激光发射

关键词： 激光 发射 试验

激光发射（精选六篇）

激光发射 篇1

美国波音公司于2008年5月13日在新墨西哥州的Kirtland空军基地进行的一次测试中, 首次成功地进行了C-130H飞机机载高能化学激光发射试验.这次试验是以高功率激光器为主体的ATL系统, 在飞行中对地面进行了打靶试验, 验证了其军用效能.ATL系统的直径为1.27 m的激光旋转炮塔从机腹伸出, 发出宽度约10 cm的激光束, 并在15 km的战术距离内命中地面目标.ATL系统可在几分钟内结束战斗, 在人口稠密地区或城市作战条件下将发挥重要的作用, 可以最大限度避免平民伤亡, 对敌人予以“点杀”.ATL是美国导弹防御局开发的机载激光系统 (ABL) 的补充.

垂直腔表面发射激光器的研究 篇2

随着光纤通信系统不断向着高速率、大容量方向演进,低成本、高性能的光源在系统中的重要作用日益显现出来。目前,光纤通信系统中应用的光源多为边沿发射型激光器,如分布反馈(DFB)激光器等。此类光源的成本相对较高,且存在体积较大,难以制造成半导体阵列等缺点。垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSEL)的出现很好地解决了上述问题。VCSEL是一种出光方向垂直于谐振腔表面的激光器,它由此具有了边沿发射型激光器所不具备的众多优势:VCSEL可以在制造过程中直接在芯片上进行品质的测试,并根据测试结果及时进行故障排除,从而大幅度降低了批量生产的成本;VCSEL具有较大的激光出射孔径,且输出光束具有一个较低的发散角,因此易于与各类光纤(单模、多模、塑料)进行耦合;VCSEL可以制造成一维或二维的激光器阵列组,从而提供快速高效的光纤并联传输。

1 VCSEL的基本结构和出光原理

典型的VCSEL一般由衬底、有源区、高反射率分布式布拉格反射器(DBR)以及金属镀层等几部分组成。有源区夹在上下两个DBR之间。上下两个DBR的镜面分别为p型和n型。DBR由一定数目的、厚度为λ/4(λ为出射光的波长)的高折射率物质层和低折射率物质层交替生长而成。这两个DBR需要具备极高的反射率(>99%)。有源区由多个量子阱组成,量子阱的数目一般为2~4。金属镀层一般位于反射镜上方,以增强DBR的光反馈作用。在器件的最下方一般是以GaAs为材料的衬底。

当VCSEL开始工作时,一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源区,由于光谱范围较宽,VCSEL将发出多束空间相位不匹配的非相干光。当注入电流逐渐接近并达到阈值电流值时,相干性极高的光束经上下反射镜进行多次反射后由激光器的顶部或底部射出,这主要取决于衬底对出射光的透明性等因素。

2 VCSEL制造工艺水平

面发射激光器的概念是由日本的伊贺健一等人于1977年提出的,该课题组在此后对面发射激光器进行了较为深入的研究。1986年,该课题组研制的阈值为6 mA的脉冲式工作GaAs面发射激光器以嵌入式构造问世[1]。紧接着,在1988年,伊贺健一采用由金属有机化学气相淀积法制造的GaAs面发射激光器第一次成功地实现了室温下的连续运行[2],从而使该技术真正实现了在光器件方面的应用。自伊贺教授发明VCSEL以来,全世界众多的科研工作者在该器件的制造工艺上进行了大量深入细致的研究,在以下制造工艺方面取得了一定程度的进展:

阈值电流:阈值电流较低是VCSEL相对于边沿发射激光器固有的优势,但最初研制的VCSEL阈值电流仍然较高(几百mA),激光器很容易损坏。随着研究的进一步深入,人们发现谐振腔的长短对阈值电流的高低起着至关重要的作用,此后,阈值电流继续不断降低,到20世纪90年代已降低到了亚微安数量级。

