作者：Jörg Neukum，Bernd Köhler，Jens Biesenbach，Dilas公司

半导体激光器的输出波长日趋丰富，在设计各种波长的高亮度光纤耦合半导体激光器时，必须要有一些重要的设计考量。随着输出波长的不断拓展，半导体激光器将在更多新的应用领域中大显身手。

高亮度半导体激光器

半导体激光器技术的不断发展使其应用日益广泛，同时越来越多的应用都要求半导体激光器简单易用，这使光纤耦合半导体激光器模块广受青睐。为了更好地满足应用需求，在设计高亮度半导体激光器模块时，必须要考虑一些重要的设计规则，特别是当这些模块的输出波长为非标准波长时。这些设计考量主要涉及以下几方面：

l 原则上，最低衍射极限光束参数乘积（BPP）与波长成正比，也就是说，随着波长（l）的增加，光束质量会逐渐变差。光纤耦合模块需要一个特定的光束参数乘积，这意味着可以耦合到一根光纤中的发射体（emitter）的数量，会随着波长的平方因子（l^-2）而减少。例如，在1940nm时可以耦合到指定纤芯中的发射体的数量，要比在970nm时减少4倍。

l 通常慢轴发散角会随着波长的增加而增加，这意味着慢轴准直透镜（SAC）的焦距，必须能适应避免SAC损失。

l 对于输出非标准波长的半导体激光器巴条，其快轴方向的发散角可达到90°，因此需要使用具有高数值孔径和高质量的快速轴准直透镜（FAC）。

l 必须要考虑光学元件自身的损耗。特别是当波长超过2200nm时，由于羟基伸缩会导致大量水吸收。目前几乎微型光学元件使用的所有材料，都会发生这种水吸收现象。

表1给出了各种光纤耦合半导体激光器模块（见图1）所能实现的输出功率。

图1：分别由1、3、6、12个半导体激光器巴条构成的光纤耦合半导体激光器模块。

表1：各种光纤耦合半导体激光器模块所能实现的输出功率。

*：由于微型光学元件中的水吸收导致了大量功率损耗。

 半导体激光器输出的新波长及其应用

目前，半导体激光器已经开发出了多种新的输出波长，以满足更多应用需求。其中405～440nm的波长范围是人们比较感兴趣的一个波段，目前其应用主要是低功率应用，405nm波长在蓝光光盘中的应用就是一个很好的例子。如果人们能够实现更大的氮化镓（GaN）晶圆，例如宽10mm、谐振长度1mm，那么由这个芯片上的多个发射器实现的功率则可以达到几瓦级（～4W）。波长在405～440nm范围内、输出功率可达几瓦的高功率半导体激光器可用于以下领域：

l 丝网印刷中的环氧树脂固化

l 印刷与半导体行业中的光刻

l 掺镨（Pr）晶体和光纤的光学泵浦

然而，随着蓝光半导体激光器的问世，最近几年人们似乎对绿光半导体激光器的研发放慢了脚步。当然，最近也出现了一些有关波长515nm的低功率半导体激光器的报道。预计在今后几年内，高功率绿光半导体激光器产品将会相继出现。

 在可见光谱中，另一个引人关注的波段是630～690nm。该波段范围内的低功率产品通常用于指示器和DVD应用中。基于砷化镓（GaAs）晶圆上的铟镓铝磷（InGaAlP）结构的半导体激光器巴条，能够实现高功率半导体激光器，其在630nm的输出功率可达几瓦，在680nm的输出功率最高约达20W。

 这些波长可用于光动力治疗（PDT）、泵浦Cr³⁺:LiCAF/Cr³⁺:LiSAF固体激光器以产生超短脉冲、照明、全息以及显示等诸多领域。在显示应用中，通常是将绿光和蓝光混合使用，以获得白光效果。

光动力治疗与光敏剂一起工作，光敏剂被注射人体用于治疗人体组织。经过很短的一段时间（通常在一小时之内）后，光敏剂会在人体的特殊部位（如肿瘤部位）聚集积累。不同的光敏剂对波长有不同的选择性。通过使用高强度光，光敏剂分子被激活，并且一旦其恢复到基态，可以产生具有高度活性的氧自由基，从而能够破坏周围的细胞组织（如肿瘤细胞）。

 808～976nm这一波段通常被认为是高功率半导体激光器的标准输出波长范围。人们对这个波段的开发研究最久，目前半导体激光器已经能够输出多种波长，用于固体激光器材料的泵浦（见表2）。

表2：用于固体激光器泵浦的一些重要的半导体激光器波长

目前，人们还在针对表2中列出的波长进行功率方面的发展与优化，使其更具可用性。这些波长几乎能够适合各种不同晶体（如Nd:YAG）中的激活离子（在大多数情况下是稀土离子）的各种吸收谱线。

除了泵浦固态激光材料外，在过去的几年中人们还为这些波长开辟出了一些新的应用领域。首先是碱性气体的光泵浦，以便为核磁共振成像（MRI）中的医疗诊断产生自旋极化稀有气体。在这种应用中，铷和氙同位素（Xe¹²⁷）的混合气体，被放入位于高压磁场中的光学单元中。用794.8nm的圆偏振光均匀地照射该单元，铷被激活，然后通过碰撞将其自旋传送到氙同位素的内核。随后，自旋极化的氙同位素可以被冻结，保存自旋极化状态。这个过程被用于MRI中，以显示心脏或肺部的活动情况。为了获得必需的波长，半导体激光器中还采用了温度调谐功能，气态转变所需要的小线宽，可以利用一个布拉格光栅（VBG）使半导体激光器的线宽窄化来实现。

