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0431-81702023
光學工程
藍光激光器的發展及其應用

      摘要:結合激光顯示和藍光光盤等主要應用,介紹全固態藍光激光器的多種技術和最新發展。重點講述了藍光半導體激光以及半導體激光直接倍頻藍光激光器技術的進展。最后對藍光激光器的一些主要應用進行了總結。
      關鍵字:藍光激光、激光顯示、藍光光盤、藍光ld
1.激光顯示與藍色激光
       激光顯示采用紅、綠、藍三基色全固態激光器作為光源,由于激光的高色純度,按三基色合成原理在色度圖上形成的色度三角形面積最大,因而激光顯示的圖像有著比現有彩色電視更大的色域、更高的對比度和亮度,顏色更鮮艷,能反映自然界的真實色彩,在家庭影院和大屏幕顯示領域具有巨大的應用前景。2002年韓國三星公司就已經推出了80英寸vga分辨率的高亮度激光電視的樣機,可以獲得很好的顯示效果。作為激光全色顯示的關鍵技術,紅、綠、藍三基色全固態激光器也已成為當前國際上研究的熱點。其中,三基色光源中的藍色激光是目前激光顯示研究中的瓶頸。
      實現全固態藍色激光光源的途徑主要有三種:(1)直接發射藍光的激光二極管;(2)ld倍頻的藍色光源;(3)ld泵浦通過非線性光學手段獲得的藍色激光器。
      直接發射藍光的半導體激光器,具有結構簡單、使用方便、電-光轉換效率高等優點。能夠直接發射藍色激光的ld一直受到人們的關注。但由于半導體材料本身的缺陷難于克服,使得藍色激光二極管的發展相對緩慢,與實用化之間還有一段距離。通過ld泵浦非線性光學頻率轉換如倍頻、和頻等方法來得到高轉換效率的藍色激光輸出。此外直接倍頻ld獲得藍色激光,能夠實現高的光-光轉換效率;要求改善ld光束質量、壓縮其發射線寬,并且將ld輸出鎖定在非線性晶體無源諧振腔的共振頻率上,是這項技術的關鍵所在。
      以上這些技術都有自身的缺點,離激光顯示的真正應用尚有一定差距。目前激光顯示研究過程中,所采用的藍色激光主要采用的方法是采用基于美國專利(us patent no.4809291)制造的473nm藍色激光,即利用ld泵浦nd:yag的準三能級4f3/2->4i9/2的946nm倍頻,并抑制1064nm的躍遷。但是這種方法效率比較低且實施難度較大。最近我們擬采用的窄帶寬ld直接倍頻ppln的技術來獲得藍色激光,既可以實現高的光光轉換效率,而且技術方案簡單,是一個有潛力的選擇。
2.藍光激光二極管
       1999年nichia公司生產出第一臺藍光半導體激光器,標志著下一代光存儲的應用已經為期不遠了。2002年出臺了命名為“藍光光盤”(blue-ray disc)的計劃。具體講,藍光ld可以在一張12cm的光盤上實現27gb的存儲量,它是現有技術的六倍,可以實現所有數字信息的存儲(包括音頻、視頻、電視、照片等應用),大大方便了數字產品走進家庭和人們的辦公室。例如,利用藍光光盤可以記錄兩小時的高標準的數字視頻或者13小時的標準電視。此外雙面存儲以及擴大光盤尺寸可以最終獲得50-100gb的存儲容量。