DBR:传统的GaAs基VCSEL所用的布拉格反射镜材料为GaAs/AlGaAs,该材料折射率大且导热性良好。但此种材料不适合应用于长波长VCSEL的制作,为此需要寻找新的材料。研究人员发现,InGaAsP及AlGaInP非常适合应用于以InP为基片的长波长VCSEL中。结合上述两种材料各自的特点,V.Jayaraman等人在1 320 nm的VCSEL中实现了134 ℃的连续激射[3]。同时,Lin等人采用InP/空气隙材料制造了高反射率的布拉格反射镜,并在1 550 nm波长处获得了85 ℃的连续激射[4]。

3 各波段VCSEL研发现状

3.1 850 nm波段VCSEL

目前,短波段850 nm VCSEL的相关技术已经非常成熟,已经进入大规模实用化阶段。此波段VCSEL也是目前市场上应用最多的产品。由于波长较短且输出功率不高,850 nm VCSEL更多地应用在短距离光纤通信以及无线光通信系统中。利用该器件制造的VCSEL阵列也被广泛地应用在光纤局域网以及光信号储存等领域。

3.2 980 nm波段VCSEL

该波段VCSEL的有源区所选取的材料一般为InGaAs,而衬底的材料多为GaAs。选择氧化法被应用在此类器件中,以限制阈值电流。研究人员遇到的一个难题是:当980 nm VCSEL应用于高速传输时,器件将产生较大的热阻抗,从而限制了带宽的进一步增加。A.N.AL-Omari等人利用一项叫做镀铜热沉的新技术将热阻抗降低到一个较低的水平,顶部发射980 nm VCSEL的热阻抗被降低到1.0 ℃/mW,使带宽增加了近40%[5]。该波段VCSEL可被广泛应用在高速光传输和半导体电子元器件的光检测中。

3.3 1 310 nm波段VCSEL

由于1 310 nm是光纤通信两个长波长、低损耗窗口之一,因此对该波段器件的研究引起了科研人员的广泛关注。该波段采用的有源区/衬底材料多为GaInNAs/GaAs以及GaInAsP/InP。研究人员在该波段遇到的难点是:p型材料在1 310 nm处会吸收比短波长处更多的光,因此造成了激光出射较为困难。

由于1 310 nm VCSEL处于光纤的低损耗和低色散窗口,因此可应用于高速长距离光通信和高速光互连等领域。随着该波段激光器的进一步研发改进以及成本的进一步降低,1 310 nm VCSEL将有可能取代目前应用较多的850 nm VCSEL,并在光通信系统中起到与F-P激光器、DFB激光器同等重要的作用。

3.4 1 550 nm波段VCSEL

上世纪90年代初,人们开始了对长波长、低损耗1 550 nm波段VCSEL的研究。1 550 nm VCSEL通常选用InGaAsP/InP作为制造材料。但InGaAsP/InP半导体存在以下不足[6]:价带间吸收和俄歇吸收一般较大;InGaAsP和InP的折射率差较小,并非制造半导体布拉格反射镜的最佳材料;InGaAsP和InP在导带上的势垒较小,特别是在载流子密度增大时很难有较好的温度特性。

基于上述原因,研究人员致力于开发新材料以替代InGaAsP/InP。伊贺教授的研究组采用将AlGaInAs镀于InP衬底之上,并采用AlAs选择氧化法等方式,在条形激光器上进行了测试[6]。测试结果表明,与InGaAsP/InP材料相比,AlGaInAs和InP能够进行更好的晶片匹配,它们之间的折射率差较大,很适合作为半导体布拉格反射镜的制造材料。这种材料组合具有良好的研究价值,应用前景将十分广阔。

1 550 nm波段的激光器在光通信系统中占据着非常重要的地位,而1 550 nm波段VCSEL的出现很好地解决了目前所用激光器低成本与高性能之间的矛盾。随着1 550 nm波段VCSEL的进一步发展,它将在长距离、超宽带高速光纤通信系统中成为骨干网和城域网中不可或缺的器件。

