蓝光激光器

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定义:发射蓝光的激光器。

这里主要讨论发射光在蓝光和紫光光谱范围内的激光器,即发射光波长在400-500nm之间。在这一波段激光增益介质是有限的,并且其性能没有红外光谱区域的好。


蓝光激光器的种类

下面几种是最常见的蓝光激光器:

  1. 蓝光激光二极管[4],通常采用的是氮化镓(GaN)或者其它与其相关的材料(InGaN),辐射波长范围在400-480nm,较难实现高输出功率和长寿命。输出功率可以达到几十到几百毫瓦。目前,这种器件只有很少量的用于商用,比较先进的是Nichia公司,其次是索尼和夏普。这一领域的发展非常迅速,有理由相信蓝光激光二极管会持续在性能和寿命指数上有长足进步,并且能够更加广泛的应用。一个新的发展方向是蓝光VCSELs[11]。
  2. 采用光纤或者晶体材料的掺铥或者掺镨上转换激光器辐射480nm的光,通常输出功率在几十毫瓦,并且光束质量很好。经过发展今后可能得到几百毫瓦甚至几瓦的功率。
  3. 氦镉激光器(也是气体激光器)可以辐射441.6nm的蓝光区域的光,光束质量很好,输出功率为几百毫瓦。
  4. 蓝光或者紫光也可以通过将波长在800-1000nm的激光通过倍频过程(在激光器谐振腔或者腔内)产生。最常用的是掺钕激光器,例如,钕钇铝石榴石激光器发射波长为946nm,钕钒酸钇发射波长为914nm,Nd:YAlO3发射波长为930nm。通常用于倍频的非线性晶体材料为LBO,BiB3O6,KNbO3,以及KTP和 LiTaO3。输出功率可以达到几瓦,即使是在单频工作的情况下,光束质量很好,然而比1微米激光器要稍微困难一些。除了激光器,还可以采用一个光学振荡谐振腔
  5. 高功率光学泵浦VECSELs也是非常好的用于倍频的激光光源,输出功率为几瓦甚至几十瓦。需要注意的是,还有一些半导体激光器,例如大面积激光二极管也可以产生合适的波长,但是由于其线宽更宽,光束质量较差不适用于倍频。然而有些二极管激光器可以得到几十毫瓦的倍频光。
  6. 利用氩等离子体的激光器放大的氩离子激光器也是非常好的激光光源。然而其发射绿光波长514nm可以达到最大的输出功率,也可以发射几瓦特的488nm的光,在458、477和497nm处较弱。任一情况下,这种激光器的功率效率都非常低,因此为了得到几瓦特蓝光输出需要消耗几十千瓦的电能,并且也需要较大的冷却装置。还有更小的空气冷却氩离子激光器管,为了得到几十毫瓦需要消耗几百瓦特。

若波长小于400nm,人眼的灵敏度迅速下降,这属于紫外光区域。需要注意的是,在400nm附近或者稍高于400nm的波长处,视网膜可能通过光化效应而受到损伤,即使光强看起来并不是很高。


蓝光和紫光激光器的应用

蓝光和紫光激光器可以用于干涉仪,激光打印和数码冲印,数据记录,激光显微镜,激光投影显示,流式细胞仪以及光谱测量中。记录数据是蓝光激光二极管发展的主要动力。大多数情况下,蓝光和紫光激光器的发展受短波长激光器发展的推动,因此能够实现很强的聚焦或者在成像应用中分辨非常精细的结构。


参考文献

[1] R. W. Wallace and S. E. Harris, “Oscillation and doubling of the 0.946-μm line in Nd3+:YAG”, Appl. Phys. Lett. 15, 111 (1969)

[2] T. Hebert et al., “Blue and green CW upconversion lasing in Er:YLiF4”, Appl. Phys. Lett. 57, 1727 (1990)

[3] T. Hebert et al., “Blue continuous-pumped upconversion lasing in Tm:YLF”, Appl. Phys. Lett. 60, 2592 (1992)

[4] S. Nakamura et al., “InGaN-based multi-quantum-well-structure laser diodes”, Jpn. J. Appl. Phys. 35, L74 (1996)

[5] D. G. Mathews et al., “Blue microchip laser fabricated from Nd:YAG and KNbO3”, Opt. Lett. 21 (3), 198 (1996)

[6] R. Paschotta et al., “230 mW of blue light from a Tm-doped upconversion fibre laser”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 3 (4), 1100 (1997)

[7] M. Ghotbi et al., “High-average-power femtosecond pulse generation in the blue using BiB3O6”, Opt. Lett. 29 (21), 2530 (2004)

[8] Z. Sun et al., “Generation of 4.3-W coherent blue light by frequency-tripling of a side-pumped Nd:YAG laser in LBO crystals”, Opt. Express 12 (26), 6428 (2004)

[9] M. Ghotbi and M. Ebrahim-Zadeh, “990 mW average power, 52% efficient, high-repetition-rate picosecond-pulse generation in the blue with BiB3O6”, Opt. Lett. 30 (24), 3395 (2005)

[10] Q. H. Xue et al., “High-power efficient diode-pumped Nd:YVO4/LiB3O5 457 nm blue laser with 4.6 W of output power”, Opt. Lett. 31 (8), 1070 (2006)

[11] T.-C. Lu et al., “CW lasing of current injection blue GaN-based vertical cavity surface emitting laser”, Appl. Phys. Lett. 92, 141102 (2008)

[12] Z. Quan et al., “13.2 W laser-diode-pumped Nd:YVO4/LBO blue laser at 457 nm”, J. Opt. Soc. Am. B 26 (6), 1238 (2009)



参阅:激光器绿光激光器红光激光器激光二极管倍频紫外激光器