在铷和氙同位素中所产生的现象，也可以在其他碱性气体（如铯）和其他惰性气体（如He³）中产生。碱性气体只是用来产生自旋极化的稀有气体，这是唯一引入到病人体内的元素，在诊断治疗结束后，其对人体不会产生任何负面影响。

 除了泵浦固体激光器外，半导体激光器还能用于泵浦气体激光器，这也是一个重要的应用领域。

当为弹道导弹防御系统建立功率为50～100kW的激光器时，首要的选择就是使用半导体激光器泵浦的固体激光器。然而，在提高功率的同时，热量问题随之也成为了激光增益介质本身的一个重要问题。人们并没有无奈地等待晶体冷却下来再工作，而是想出了一个很简单的好办法——更换激光增益介质。这种方法通过使用气体激光增益介质和高流速泵浦得以实现，因此半导体激光器能够泵浦基于铷（泵浦波长794.8nm）或铯（泵浦波长780nm或 852nm）的碱性蒸汽激光器。其他碱性蒸气激光器正在研究开发中。在这类应用中遇到的困难是：即使借助一种缓冲气体实现压力展宽吸收的情况下，这些气体的光跃迁吸收也较小。因此，必须要采用线宽窄化技术，例如使用VBG或通过分布式反馈（DFB）结构实现内部线宽窄化。^[1]

与国防相关的应用对激光器的需求正在增加，通常这种应用的针对性非常强，因此对激光的功率等指标也都是有特定要求的。基于这种应用的特殊之处，人们可以预先为这类应用开发相应的高功率半导体激光器。

高功率半导体激光器可输出的另一个波长是1064nm。波长为1064nm的半导体激光器除了取代现有的Nd：YAG激光器外，目前人们对这个波长并没有太大的商业兴趣。由于与固体激光器相比，高功率半导体管激光器所提供的光束质量通常较差，并且不能产生超脉冲，因此，1064nm的半导体激光器只能用于取代一些低亮度应用中的Nd：YAG激光器。

目前，高功率半导体激光器的输出波长已经超过了1064nm。对于1210nm波长，其可用于激光辅助吸脂，这种技术就是所谓的破坏脂肪细胞，并且同时收紧皮肤。此外，1320～1380nm（基于InP晶圆）波段的半导体激光器已经可以用于医疗领域，这个波段正是Nd：YAG激光器的输出波长范围。激光对人体组织的作用基于水对光的吸收。有了现在的成熟的1470nm（基于InP晶圆）的高功率半导体激光器，使得半导体激光器与Nd：YAG激光器在这类应用中拥有了可比性。光被人体组织中的水吸收，并使水变热，直到细胞爆裂。这种方法可以用于前列腺治疗中的组织移除。在治疗过程中通过冲洗冷水，不但能为患者减少痛苦，还能带走细胞碎片。^[2]

1470nm是半导体激光器的一个常见波长，其最初主要用于光通信领域，主要是为了实现光纤对光波的最小化吸收，以致于数据能被传输更远的距离。除此之外，1470nm的高功率半导体激光器还开辟出了一些新应用，例如，在医疗设备制造中用于白色聚合物^[3]的塑料焊接；在国防应用中，用于飞机前方的湍流探测；或者用于泵浦掺铒晶体，实现2μm范围的激光波长。

基于磷化铟（InP）的半导体激光器实现了更长的波长，主要有1550nm和1650nm，国防应用对该段波长非常感兴趣。这些波长有时被错误地描述为“人眼安全”波长，因为这些波长已经被眼泪液体吸收。但是需要指出的一点是，任何高功率半导体激光器，都会由于上述水吸收而损害人体组织。

这些波长可用于照明用途或红外线干扰措施（IRCM），在这种应用中，一个来袭导弹的红外目标采集系统，会被一个活跃的高强度信号误导，这将起到保护目标的作用。另一个更加有趣的应用是距离选通激光成像，在这种应用中，激光脉冲（如1550nm波长）与一个门控摄像系统一起使用，该应用对1550nm波长非常敏感。随后，来自不同距离的反向散射光所创建的图像被收集。在这里，通过只拍摄反向散射渡越时间与障碍后面的场景相关的图片，光的渡越时间信息以及摄影抽样可以“穿过”烟雾或伪装网。

去年，m2k-Laser公司已宣布开发出了高功率半导体激光器的一系列新波长。m2k-Laser公司是一家从德国夫琅和费应用固体物理研究所剥离出来的公司，但其目前已经属于Rofin Sinar公司。m2k-Laser用锑化镓（GaSb）晶圆产生边缘发射的固体激光器结构，输出波长范围1800～2300nm。

半导体激光器的输出波长已经能够满足各种各样的应用需求，从医疗设备制造中利用聚合物链固有的电子振动吸收实现透明塑胶焊接，到依赖人体组织中水的更大量的吸收（吸收程度要比980nm高出3个数量级）的外科手术中的直接医疗应用。^[4]这个波长也可用于IRCM或范围选通激光成像等国防应用领域。

1940nm的波长可直接用于照明，取代基于Tm³⁺的固体激光器。另外，用1908nm泵浦Ho³⁺的固态激光晶体将输出大于2100nm的波长，这在国防应用中引起了高度兴趣。

小结

高功率半导体激光器所实现的新的输出波长，开辟出了新的应用天地（见表3）。针对这些波长的进一步的研究调查、改善和优化，将有望实现更高的输出功率或实现更长的使用寿命。

表3：高功率半导体激光器的波长及应用总结

 参考文献

[1] Bernd Köhler et al.: “Wavelength stabilized high-power diode laser modules”; Proc. of SPIE Vol. 7198 (2009)

[2] biolitec AG: www.biolitec.com

[3] Treffert GmbH & Co. KG: www.treffert.org

[4] George M. Hale and Marvin R. Querry:„Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-μm Wavelength Region,“Appl. Opt. 12 (1973) 555