4 VCSEL的应用领域

4.1 用作光纤通信系统的光源

由于短波长VCSEL的输出功率不高,因此只适用于短距离(几百米)、低速有线或无线通信系统中。而用于骨干网或城域网的光源通常要求输出功率较大,因此,1 550 nm波段VCSEL比常规的850和1 310 nm波段VCSEL更适合长距离大容量光纤传输。目前,在光纤通信系统中广泛应用的特定波长激光器,如DFB激光器等,往往造价不菲;而1 550 nm波段VCSEL则被认为是下一代网络中不可或缺的低成本、高性能的稳定光源。最近的研究成果表明,1 550 nm波段VCSEL可以成功地用在2.5 Gbit/s单模和多模混合光纤传输系统中。实验结果显示,对于主要基于单模光纤的广域网及基于多模光纤的大楼和家庭网,1 550 nm波段VCSEL将是一种十分有效的光源[7]。

4.2 用作光互连中的光源

随着信息实时传输处理速率的进一步提高,传统的电互连已经成为脉冲速率进一步提高的瓶颈。而具有高带宽、抗电磁干扰能力强等特点的光互连正在成为信息高速传输的新型载体。鉴于VCSEL具有低成本高性能的特点,VCSEL非常适于应用在光并行互连中。

VCSEL具有顶部出光的特点,且单片VCSEL的体积非常小,较传统的边沿发射型激光器更易形成二维阵列以制造并行光收发模块。此种大规模集成化VCSEL阵列是目前较为前沿的研究方向。

5 结束语

在从VCSEL概念提出至今的近30年中,全球各国的科研工作人员都在致力于VCSEL器件制作以及应用开发等方面的研究。其中,日本和美国走在世界的前列。在近几年的OFC会议上,不断有关于VCSEL的报道,其中有VCSEL器件全新的制造工艺,也有VCSEL用在高速长距离光传输中的最新研究成果。在国内,众多的科研机构诸如中国科学院半导体研究所和北京大学等都在进行VCSEL的研究,并取得了一定进展。

VCSEL的研发已经相对成熟,且被广泛应用在计算机与光信息处理、高密度光信号储存、激光打印和显示照明等领域。尽管如此,作为下一代光通信系统中重要的单波长光源,1 550 nm波段VCSEL还有待进一步改进。该器件目前的制造成本仍然较高,与目前使用的DFB激光器等相比不具备绝对的价格优势。相信随着制造工艺的进一步成熟以及市场需求的进一步扩大,各波段 VCSEL将具备良好的研发和产业化前景,并在光通信的不同领域发挥更大的作用。

摘要：垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种应用于光纤通信系统的低成本、高性能的特定波长光源,它具有测试简单、易耦合以及易形成阵列等独特优势,已在光并行互连及高密度光存贮等领域得到大规模应用。文章介绍了VCSEL的结构和当前的制造工艺水平,阐述了各波段VCSEL的发展和应用现状,探讨了VCSEL在不同领域中的应用范围并指出了VCSEL的发展前景。

关键词：垂直腔表面发射激光器,分布式布拉格反射器,光互连

参考文献

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激光发射 篇3

高能激光发射系统技术难度大,研制周期长,并有一定风险。要研制出实用有效的高能激光发射系统,需解决的关键技术问题还很多,激光束的监测和系统的装调就是其中之一,它是决定从激光发射结构出射的激光束能否准确且持续稳定地照射在目标上的重要因素。装调可以使系统在最接近设计的状态下工作,通过对光束的动态监测,实时检测光束的角度偏移并用快速两维可控微调反射镜对其进行补偿,有效抑制了激光束的角漂移[1]。

因为大多数高能激光束的波长比较长,而且能量高,以CO2激光发射系统为例,波长为10.6µm,功率可达万瓦,所以无法用常规的光电探测器,如CCD等进行接收,这就使得对高能激光发射系统的光束进行直接监测和对整个系统直接进行装调非常不容易实现。

