半导体激光器波长调节

2011年07月05日10:36:01 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

半导体激光器的输出波长取决于发射层中材料的带隙。早期，半导体二极管激光器中的带隙由二元III–V族化合物的性质决定，随后技术上的进步使得通过调节半导体的组分和结构来调节波长成为可能。

首先是发展三元化合物，如镓铝砷（GaAlAs），它能够与砷化镓（GaAs）衬底晶格匹配，当铝的成分增加时，发射波长蓝移。然而，GaAlAs并不能够与GaAs的晶格非常好地匹配，因此较关键的一步是四元化合物，如InGaAsP，这提供了匹配晶格间距以及所需波长的第二个自由度。MIT林肯实验室的J. Jim Hsieh实现了这一步，1977年他报道了室温下运行的InGaAsP激光器输出1.25µm的激光。^[10]随后不久，也是在InP衬底上，成分略有不同的InGaAsP激光器问世，应用于1.3µm和1.55µm的低损耗光纤窗口。通过调整四种元素的组分，InGaAsP激光器的输出波长覆盖了一个重要的波长范围。

图解：激光手术所需的直接带隙的III - V族化合物的半导体二极管激光器的波长与晶格间距之间的关系。（LEDC摘自LaserFocusWorld China）

通过优化GaAs衬底激光器的发射材料组分，可将其输出波长拓展到红光范围，例如使用AlGaInP可使输出波长短至620nm。此后，1996年日亚公司（Nichia）的Shuji Nakamura发明了氮化铟镓（GaInN）半导体激光器，激光跨入了光谱的蓝光波段（编者按：据中科院院士甘子钊在前不久在深圳西丽举办的“12th全国LED产业研讨与学术会议”上指出：目前绿光激光器的研究就中村团队有所进展）。蓝光半导体激光器目前属于标准产品，但绿光半导体激光器仍然很难实现。在今年1月份的Photonics West 2010会议上，startup Kaai公司的Nakamura报道已经开发出了523nm的InGaN半导体激光器，填补了在半导体激光器在输出光谱中的空缺。

光泵浦使半导体激光器能够实现其他输出波长，同时避免了需要高电流密度通过半导体。这摆脱了设计上的约束，因此量子阱结构能够实现其他激光器无法得到的波长。泵浦二极管照射薄半导体碟片的表面，该碟片的表面附近具有量子阱层，量子阱在外腔中共振并发光，产生高强度、高质量的光束。这些装置被称为OPSL（光泵浦半导体激光器）或VECSEL（垂直外腔表面发射激光器），基本输出在近红外，可在激光腔内倍频成可见光。其设计可与特定波长匹配，如氦镉激光器的441nm激光，或治疗糖尿病视网膜病的557nm黄光。

另一种新颖的结构是1994年由贝尔实验室的Federico Capasso发明的量子级联激光器，这种激光器中的电子在一个偏置的半导体中通过量子阱堆叠。在每个量子阱中，电子落到导带中更低的次能级，并发射一个光子，这个光子的波长取决于激光器的结构和组成。量子级联激光器提供了获得中、远红外波段难以实现的激光波长的方便途径，还可用于产生太赫兹频率。

此外，非线性光学提供了产生新的波长的强大工具。高功率飞秒脉冲的高次谐波产生，可以产生极紫外波段的相干光。非线性过程可以产生一个倍频程或更宽的超连续谱，以及飞秒频率梳，这是一项获得诺贝尔奖的创新，能够以惊人的精度测量光频。

本段文字摘自《激光世界》2010年7月刊封面故事 “激光五十年 — 激光器的输出波长在光谱上不断拓展”。

半导体激光器波长调节

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