获得小型化、高光束质量蓝色激光光源的方案引起了研究者们的重视。这种激光器结构比较简单，关键在于采取适当的措施抑制发射截面大的1.06μm振荡，其技术已逐渐趋向成熟化，多家公司正试图推进它的产品化。<br><br><br> <br>图4　共振内腔倍频的473nm蓝光激光器<br> <br><br>5.3　内腔倍频的可调谐掺铬(Cr3+)蓝色激光器<br><br>　　1992年，美国劳伦斯*利弗莫尔国家实验室成功地研制出两种可调谐激光晶体CriCAF和CriSAF。其荧光光谱范围覆盖800～1000nm波段，并且在630～690nm之间有吸收带。CriCAF晶体由于存在严重的散射机制、引入大的损耗而较少在激光系统中使用。更令人感兴趣的是CriSAF,其晶体生长工艺较为成熟，峰值发射波长为846nm。再加上670nm、500mW级的红光LD的商品化，推动了基于CriSAF的内腔倍频蓝色激光器的发展。1996年，日立金属株式会社的研究人员佐藤正纯等研制出高稳定性的430nm的蓝色激光器，输出功率大于10mW。它采用电学反馈，将输出稳定性控制在0.7%。作者所在的课题组于1997年底采用Cr:LiSAF－KN结构，利用非线性晶体结合激光晶体的偏振发射特性组成一种特殊的双折射滤光片，实现了可调谐蓝色激光输出，调谐范围为423.4～445.5nm，吸收功率为256mW时，431.7nm处输出最大功率3.15mW，实验结构如图5所示。只是由于目前用作泵浦源的红色LD和高质量Cr:LiSAF晶体均比较昂贵，使得这种激光器的成本居高不下，相信随着关于红色LD制造工艺和晶体生长工艺的成熟，这一现象将会得到改变。<br><br><br> <br>图5　温度匹配的可调谐Cr:LiSAF-KN蓝激光器<br> <br><br>6　全固态蓝色激光器的应用<br><br>　　近年来，各国掀起了固态蓝色激光光源的研究热潮，这主要是得益于其广阔的应用前景和巨大的潜在价值，全固化蓝激光作为一种崭新的相干光源，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，能够在许多其他激光器所无能为力的场合得到应用。具体有：<br><br>6.1　高密度光存储<br><br>　　与目前常用作光源的780nmLD相比较，蓝色激光的最高要优点是波长短，光点面积小，若再利用存储介质对短波长激光更加敏感的特点，采用新的编码技术，则可以提高存储密度近1个量级。<br><br>6.2　数字视频技术<br><br>　　全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域中CD－ROM、CD及DVD等的光源。据东芝公司多媒体实验室的Akito Iwamoto宣称，预计于2005年推出以蓝激光为光源的只读数字视盘(DVD－ROM)，在适当改善光学系统数值孔径和数字处理电路的性能后，其容量能够达到目前以635nm红光LD为光源的CD－ROM的7倍以上。<br><br>6.3　彩色激光显示<br><br>　　高亮度的蓝色激光系统完全可以和发展相对成熟的红色LD、内腔倍频的全固化绿激光器一起，作为彩色显示的全固体标准三原色光源。这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源，不仅效率高(与荧光光源相比)，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的绿影，实现三原色的平衡。<br><br>6.4　海洋水色和海洋资源探测<br><br>　　400～450nm之间的蓝色激光光源是感知系海洋水色的有力武器，可用于探测海洋渔业资源。<br><br>6.5　激光制冷<br><br>　　蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振动而引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证。<br><br>　　此外，全固态蓝色激光光源还有望在数－模转换器件、激光和刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。<br><br>7　结束语<br><br>　　各种基于LD的全固化蓝激光器方案的开展，使这一领域的研究异常活跃。这种激光器的输出波长与现在大量使用的蓝激光器(氩离子激光器、氦－镉激光器等)相近，且有小型化、重量轻、寿命长、效率高等优点，相信会在各种中小功率/能量的场合中得到应用。<br><br>　　摘自激光杂志<br>　　LASER JOURNAL<br>　　1999年 第20卷 第4期 Vol.20 No.4 1999<br>