本文采用间接测量[2]的方法,设计了一个光束监测系统,通过对激光谐振腔出射镜的倾斜角度进行监测,获得高能激光束的角度偏移量。在对整个系统进行装调时,使用了一个光路切换镜,将He-Ne激光束切换进发射光路,从而用He-Ne激光束代替高能激光束来完成整个系统的装调。间接测量方法的使用,降低了高能激光发射系统对光束监测和装调所使用的光学元件、电子器件的要求,而且避免了装调时高能激光束对人员或光机电结构造成的损伤,在提高精度的同时降低了成本。最后,对CO2激光发射系统的光束监测与装调的精度进行了误差分析,分析结果表明,使用本方法装调后,两光轴平行度误差可达到15.9″,满足设计指标的20″。本方法的优点是光路简单、装调方便。不仅适用于系统出厂前的初始装调,而且可以实现系统出厂后特别是外场使用时的快速装调,解决了发射系统出现精度问题后都必须返回生产单位,用专用设备进行检测和校正的问题。光束监测系统除了对高能激光束进行动态监测外,还参与了整个系统的装调,提高了设备的利用率。

2 系统组成

高能激光发射系统主要由光学平台与能源辅助系统、高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制发射系统组成。高能激光器是系统的核心,它用来产生高光束质量的高能激光束。精密瞄准跟踪系统对目标进行捕获、跟踪、瞄准并引导光束控制发射系统使发射望远镜准确地对准目标。由于高能激光发射系统是靠激光束直接发射到目标并稳定地停留一段时间而产生作用的,因而对跟踪发射的反应速度和精度要求很高。光束控制发射系统的作用是根据跟踪测量系统提供的目标、方位、距离等数据,将激光束扩展到较大口径快速、准确地发射出去。精密瞄准跟踪系统和光束控制发射系统一般安装在同一跟踪架上,统称为跟踪发射系统。另外,激光系统需要安放在一个稳定的光学平台上,无论是放在地面还是车载,都要提供一个保证光学系统稳定工作实现精确跟踪瞄准的稳定光学平台,还需要有为全系统提供能源和运行的辅助设备[3]。

3 光束监测

光束监测是指对从激光谐振腔出射镜出射的激光束的方向进行的实时检测。这是由于为了达到减震的目的,高能激光器和平台之间一般采用非刚性连接,这样就造成高能激光器容易受外界因素的影响,导致进入跟踪发射系统前的激光束产生微小的角度偏移,所以为了保证跟踪发射系统和高能激光器之间的精密对准,且在动态跟踪过程中保持高的对准稳定性,达到角秒级,设计了一个激光束监测系统,该系统可实现动态监测激光束的角度偏移量,为后续光路中的快速两维可控微调反射镜提供补偿量。

高能激光束的波长比较长,常规的光电探测器满足不了接收要求,考虑到激光束总是垂直于谐振腔镜出射,所以通过监测谐振腔镜的倾斜角度来间接监测激光束的角度偏移量是可行的。

动态测量小角度的方法[4]很多,有圆光栅测角法、自准直法、全内反射差动探测法、干涉测量法等。其中激光自准直法是以激光束投射到被测物体上,通过入射与反射光束间的横向位移变化量来测得物体的转动微角度。结合对准精度和结构大小以及成本的要求,光束监测系统决定采用激光自准直法。自准直法简单、易行,只要被测量物体与探测器之间的距离适当,可获得很高的测量精度和分辨率。

