激光器的发展及应用

光泵浦半导体激光器的发展及应用

摘要: 光泵浦半导体激光器(OPSLs) 于2001年被提出, 其在光功率扩展性和稳定性、波长可选性、

可靠性以及光束质量等方面具有独特优势, 并迅速在流式细胞术、共聚焦显微镜、测序分析、医学诊断和治疗、半导体检测、图形艺术、法医学、计量学等领域得到了广泛应用。

本文将介绍OPSL的基本原理, 并与离子激光器、二极管激光器和标准的固体激光器对比。还将

回顾这一新兴技术的过去10年、

现状和发展趋势, 尤其是波长、光功率、倍频、超窄线宽技术等方

面。此外, 还将给出对OPSL主要应用领域的研究结果。

效率低、能耗高, 以及与此相关的高散热、背景光

放电、寿命有限和高成本等缺点。

固体激光器可作为离子激光器的替代品。基于晶体工作的固体激光器具有光束质量好、光功率稳定和噪声低等优点。但是,早期灯泵浦(倍频)Nd∶YAG

和 Nd∶YVO4 激光器虽然波长包括 1 064 nm,561 nm,

532 nm 和 473 nm, 但在体积、功耗和成本上, 并不

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激光器种类

过去的 40 年, 激光器已成为材料加工、计量、

检验、生物仪器、医疗等领域的一种重要工具。它们实现了从笨重、高功耗、复杂、敏感和昂贵到产业化、强劲、免维护时长超数千小时的飞跃。

激光器的波长覆盖红外和紫外波段, 光功率从毫瓦到千瓦。它们既可连续工作(CW), 又可以皮秒(ps) 甚至飞秒(fs) 的脉冲方式工作。

多年来, 除倍频 Nd∶YAG 和 Nd∶YVO4 激光器外,

空气制冷离子激光器( 氦氖, Ar 离子, Kr 离子,

比离子激光器更具吸引力。

直到上世纪 90 年代初

期, 二极管激光器和二极管泵浦固态(DPSS) 激光

器的出现才开启了一个新纪元。尽管在引入初期, DPSS 激光器对于大多数应用来说还比较昂贵, 不过, 随着包括二极管泵浦源在内的激光器器件的发展, 固体激光器迅速成为一种经济的激光光源。在许多绿光激光光源应用领域, 532 nm 的 Nd∶YAG 和

Nd∶YVO4 激光器已经取代了 514 nm 的 Ar 离子激光

器和 543 nm 的氦氖激光器。 457 nm 和 473 nm 的

DPSS 激光器也分别取代了 458 nm 和476 nm 的氩离

Ar-Kr 混合)

是唯一经济的可见激光光源。然而, 氦

氖激光器的应用受到较大的功率限制(在 543 nm 和

633 nm 波长下仅数 mW)。 Ar 离子激光器的某些激射波长, 如 458 nm、 488 nm 和 514 nm 在中等功率范围内也成为波长标准。虽然 Ar 离子和 Kr 离子激光器具有多波长工作的优势, 但它们存在体积庞大、

小尺寸、高光束质量、稳定的功率和低噪声。然而,

由于工作介质物理性质的限制, 其波长只有有限的几种选择。

二极管激光器是目前最常见的激光器, 在诸如 CD/DVD 播放机和激光打印机等日用产品中都能发现它们的身影。它们在体积、电光效率、寿命、成本(不总是) 方面, 与其他类型激光器相比具有独

角大且通常需要光束整形; 激射波长、光波模式和

光功率都随驱动电流变化, 波长一致性也并不好。因此, 与离子激光器和 DPSS 激光器相比, 二极管激光器在光束质量、模式