藍(lán)光激光器的發(fā)展及應(yīng)用

? 1、激光顯示與藍(lán)色激光??

??? 激光顯示采用紅、綠、藍(lán)三基色全固態(tài)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(xiàn)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(shí)色彩，在家庭影院和大屏幕顯示領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。2002年韓國三星公司就已經(jīng)推出了80英寸VGA分辨率的高亮度激光電視的樣機(jī)，可以獲得很好的顯示效果。作為激光全色顯示的關(guān)鍵技術(shù)，紅、綠、藍(lán)三基色全固態(tài)激光器也已成為當(dāng)前國際上研究的熱點(diǎn)。其中，三基色光源中的藍(lán)色激光是目前激光顯示研究中的瓶頸。???

實(shí)現(xiàn)全固態(tài)藍(lán)色激光光源的途徑主要有三種：

(1)直接發(fā)射藍(lán)光的激光二極管；

(2)LD倍頻的藍(lán)色光源；

(3)LD泵浦通過非線性光學(xué)手段獲得的藍(lán)色激光器。??

??? 直接發(fā)射藍(lán)光的半導(dǎo)體激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、電-光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。能夠直接發(fā)射藍(lán)色激光的LD一直受到人們的關(guān)注。但由于半導(dǎo)體材料本身的缺陷難于克服，使得藍(lán)色激光二極管的發(fā)展相對緩慢，與實(shí)用化之間還有一段距離。通過LD泵浦非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換如倍頻、和頻等方法來得到高轉(zhuǎn)換效率的藍(lán)色激光輸出。此外直接倍頻LD獲得藍(lán)色激光，能夠?qū)崿F(xiàn)高的光-光轉(zhuǎn)換效率；要求改善LD光束質(zhì)量、壓縮其發(fā)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。??

??? 以上這些技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)，離激光顯示的真正應(yīng)用尚有一定差距。目前激光顯示研究過程中，所采用的藍(lán)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(lán)色激光，即利用LD泵浦Nd:YAG的準(zhǔn)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(shí)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(shù)來獲得藍(lán)色激光，既可以實(shí)現(xiàn)高的光光轉(zhuǎn)換效率，而且技術(shù)方案簡單，是一個(gè)有潛力的選擇。??

??? 2、藍(lán)光激光二極管??

??? 1999年[3]Nichia公司生產(chǎn)出第一臺(tái)藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，標(biāo)志著下一代光存儲(chǔ)的應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。2002年出臺(tái)了命名為“藍(lán)光光盤”（Blue-ray Disc）的計(jì)劃。具體講，藍(lán)光LD可以在一張12cm的光盤上實(shí)現(xiàn)27GB的存儲(chǔ)量，它是現(xiàn)有技術(shù)的六倍，可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字信息的存儲(chǔ)（包括音頻、視頻、電視、照片等應(yīng)用），大大方便了數(shù)字產(chǎn)品走進(jìn)家庭和人們的辦公室。例如，利用藍(lán)光光盤可以記錄兩小時(shí)的高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻或者13小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電視。此外雙面存儲(chǔ)以及擴(kuò)大光盤尺寸可以最終獲得50-100GB的存儲(chǔ)容量。??

??? 關(guān)于藍(lán)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(fā)射波長相應(yīng)于深藍(lán)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(lán)光LD。1990年，利用ZnSe/ZnCdSe應(yīng)變量子阱技術(shù)首先獲得了藍(lán)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(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在20℃下、輸出1mW并且可連續(xù)工作100小時(shí)的藍(lán)－綠(515nm)LD。然而生長過程中p－n結(jié)內(nèi)形成的缺陷在高閾值電流、高結(jié)溫環(huán)境下會(huì)迅速擴(kuò)散，使得其壽命的進(jìn)一步提高十分困難，距離商品化10000小時(shí)的目標(biāo)還有很長一段距離。??

??? 在此同時(shí)，日本Nichia化學(xué)工業(yè)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(huán)境下，借助雙束氣流反應(yīng)技術(shù)，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(jié)構(gòu)的408.6nm藍(lán)光LD。97年初的時(shí)候其室溫壽命為35小時(shí)，同年秋季通過側(cè)向外延生長技術(shù)將室溫壽命提高到了1000小時(shí)。目前該公司已經(jīng)有幾款輸出功率達(dá)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(jī)推出。然而，考慮到半導(dǎo)體材料本身的缺陷難于克服，使得藍(lán)色激光二極管的發(fā)展仍相對緩慢，離實(shí)用化還有一段距離。??

