激光二极管获得绿光输出的方法解析

激光二极管的特长在于输出蓝光或红光，但在绿光波段激光二极管的表现并不尽人意。尽管可以将微型二极管泵浦的固态激光器与非线性晶体相结合，获得绿光激光笔等装置，但这些产品远比相应的红光产品的尺寸更大，并且价格昂贵。
廉价、可靠的绿光激光二极管不仅能用于制造微型激光笔，而且还能用于制造能够集成到手机或其他小型低功耗设备中的、真正的微型激光投影仪。一些公司及大学的研究小组正热衷于采用多种方式研究这一课题。
ingan方法
一种产生绿光的方法是利用现有的蓝光二极管技术，并将该技术发挥到极限，也即利用ingan作为半导体材料。尽管业界还没有通过该方法获得纯绿光输出，但通过该方法制成的蓝绿光激光二极管已经具备了良好的性能。德国欧司朗公司的研究人员已经生长出几乎没有缺陷的富含铟的ingan量子阱，室温条件下，由此制成的电驱动激光器能获得高达70mw的脉冲输出峰值功率。[1]
该增益引导激光器在商品化的c平面gan衬底上制成，腔镜膜层反射率分别为50%和95%。激光器输出波长为498nm，25°c时阈值电流密度为6.2ka/cm2，阈值电压6.0v，斜率效率650mw/a。研究人员预计，阈值电流密度可进一步减小，从而无需改变量子阱中铟的含量，就可以将输出波长移到更长波段。
另一方面，日本rohm公司的工程师们已经制造出非极性m平面电泵ingan多量子阱激光二极管。该激光器在499.8nm波长最大输出连续光功率为15mw。[2]该激光器有两个版本，它们的前端镜的反射率分别为70%和97%（后端镜的反射率均为99%）。前端镜反射率为70%的激光器，其输出峰值功率为30mw，对应的波长为492.8nm；前端镜反射率为97%的激光器，其输出峰值功率为15mw，对应的波长为499.8nm。两种激光器都是多纵模运转，波长范围1～2nm，近场光场分布均为单横模。输出波长较长的激光器的阈值电流密度为3.1ka/cm2，阈值电压为5.9v，斜率效率为50mw/a。
前端镜反射率为70%及97%的激光器发射波长随泵浦电功率的增加而增加，增长斜率分别为4.56nm/w及4.34nm/w。rohm公司的研究人员表示，要想获得稳定的输出波长，需要增加斜率效率或减小驱动电压。
新材料方法
尽管利用非ingan材料制造绿光激光二极管更加不切实际，但是多年来，日本sophia大学的研究人员一直在利用不同的ii-vi族半导体化合物在inp衬底上制造激光二极管以及发光二极管（led）。他们的最新成果是在inp衬底上制造（mgse）/（beznte）超晶格包层以及beznsete有源层，从而制成光泵的激光二极管。该激光器能够输出548nm的真正绿光。[3]
该激光二极管由波长为355nm的三倍频nd:yag脉冲激光在室温下泵浦。在泵浦脉宽为5ns、重复频率为20hz的条件下，当激发功率密度达到76.6kw/cm2以上时，可获得绿光输出。
研究人员根据76.6kw/cm2阈值激发功率密度条件下计算的阈值载流子密度数，估算电泵beznsete有源层需要的电流密度。他们的估算结果在0.22～0.73ka/cm2之间，具体取决于包层至有源层的载流子注入效率假定的不同值。研究人员认为即使是0.73ka/cm2的阈值电流密度，也可以与商品化的红光激光二极管相比拟，并且要小于商品化蓝光激光二极管的阈值电流密度。这表明beznsete可以作为绿光激光二极管有源层的候选之一。
参考文献：
1. d. queren et al., appl. phys. lett. 94, p. 081119 (2009).
2. k. okamoto et al., appl. phys. lett. 94, p. 071105 (2009).
3. i. nomura et al., appl. phys. lett. 94, p. 021104 (2009).