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    [轉(zhuǎn)載]轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體激光器的波長面臨挑戰(zhàn) [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2010-10-13
    關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體激光器波長
    利用非線性光學(xué)的諧波產(chǎn)生和混頻技術(shù),可以對半導(dǎo)體激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換,但是這需要高功率,高光束質(zhì)量和窄線寬。 5z@QAQ  
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    非線性光學(xué)技術(shù)是填補(bǔ)激光光譜空白的有效辦法,它包括簡單的諧波產(chǎn)生和更為復(fù)雜的光參量振蕩器(OPO)。二極管泵浦釹激光器的倍頻使得綠色激光指示器的價格更低、結(jié)構(gòu)緊湊,但是為什么開發(fā)人員不放棄激光泵浦,然后直接通過倍頻的方式來產(chǎn)生所需的波長呢? TLT6z[  
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    綠光激光器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn),MicorVision公司生產(chǎn)的微微投影儀已經(jīng)進(jìn)入市場。但是這并不容易。非線性波長轉(zhuǎn)換不僅需要高的激光源功率,而且需要高的光束質(zhì)量和窄線寬發(fā)射。把這些特性都集中到一臺半導(dǎo)體激光器上并不容易。然而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,第一款產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場,開發(fā)人員還在報(bào)告著更多令人興奮的成果,包括新型激光器設(shè)計(jì)、二極管泵浦OPO、量子級聯(lián)激光器的諧波和差頻的產(chǎn)生。 3}x6IM 2  
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    尋求倍頻的二極管激光器 m=qyPY  
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    對二級管激光器進(jìn)行倍頻的工作起始于上世紀(jì)90年代早期,當(dāng)時二極管已經(jīng)達(dá)到較高的功率水平,但是波長止于紅光。對近紅外二極管激光器的輸出進(jìn)行倍頻,可以得到可見光譜中的短波輸出。針對激光顯示等應(yīng)用,還可使用直接調(diào)制的短波激光器。 WF`  
    41 #YtZ  
    相干公司成功研制出一款名為D3的激光器(直接倍頻二極管激光器),該激光器對860nm二極管激光器的100mW輸出進(jìn)行倍頻,從而生成10mW的430nm波長的藍(lán)光。[1]它使用分布式布拉格反射激光器用于窄線寬輸出,其輸出還需要模式匹配并且相位鎖定到外腔諧波發(fā)生器。這是業(yè)界第一款產(chǎn)品,但是由于沒有找到合適的應(yīng)用而最終退出市場。毫無疑問,部分原因是由于當(dāng)時在日亞化學(xué)株式會社的中村修二成功開發(fā)出了藍(lán)光氮化銦鎵(InGaN)激光器。相干公司最終開發(fā)出了光泵表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器,它可以倍頻輸出可見光,但是其更像固體激光器而非二極管激光器。 Wf>=^ ~`  
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    藍(lán)光二極管激光器的成功,在綠光為中心的可見光光譜中留下了空隙。幾年后,當(dāng)消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)ふ乙环N新技術(shù)用于投影電視的時候,這一問題凸顯出來。如果可以找到合適的530nm激光源,激光背投電視可以提供比平板顯示更好的色域。倍頻釹激光器似乎是一個合理的選擇,但是由于不能按照所需速率直接對其進(jìn)行調(diào)制,因此開發(fā)人員轉(zhuǎn)而尋求倍頻1060nm的二極管激光器或其他激光器,以生成530nm的綠光。隨著背投電視逐漸淡出消費(fèi)電子市場,大多數(shù)項(xiàng)目都因此擱淺,但也有一些項(xiàng)目轉(zhuǎn)向了那些用于移動設(shè)備的微微投影儀。Portola Valley公司的光學(xué)顧問John Nightingale表示,這類應(yīng)用的成本要遠(yuǎn)低于電視應(yīng)用。 O_^ uLp  
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    康寧公司已經(jīng)在剛起步的微投影儀市場上有所開拓。去年該公司推出了一款商用版的投影儀,并為MicroVision公司的Showwx投影儀提供激光器,后者用于iPod和筆記本電腦。康寧公司的綠光激光器對分布式布拉格反射(DBR)激光器的1060nm的輸出進(jìn)行倍頻,該DBR激光器發(fā)射單頻單模激光。該激光器包括三部分:第一部分是DBR光柵,第二部分是相位調(diào)節(jié)器,第三部分是增益介質(zhì)?祵幑咀畛鯃(bào)道的結(jié)果是,通過把紅外DBR輸出激光耦合到周期性極化鈮酸鋰晶體內(nèi)的二次諧波發(fā)生器,可以產(chǎn)生功率最高達(dá)104.6mW的530nm的二次諧波輸出。[2]測試結(jié)果表明,該綠光光源可以在高于投影儀所需的50MHz的速率下進(jìn)行調(diào)制,此后實(shí)驗(yàn)室版本的激光器的綠光輸出功率達(dá)到了184mW。[3] jM;?);Dd  