??? 目前GaN已經(jīng)成為制造短波長半導(dǎo)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(lán)色LED其性能已經(jīng)大幅提高，并獲得了廣泛應(yīng)用，其中最重要的應(yīng)用是在顯示技術(shù)和白光照明。??

??? 3、LD直接倍頻藍(lán)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(lán)色激光的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高的光-光轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)單管、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，采用電學(xué)邊帶壓縮或光學(xué)反饋壓縮等技術(shù)，通過外腔加強(qiáng)的辦法，改善LD光束質(zhì)量、壓縮其發(fā)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵問題。1989年，L．Goldkey和M．K．Chun用KN晶體倍頻842nm的LD輸出得到24mW的連續(xù)藍(lán)色激光，W．J．Kozlovsky和W．Lenth用電學(xué)反饋技術(shù)鉗制858nmLD的輸出，在140mW入射功率下得到41mW的428nm連續(xù)輸出。1994年德國人A．Hemmerich將單塊KN同時(shí)用于環(huán)行倍頻和LD光學(xué)頻率自鎖，在90mW、856nm的入射功率下，獲得了22mW、428nm的藍(lán)色激光輸出。J．A．Trail采用實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋，有效地控制了光束質(zhì)量、抑制了噪聲，改善了激光器工作穩(wěn)定性，得到了40mW、430nm激光輸出。相干公司正利用此項(xiàng)成果開發(fā)用于光存儲(chǔ)的商品。??

??? 由于波導(dǎo)中傳播的激光功率密度高、與泵浦光耦合充分、閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、位相匹配范圍寬，而曾使藍(lán)光波導(dǎo)激光器受到重視。1994年，G．Gupta運(yùn)用1mm長的疇反轉(zhuǎn)LiTO3波導(dǎo)對840nm的LD倍頻而得到26μW的功率輸出、290%/W*cm2的轉(zhuǎn)換效率和0.3nm的位相匹配寬度。我國南京大學(xué)的陸亞林等人用三階準(zhǔn)位相匹配的LiNbO3倍頻810nmGaAsAl激光，在入射功率為250mW時(shí)，獲得了0.3mW的405nm輸出，光學(xué)轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.14%。最令人矚目的是離子KN波導(dǎo)和薄膜KTP波導(dǎo)。日本的Tohru Doumuki等人用帶線加載(strip load)結(jié)構(gòu)的SiO2/Ta2O5/KTP薄膜波導(dǎo)對鈦寶石激光進(jìn)行倍頻，在波導(dǎo)長度為4.1mm時(shí)得到了13mW的近TEM10模413nm輸出，轉(zhuǎn)換效率接近1000%/W*cm2。薄膜波導(dǎo)激光器的優(yōu)點(diǎn)是效率高，缺點(diǎn)是波導(dǎo)制作復(fù)雜，對泵浦光束質(zhì)量要求高，因而獲得的倍頻激光光束較差。

??? 近期我們設(shè)計(jì)的方案是，采用窄線寬LD直接倍頻PPLN來獲得藍(lán)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(zhuǎn)換效率，可以獲得20-30mW的488nm激光輸出。目前此方案仍在進(jìn)行當(dāng)中，相信不久就可以獲得實(shí)際應(yīng)用。??

??? 4、LD泵浦非線性轉(zhuǎn)換藍(lán)光激光器??

??? 利用了LD發(fā)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(zhuǎn)換效率的藍(lán)色激光輸出。??

??? (1)用和頻方法獲得藍(lán)色激光器??

??? 一種方法是運(yùn)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(lán)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(yùn)用和頻方法得到了0.96mW的藍(lán)光輸出。1989年，W．P．Risk和W．Lenth利用同樣的晶體，在常溫下實(shí)現(xiàn)了此和頻過程的非臨界相位匹配，也獲得了藍(lán)色激光輸出。1992年，W．P．Risk和W．J．Kozlovsky利用外腔諧振加強(qiáng)的辦法，在KTP單塊駐波腔內(nèi)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(jié)構(gòu)，利用100mW的單管LD得到了20mW的459nm藍(lán)色激光輸出，單管LD－藍(lán)光的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)68%，在改變和頻晶體的匹配角度時(shí)，實(shí)現(xiàn)12nm的調(diào)諧寬度，但是這種技術(shù)對起注入作用的LD要求較高。??

