蓝光激光器的发展及其应用

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（图1）。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。19 8 9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（图2）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。