      關于藍光ld最先的研究主要集中在Ⅱ-Ⅳ族材料,尤其是znse。這種材料禁帶寬度約2.7ev,發射波長相應于深藍色480nm,且其柵格間距非常接近于常用的gaas,看起來非常適合于藍光ld。1990年,利用znse/zncdse應變量子阱技術首先獲得了藍色激光輸出。1996年日本索尼公司采用zncdse/znsse/znmgsse單量子阱激活層分別限制雙異質結構實現了在20℃下、輸出1mw并且可連續工作100小時的藍-綠(515nm)ld。然而生長過程中p-n結內形成的缺陷在高閾值電流、高結溫環境下會迅速擴散,使得其壽命的進一步提高十分困難,距離商品化10000小時的目標還有很長一段距離。
     在此同時,日本nichia化學工業公司的shuji nakamura [4]另辟蹊徑,致力于Ⅲ-v族gan材料的研究。他在充氮環境下,借助雙束氣流反應技術,在15%失配的石英基底上,采用mocvd方法生長出了ingan多量子阱結構的408.6nm藍光ld。97年初的時候其室溫壽命為35小時,同年秋季通過側向外延生長技術將室溫壽命提高到了1000小時。目前該公司已經有幾款輸出功率達到30mw,線寬小于1nm,輸出波長為400-415nm的商品化器件。還有其他一些波長的工程樣機推出。然而,考慮到半導體材料本身的缺陷難于克服,使得藍色激光二極管的發展仍相對緩慢,離實用化還有一段距離。
      目前gan已經成為制造短波長半導體激光的主要材料,摻雜不同濃度的銦可以獲得不同波長的輸出。而基于gan材料制造的藍色led其性能已經大幅提高,并獲得了廣泛應用,其中最重要的應用是在顯示技術和白光照明。
3.ld直接倍頻藍光激光器
      這種通過二次諧波(shg)將ld的紅外輸出直接倍頻而得到藍色激光的方案,能夠實現高的光-光轉換效率。它要求ld不僅能夠輸出較高的激光功率,而且還必須實現單管、單頻運轉。因此,采用電學邊帶壓縮或光學反饋壓縮等技術,通過外腔加強的辦法,改善ld光束質量、壓縮其發射線寬,并且將ld輸出鎖定在非線性晶體無源諧振腔的共振頻率上就成為這項技術的關鍵問題。19 8 9年,l.goldkey和m.k.chun用kn晶體倍頻842nm的ld輸出得到24mw的連續藍色激光,w.j.kozlovsky和w.lenth用電學反饋技術鉗制858nmld的輸出,在140mw入射功率下得到41mw的428nm連續輸出。1994年德國人a.hemmerich將單塊kn同時用于環行倍頻和ld光學頻率自鎖,在90mw、856nm的入射功率下,獲得了22mw、428nm的藍色激光輸出。j.a.trail采用實時閉環反饋,有效地控制了光束質量、抑制了噪聲,改善了激光器工作穩定性,得到了40mw、430nm激光輸出。相干公司正利用此項成果開發用于光存儲的商品。
       由于波導中傳播的激光功率密度高、與泵浦光耦合充分、閾值低、轉換效率高、位相匹配范圍寬,而曾使藍光波導激光器受到重視。1994年,g.gupta運用1mm長的疇反轉lito3波導對840nm的ld倍頻而得到26μw的功率輸出、290%/w*cm2的轉換效率和0.3nm的位相匹配寬度。我國南京大學的陸亞林等人用三階準位相匹配的linbo3倍頻810nmgaasal激光,在入射功率為250mw時,獲得了0.3mw的405nm輸出,光學轉換效率達0.14%。最令人矚目的是離子kn波導和薄膜ktp波導。日本的tohru doumuki等人用帶線加載(strip load)結構的sio2/ta2o5/ktp薄膜波導(圖2)對鈦寶石激光進行倍頻,在波導長度為4.1mm時得到了13mw的近tem10模413nm輸出,轉換效率接近1000%/w*cm2。薄膜波導激光器的優點是效率高,缺點是波導制作復雜,對泵浦光束質量要求高,因而獲得的倍頻激光光束較差。