光束监测系统[5,6,7]如图2所示,系统主要由波长为0.632µm的He-Ne激光器、小孔光阑、分束镜、反射镜、小反射镜、会聚镜头和CCD接收器组成。系统工作原理:在激光谐振腔出射镜的边缘安装一块小反射镜,小反射镜的法线与谐振腔出射镜的法线平行,调节光路中的分束镜和反射镜使得从He-Ne激光器发出的激光经小反射镜反射后,光斑位于CCD光束位置传感器中心,以此作为原点O。这样,当高能激光束发生α角度偏移时,小反射镜和谐振腔出射镜就会产生α角度的倾斜,从小反射镜反射回来的光束将发生2α角度的变化量,成像在CCD靶面上,其光点中心距原点距离为H,通过图像处理和CCD像元计数求出H,代入公式α=1(/2)arctan(H/f′)(f′为聚光镜头焦距),便可以求出激光束的偏移量α。

4 系统装调

高能激光发射系统的装调主要包括发射光路装调和光轴平行装调。发射光路装调的目的是为了保证高能激光束始终沿发射光路中心发射出去,这是由于当高能激光束偏离发射光路中心时,出射光束的质量会下降,光束偏离还会使光路中的机械结构因为热辐射而产生热变形,增加了系统的误差。光轴平行装调是指激光发射光路和红外/可见探测器视轴之间的平行度装调,这是保证高能激光束沿跟踪测量轴精确地发射到跟踪目标上的关键。

4.1 发射光路装调

发射光路主要由扩束光路和库德光路组成,装调方法如图3所示。在装调发射光路时,首先,应保证激光谐振腔镜上固定的小反射镜法线方向代表高能激光束方向;其次,应保证光束监测光路已调好。当以上两个条件满足时,把光路切换镜和靶标镜切换到工作位置,用He-Ne激光器发出的激光束代替高能激光器的光束来装调发射光路,调整库德光路和扩束光路中反射镜的位置,使在转动垂直轴和水平轴的时候,激光光斑始终位于靶标镜的中心,从而保证了高能激光束始终从窗口镜中心发射出去。

这种装调方法克服了高能激光不可见的弱点,用靶标镜代替了以前的热敏纸,提高了装调精度。靶标镜和发射光路的窗口镜具有互换性,使用时可快速换上。光路切换镜相当于一个90°反射镜,工作时切进光路,不工作时切出。

4.2 光轴平行装调

为了完成光轴平行装调,专门设计了一个装调辅助系统[8],它和前面提到的靶标镜、窗口镜也是可以互换的,系统应用了折反射式平行光管的原理,目的在于产生两束不同波段平行光A和B的同时,可以有效减小体积和减轻重量。装调辅助系统如图4所示。

在激光发射光路调好后,去掉靶标镜,将装调辅助系统安装好,先通过调节装调辅助系统的微调螺钉,使得通过激光发射光路的平行光B成像于光束监测系统中的CCD中心,此时证明从装调辅助系统发出的两束平行光A和B平行于上一步已经装调好的激光发射光路。然后再调节可见/红外探测器的光路,当通过可见/红外探测器光路的平行光A成像于可见/红外探测器CCD中心时,证明该光电探测器的视轴和激光发射光轴平行。用同样的方法可装调其它光电探测器视轴和激光发射光路的平行。

5 精度分析

结合CO2激光发射系统的具体参数分别对光束监测和装调的精度进行分析。影响精度的因素很多,这里只对主要因素进行保精度估计。其中光电探测器视轴与激光发射光轴之间的平行度装调精度是整个激光发射系统保精度工作的关键指标,将作为分析的重点。根据设计指标,光轴平行度误差应控制在20″以内。

光束监测和装调的精度主要由光机系统精度和电子学系统精度两部分组成。光机系统精度主要受机械加工、光学件加工及装配精度的影响。电子学系统精度主要受CCD测量精度和图像判读精度的影响。在分析时必须对数据归类,主要将数据归为以下两类,均匀分布和正态分布。CCD的测量误差和图像判读误差可视为均匀分布,机械和光学调整制造等各项误差都视为正态分布[9]。当误差服从正态分布时,σ=∆/3(∆表示误差,σ表示相应的标准偏差);当误差服从均匀分布时,。在对误差进行合成时,不考虑扩束结构对误差的缩小,认为各项误差相互独立,并且对总误差的贡献相同,各误差传递系数(即权重)均为1,相关系数均为0。表1列出了主要误差项的来源、分布形式和标准偏差的大小。