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    康寧公司去年發(fā)布的第一款商用樣機(jī)可以輸出60mW的激光(見圖1)。2010年5月,該公司發(fā)布了80mW的樣機(jī),并表示其電光轉(zhuǎn)換效率為8%,調(diào)制速率高達(dá)150MHz,可滿足高圖像分辨率的速率要求。 g<s;uRA4O9  
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    圖1:康寧公司的用于微微投影儀的綠色激光器模塊,它只有4mm厚。 A}MF>.!}C  
    圖中顯示了其與智能手機(jī)尺寸的對比 9ve)+Lk  
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    錐形激光放大器 UmOK7SPi  
    Bt(U,nFB  
    另一種生成高效諧波所需的高質(zhì)量、高功率光束的辦法是將單模脊形波導(dǎo)DBR二極管激光器和一個錐形放大器相結(jié)合(見圖2)。德國Ferdinand Braun學(xué)院的Götz Erbert研究小組正在進(jìn)行一項(xiàng)為期五年的研究項(xiàng)目,其目的是開發(fā)在可見光波段、輸出功率僅為數(shù)瓦的小型二次諧波光源,以滿足從照相機(jī)大小的投影儀到精密光學(xué)儀器的一系列應(yīng)用需求。該課題組已經(jīng)生成了980nm、0.012nm線寬、12W功率的基頻輸出,該輸出光束帶有小于15°的垂直發(fā)散角,接近衍射極限。[4]周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)中產(chǎn)生的單程二次諧波的波長為488nm,功率大于1W。該課題組同時也在探索利用非線性光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生從紫外到紅外波段的光源,并與PicoQuant GmbH公司的Sina Riecke合作,生成了531nm、兆赫茲重復(fù)頻率的30ps的脈沖。[5] 0*50uK=5  
    yPT\9"/  
    圖2:Braun學(xué)院研制的錐形放大器包括一個2mm長、4μm厚的脊形波導(dǎo),1mm長的增益區(qū)域以及背面1mm長的分布式布拉格反射鏡。4mm長的放大級錐形角為6° f1X]zk(=W  
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    Braun學(xué)院的課題組同時與Potsdam大學(xué)合作研究耦合環(huán)形諧振器器,用于諧波產(chǎn)生(見圖3)。主要的環(huán)形腔利用慣性諧振鎖定從錐形激光放大器輸出的激光,并將基頻光耦合到一個更小的、包含周期性極化鈮酸鋰晶體諧波發(fā)生器的環(huán)形腔內(nèi)。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了功率310mW、線寬50MHz、電光轉(zhuǎn)換效率為18%的488nm的激光輸出。[6] Qo])A6$IU  
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    圖3:Potsdam大學(xué)和Braun學(xué)院共同研制的用于二極管激光器諧波產(chǎn)生分的耦合環(huán)形諧振器。該諧振器包括頂部環(huán)形腔內(nèi)錐形放大器(TA)、全息衍射光柵(G)、激光二極管(OD)、半波片(HWP)、偏振分光鏡(PBS)、分光鏡(BS)以及數(shù)個透鏡。周期性極化鈮酸鋰諧波發(fā)生器(PPLN)由上下環(huán)腔共用 GpGq' 8|(  
    ldNWdz  
    丹麥科技大學(xué)的Paul Michael Petersen小組利用可調(diào)二極管激光器生成了659~675nm波段、線寬為0.07nm、功率為1.38W的基頻輸出。[7]該輸出值是可調(diào)二極管激光器在這個波段的最高值,通過倍頻可使波長達(dá)到335nm,短于目前紫外二極管激光器的輸出波長。 VCc57 Bo  
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    將高質(zhì)量的近紅外激光器同非線性光學(xué)元件相結(jié)合,可以產(chǎn)生具有更長紅外波長的激光,而在這一波長沒有很好的光源可供使用。通過與荷蘭Twente大學(xué)的合作,Paul Michael Petersen小組從單片二極管放大器中輸出了功率為8.05W、波長1062nm的激光,用其泵浦周期性極化鈮酸鋰晶體的單腔光參量振蕩器。用于信號波的調(diào)諧范圍為1541~1600nm,作為閑頻信號的調(diào)諧范圍是3154~3415nm。閑頻光在3373nm波長時的輸出功率超過1.1W,這是目前為止二極管泵浦OPO輸出的最高記錄。其44%的光光轉(zhuǎn)換效率使總電光轉(zhuǎn)效率達(dá)到14.9%,這是利用二極管泵浦激光器泵浦OPO的7倍。[8] .7r$jmuFs  
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