??? 最近，德國的Kaiserslautern大學(xué)和當(dāng)?shù)氐囊患夜狙邪l(fā)了一種采用鎖模的半導(dǎo)體泵浦Nd:YVO4激光放大器來泵浦KTA-OPO，用上述方法產(chǎn)生的1064nm和1535nm激光，經(jīng)倍頻和和頻過程同時(shí)獲得629nm、532nm、446nm的三基色激光，直接用于激光顯示的應(yīng)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(shí)現(xiàn)4F3/2→4I9/2準(zhǔn)三能級的946nm或912nm激光振蕩，并運(yùn)用KN或LBO等非線性晶體通過內(nèi)腔倍頻以得到藍(lán)色激光輸出的方案進(jìn)行了研究。1987年，W．P．Risk和W．Lenth在一個(gè)未優(yōu)化的Nd:YAG-LiIO3激光腔外得到了100μW的473nm藍(lán)色激光。1989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(shí)得到了3.7mW的藍(lán)色激光。斯坦福大學(xué)的T．Y．Fan于同年申請了關(guān)于通過倍頻摻Nd3+介質(zhì)而獲得藍(lán)綠激光的專利（US PATENT NO.4809291）。這種激光器結(jié)構(gòu)比較簡單，關(guān)鍵在于采取適當(dāng)?shù)拇胧┮种瓢l(fā)射截面大的1.06μm振蕩。目前該項(xiàng)技術(shù)已逐漸趨向成熟化，德國漢堡大學(xué)用21W的808nm激光二極管得到了2.8W的473nm藍(lán)色激光輸出，正在逐步地達(dá)到低成本、高效率的商品化藍(lán)色激光器的要求。??

??? 此外，還有內(nèi)腔倍頻的可調(diào)諧摻鉻(Cr3+)藍(lán)色激光器。

??? 美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室成功地研制出兩種可調(diào)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(yán)重的散射機(jī)制、引入大的損耗而較少在激光系統(tǒng)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(fā)射波長為846nm。加上670nm、500mW級的紅光LD的商品化，推動(dòng)基于Cr:LiSAF的內(nèi)腔倍頻藍(lán)色激光器的發(fā)展。日立金屬株式會(huì)社的佐藤正純等人研制出高穩(wěn)定性的430nm的藍(lán)色激光器，輸出功率大于10mW。采用電學(xué)反饋，將輸出穩(wěn)定性控制在0.7%。??

??? 5、藍(lán)色激光器的應(yīng)用小結(jié)??

??? (1)彩色激光顯示??

??? 高亮度的藍(lán)色激光系統(tǒng)完全可以和發(fā)展相對成熟的紅色LD、內(nèi)腔倍頻的全固化綠激光器一起，作為彩色顯示的全固體標(biāo)準(zhǔn)三基色光源。這種新型的低功耗、長壽命、高光束質(zhì)量的激光光源，不僅效率高(與熒光光源相比)，而且更加忠實(shí)于自然光，能夠消除白熾光源產(chǎn)生的黃影和熒光光源產(chǎn)生的綠影，實(shí)現(xiàn)三基色的平衡。??

??? (2)高密度光存儲(chǔ)??

??? 與目前常用作光源的780nmLD相比較，藍(lán)色激光的優(yōu)點(diǎn)是波長短，光點(diǎn)面積小，若再利用存儲(chǔ)介質(zhì)對短波長激光更加敏感的特點(diǎn)，采用新的編碼技術(shù)，則可以提高存儲(chǔ)密度近1個(gè)量級。按目前的藍(lán)光光盤計(jì)劃，可以在一張12cm的光盤上實(shí)現(xiàn)27GB的存儲(chǔ)量，它是現(xiàn)有技術(shù)的六倍，可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字信息的存儲(chǔ)（包括音頻、視頻、電視、照片等應(yīng)用）。??

??? (3)數(shù)字視頻技術(shù)??

??? 全固體藍(lán)激光器最令人鼓舞的應(yīng)用是用作數(shù)字視頻領(lǐng)域中CD－ROM、CD及DVD等的光源。據(jù)東芝公司多媒體實(shí)驗(yàn)室的Akito Iwamoto宣稱，預(yù)計(jì)于2005年推出以藍(lán)激光為光源的只讀數(shù)字視盤(DVD－ROM)，在適當(dāng)改善光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑和數(shù)字處理電路的性能后，其容量能夠達(dá)到目前以635nm紅光LD為光源的CD－ROM的7倍以上。??

??? (4)海洋水色和海洋資源探測??

??? 400～450nm之間的藍(lán)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(yè)資源。??

??? (5)激光制冷??

??? 藍(lán)色激光可用于捕獲和阻尼銫原子的熱振動(dòng)，消除因熱振動(dòng)而引起的多普勒加寬，為光譜線的精確計(jì)量提供保證。??

??? 此外，全固態(tài)藍(lán)色激光光源還有望在數(shù)－模轉(zhuǎn)換器件、激光和刷術(shù)、激光醫(yī)學(xué)、生化技術(shù)、材料科學(xué)和光通信等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。