5.1 光束监测误差分析

影响光束监测误差的因素主要有误差项1和误差项2。第1项误差1∆=5′,为设计要求指标;因为光束监测系统组件在使用前已装调好,组件中的所有光学和机械零件的位置都已固定并且在使用时不动,所以在分析误差项2时,光机系统误差可以忽略,主要考虑CCD的测量误差∆21和利用重心法求光斑位置的误差∆22。式(1)给出了∆21和∆22的计算公式:

式中:n为像元数;a为像元尺寸;ρ′=206265为弧度转换为角秒时的转换系数;f′为会聚镜头的焦距值。CCD的测量误差n21=0.2个像元,利用重心法求光斑位置的误差n22=0.5个像元,a=6.5µm,f′=300mm,代入(1)式求得∆21=.162′,∆22=3.61′,。光束监测误差的标准偏差合成为

5.2 发射光路装调误差分析

影响发射光路装调误差的因素主要有误差项1~5,误差项1和2上面已分析;第3项误差3∆=5′,为实测值,主要受重复精度影响;第4项误差4∆=10′,主要包括垂直轴、水平轴的晃动误差和库德镜的装调误差;误差项5的大小5∆=arctan(bl)。式中:b=.01mm为光斑中心与靶标镜中心十字刻划线重合度的判读误差;l=3500mm为发射光路的总长,求得5∆=.59′。发射光路装调误差的标准偏差合成为

5.3 光轴平行装调误差分析

影响光轴平行装调误差的因素主要有误差项1~4和6~9,因为在装调两光轴的平行度时,把靶标镜换成了平行度装调辅助系统,所以靶标镜没有参与光轴平行度的装调,第5项误差对光轴平行误差没有影响;误差项1~4在前面已经分析过;误差项6和9同误差项2的分析方法相同,计算公式同式(1),第7项误差7∆=2′为装调辅助系统的设计指标,第8项误差8∆=1.5′,主要是机械光学零件变形引起的误差。光轴平行装调误差的标准偏差合成为

从以上的误差分析可以看出,光轴平行装调误差的标准偏差σC为5.3″,把它视为正态分布,则∆C=3σC=15.9′<20′,满足设计指标。

6 结论

高能激光发射系统正处于从实验研究向批量生产转变的阶段,已有的装调方法成本高,工序复杂,装调周期长,满足不了批量化要求。间接测量方法的使用,克服了CCD等常规光电探测器的限制,降低了高能激光发射系统对光束监测和装调所使用的光学元件、电子器件的要求,提高精度的同时降低了成本,并且可用于外场。精度分析结果表明,在CO2激光发射系统装调时运用此方法,光轴平行装调精度可以达到15.9″。

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激光发射光谱法在检测水质中的应用 篇4

世界上对原子光谱分析最早的认识是在1825年Talbot将锶盐加到火焰中观察焰色的变化。所谓光谱分析, 实际仅包括原子光谱分析中的原子发射光谱分析。原子发射光谱分析是由于各种原子结构的不同, 在光源的激发作用下, 都可以产生自己的特征光谱, 其波长由每种元素原子的性质所决定, 即样品经激发、摄谱, 在谱片上有几种元素的谱线出现, 就证明该样品含有这几种元素。原子吸收光谱分析是20世纪50年代原子光谱分析的重大进展, 其工作原理是样品溶液经雾化、脱溶剂、熔融、蒸发、解离等一系列原子化过程变成基态原子, 基于基态原子对特征光谱的吸收程度而建立的。原子荧光是原子蒸汽受具有特征波长的光源照射后, 其中一些自由原子被激发跃迁到较高能想然后去激发跃迁到某一较低能态而发射出特征光谱的物理现象。各种元素都有特定的原子荧光光谱, 据此可以辨别元素的存在, 并根据原子荧光强度的高低可测得试样中待测元素的含量。这里我采用原子发射光谱分析法对各种样品进行检测。