      近期我們設計的方案是,采用窄線寬ld直接倍頻ppln來獲得藍色激光的方案,如圖3所示。ld的輸出波長為975nm,線寬約0.1nm,輸出功率200mw。由于ppln的高倍頻轉換效率,可以獲得20-30mw的488nm激光輸出。目前此方案仍在進行當中,相信不久就可以獲得實際應用。
4.ld泵浦非線性轉換藍光激光器
        利用了ld發射譜線能夠很好地與nd3+、cr3+等激活離子的吸收帶相匹配,并通過倍頻、和頻等方法來得到高轉換效率的藍色激光輸出。
(1)用和頻方法獲得藍色激光器
        一種方法是運用gaalas激光二極管輸出的809nm激光,與nd3+離子1.06μm的激光通過和頻來得到459nm的藍光輸出。1987年,j.c.baumert及其同事首次在Ⅱ類位相匹配的ktp晶體中運用和頻方法得到了0.96mw的藍光輸出。19 8 9年,w.p.risk和w.lenth利用同樣的晶體,在常溫下實現了此和頻過程的非臨界相位匹配,也獲得了藍色激光輸出。1992年,w.p.risk和w.j.kozlovsky利用外腔諧振加強的辦法,在ktp單塊駐波腔內獲得4mw的基橫模462nm輸出。p.n.kean和r.w.stanley在1993年采用折疊腔結構,利用100mw的單管ld得到了20mw的459nm藍色激光輸出,單管ld-藍光的轉換效率高達68%,在改變和頻晶體的匹配角度時,實現12nm的調諧寬度,但是這種技術對起注入作用的ld要求較高。
      最近,德國的kaiserslautern大學和當地的一家公司研發了一種采用鎖模的半導體泵浦nd:yvo4激光放大器來泵浦kta-opo,用上述方法產生的1064nm和1535nm激光,經倍頻和和頻過程同時獲得629nm、532nm、446nm的三基色激光(圖4),直接用于激光顯示的應用。
      從八十年代末期開始,人們就對利用808nm的ld泵浦nd:yag及nd:yvo4,實現4f3/2→4i9/2準三能級的946nm或912nm激光振蕩,并運用kn或lbo等非線性晶體通過內腔倍頻以得到藍色激光輸出的方案進行了研究。1987年,w.p.risk和w.lenth在一個未優化的nd:yag-liio3激光腔外得到了100μw的473nm藍色激光。19 8 9年,w.p.risk用kn晶體對ld泵浦的nd:yag倍頻,在吸收功率為400mw時得到了3.7mw的藍色激光。斯坦福大學的t.y.fan于同年申請了關于通過倍頻摻nd3+介質而獲得藍綠激光的專利(us patent no.4809291)。這種激光器結構比較簡單,關鍵在于采取適當的措施抑制發射截面大的1.06μm振蕩。目前該項技術已逐漸趨向成熟化,德國漢堡大學用21w的808nm激光二極管得到了2.8w的473nm藍色激光輸出,正在逐步地達到低成本、高效率的商品化藍色激光器的要求。
      此外,還有內腔倍頻的可調諧摻鉻(cr3+)藍色激光器。美國勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室成功地研制出兩種可調諧激光晶體cr:licaf和cr:lisaf。其熒光光譜范圍覆蓋800~1000nm波段,并且在630~690nm之間有吸收帶。cr:licaf晶體由于存在嚴重的散射機制、引入大的損耗而較少在激光系統中使用。更令人感興趣的是cr:lisaf,其晶體生長工藝較為成熟,峰值發射波長為846nm。加上670nm、500mw級的紅光ld的商品化,推動基于cr:lisaf的內腔倍頻藍色激光器的發展。日立金屬株式會社的佐藤正純等人研制出高穩定性的430nm的藍色激光器,輸出功率大于10mw。采用電學反饋,將輸出穩定性控制在0.7%。

5.藍色激光器的應用小結
a.彩色激光顯示
      高亮度的藍色激光系統完全可以和發展相對成熟的紅色ld、內腔倍頻的全固化綠激光器一起,作為彩色顯示的全固體標準三基色光源。這種新型的低功耗、長壽命、高光束質量的激光光源,不僅效率高(與熒光光源相比),而且更加忠實于自然光,能夠消除白熾光源產生的黃影和熒光光源產生的綠影,實現三基色的平衡。
b.高密度光存儲
      與目前常用作光源的780nmld相比較,藍色激光的優點是波長短,光點面積小,若再利用存儲介質對短波長激光更加敏感的特點,采用新的編碼技術,則可以提高存儲密度近1個量級。按目前的藍光光盤計劃,可以在一張12cm的光盤上實現27gb的存儲量,它是現有技術的六倍,可以實現所有數字信息的存儲(包括音頻、視頻、電視、照片等應用)。
c.數字視頻技術
      全固體藍激光器最令人鼓舞的應用是用作數字視頻領域中cd-rom、cd及dvd等的光源。據東芝公司多媒體實驗室的akito iwamoto宣稱,預計于2005年推出以藍激光為光源的只讀數字視盤(dvd-rom),在適當改善光學系統數值孔徑和數字處理電路的性能后,其容量能夠達到目前以635nm紅光ld為光源的cd-rom的7倍以上。
d.海洋水色和海洋資源探測
      400~450nm之間的藍色激光光源是感知系海洋水色的有力武器,可用于探測海洋漁業資源。
e.激光制冷
      藍色激光可用于捕獲和阻尼銫原子的熱振動,消除因熱振動而引起的多普勒加寬,為光譜線的精確計量提供保證。
此外,全固態藍色激光光源還有望在數-模轉換器件、激光和刷術、激光醫學、生化技術、材料科學和光通信等許多領域得到廣泛的應用。

 


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