蓝光激光器的发展及应用

蓝光激光器的发展及应用

  1、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[3]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Ⅱ－Ⅳ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，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，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。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、位相匹配范围宽，而曾使蓝光波导激光器受到重视。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。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，如图3所示。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Nd3+、Cr3+等激活离子的吸收带相匹配，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1.06μm的激光通过和频来得到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。P．N．Kean和R．W．Stanley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4F3/2→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，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（US PATENT NO.4809291）。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。目前该项技术已逐渐趋向成熟化，德国汉堡大学用21W的808nm激光二极管得到了2.8W的473nm蓝色激光输出，正在逐步地达到低成本、高效率的商品化蓝色激光器的要求。  

    此外，还有内腔倍频的可调谐掺铬(Cr3+)蓝色激光器。

    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Cr:LiCAF和Cr:LiSAF。其荧光光谱范围覆盖800～1000nm波段，并且在630～690nm之间有吸收带。Cr:LiCAF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Cr:LiSAF,其晶体生长工艺较为成熟，峰值发射波长为846nm。加上670nm、500mW级的红光LD的商品化，推动基于Cr:LiSAF的内腔倍频蓝色激光器的发展。日立金属株式会社的佐藤正纯等人研制出高稳定性的430nm的蓝色激光器，输出功率大于10mW。采用电学反馈，将输出稳定性控制在0.7%。  

    5、蓝色激光器的应用小结  

    (1)彩色激光显示  

    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基色光源。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，实现三基色的平衡。  

    (2)高密度光存储  

    与目前常用作光源的780nmLD相比较，蓝色激光的优点是波长短，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。按目前的蓝光光盘计划，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）。  

    (3)数字视频技术  

    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。  

    (4)海洋水色和海洋资源探测  

    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。  

    (5)激光制冷  

    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。  

    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。