2、原子发射光谱分析的原理

原子发射光谱分析将样品引入光源 (也称激发光源) , 在光谱分析区, 被分析元素 (分析物, analyte) 形成自由原子及离子, 其中一小部分原子及离子被激发为激发态, 由激发态粒子所辐射出来的光, 经照明系统进入光谱仪而被分解为光谱。根据光谱中分析线的波长和强度, 作组分元素的定性分析和定量分析。原子光谱分析中, 试样中各种组分都是以分子的形式进入分析区的。这些分子必须转变为自由原子或离子, 才会有原子光谱跃迁。分子转变为原子和离子的过程叫做原子化, 是原子光谱分析的基本机理过程。在分析区, 试样经历一系列过程:组分蒸发为气体分子, 气体分子解离为原子, 部分原子电离为离子, 原子与离子获得能量而被激发, 激发态原子或离子辐射出光子等。自由原子或离子产生的光谱呈线状, 称为线光谱。

原子发射光谱分析的原理如图1所示。

2.1实验材料

2.1.1实验采用的样品

内蒙古通辽市的自来水。

2.1.2实验仪器

纳秒脉冲激光器一台、直角三棱镜一个、铁架台一个、量杯一只、照相纸若干张、电脑一台、光纤探头一个 (是由两个不同波段组成的复合光纤, 波段1:190nm～360nm;波段2:360nm～51 0nm) 。

2.2实验方法

2.2.1纳秒脉冲激光器的光路校准

(1) 调整光路的准直

用半导体激光器调节纳秒脉冲激光器使光路准直。在此过程中, 主要调节各个透镜之间的位置、高度及角度, 使得纳秒脉冲激光器能出射较大强度的光。

(2) 调节激光器的出射光斑

静态输出纳秒脉冲激光, 设置各个参数, 为方便探测选择测量周期为1S, 微微调节激光器中平面反射镜的角度, 用照相纸去检验, 将脉冲激光调至动态并打在黑色照相纸上, 观察纸上的光斑, 直至打出的光斑为中心强度最大, 四周均匀分布。

2.2.2摆放光学仪器使出射光线能垂直入射于样品

主要是考虑到在测水样时, 剩水的量杯是由玻璃制成, 为尽可能减少实验误差所以让纳秒脉冲激光器所发射的激光能垂直入射到盛有样品的量杯中, 由于在检测样品时使用的是动态光, 能量很大, 且在激光打到样品前经过透镜的会聚作用, 使光强最大的一点 (即焦点) 刚好打在样品表面, 能量更集中于这一点上, 用普通的平面反射镜将出射光反射时, 只需几秒便会将镜面后镀的铝镆击穿, 使大量的光没被反射而直接透过, 所以最后选用了直角三棱镜, 利用它的全反射, 使入射光经全反射后垂直出射, 再经透镜会聚在样品表面。

2.2.3寻找激发后的光谱线

用相应软件和光纤探头检测反射光, 并找出最好的谱线, 记录数据, 并经一系列的处理得到Excel图表, 对光谱图进行定性分析, 在谱线库中找出样品中所含的各种元素, 再可根据光谱的能量值进行定量分析, 得出各种物质在样品中所含比例。用光谱方法作定性分析虽然有显著的成效, 但是进行定量分析还是有困难的, 困难在于样品的光谱中, 谱线强度随着光源激发条件的变化而强烈地变化。所以这里我们只对样品做定性的分析。

3、实验结果

用原子发射光谱法检测自来水:先获取样品——内蒙古通辽市的自来水, 将其倒入量杯至近杯口处, 因为探头的探测范围有限并相对很小, 所以在探测激发光谱时, 应该离激光打出的动态光的反射光很近, 探头离会聚点的距离L很小 (L<1cm) , 但又不能过近, 为了避免光纤探头被激光打到, 造成损伤。同时要注意在测量前先用半导体激光器调节样品上面会聚透镜的位置, 使得光线刚好会聚在样品的表面, 这样能让出射的激光较大能量集中在样品表面上, 更有利于寻找激发光谱, 并激发的谱线的辐射强度相对较大, 对检测样品水所含的元素的亦更有利。对自来水样品进行多次测量, 比较找出其中最好的一幅光谱图, 分别将两个波段的光谱图分开进行分析。

3.1水样在190nm到360nm波段1的激发光谱

自来水样品波段1的光谱图如图2所示。

如上图所示, 曲线的平滑性不是很好, 且特征波长有点偏少, 但总体来讲还是可以看出激发光谱的整体是有上升的, 所以还是一个算可以的光谱图。在进行图片处理时需要将图形X轴先放大, 比如先看200nm～240nm, 这样可以在这波长段40nm里找出若干个相对较锐的峰, 记录对应峰值与辐射强度, 并在美国国家数据库里查找该特征波长的相应元素, 并进行大量的比较平均, 得到确定的特征谱线及其相对应的元素。

从表1可以看出光纤波段1测得自来水样品中可能含有的元素分别有CⅢ、WⅡ、NiⅠ、EuⅡ、XeⅣ等。

所做出的光谱图是一个表示波长与辐射强度之间关系的二维曲线图。其中, 横轴表示波长, 单位是纳米 (n m) ;纵轴表示探测到的激发光谱的辐射强度, 数值越大表示该波长处相对的元素在该样品中所含的比例越大, 用于在光谱分析技术中做定量分析。由于时间关系, 本文只对样品进行定性分析, 定量分析可在以后有机会或有可能的话, 再进行补充。

3.2水样在360nm到510nm波段2的激发光谱

自来水样品波段2的光谱图如图3所示。

如上图所示, 曲线的整个形状很好, 且特征光谱很多, 且辐射强度相对来说也处于适中位置, 线光谱比较清晰, 对定性分析时寻找较锐谱线的难度降低很多。总体来讲是在这么多的探测中做的相对较好的一幅图。在进行图片处理时同样需要将图形X轴先放大, 但可以看得相对宽一些, 比如先看360nm～440nm, 这样可以在这波长段80nm里找出若干个相对较锐的峰, 记录对应峰值与辐射强度, 并在美国国家数据库里查找该特征波长的相应元素, 对数据的处理可以通过对多组自来水样品的激发光谱图进行大量的比较和平均, 得到确定的特征谱线找出其相对应的元素。

从表2可以看出光纤波段2测得自来水样品中可能含有的元素分别有XeⅢ、FeⅣ、R bⅡ、CeⅠ、ScⅠ、WⅠ、BaⅠ、FeⅠ等。

4、讨论

4.1对样品的定性分析

对上面内蒙古通辽市自来水所激发的光谱图所作的定性分析可以知道, 检测到的自来水样品中可能含有的元素分别有XeⅢ、FeⅣ、RbⅡ、CeⅠ、ScⅠ、CⅢ、WⅡ、WⅠ、BaⅠ、NiⅠ、EuⅡ、FeⅠ、XeⅣ、PrⅡ等。我们对自来水进行检测的主要原因是自来水现在基本上是作为我们的生活用水, 如果其中含有大量的重金属元素的话, 将对我们的身体造成极大的伤害, 所以检测自来水中对人体有害的物质使我们未来的生活更加美好[1,3]。从本次检测结果来看, 水样中没有那些种对人体影响很大的重金属元素, 所以我们可以放心使用。

4.2实验的不足之处

一是由于光纤探头条件的限制只能测到波长在200nm到510nm的光谱, 若有更好的探头, 相信可以测到的元素远不止这么几种。

二是对实验数据的处理只进行了定性分析而没有进行定量分析, 不能测得元素在样品中所含的比例。

摘要：水是人类赖以生存的主要物质之一, 生存地的淡水质量直接影响着人类的健康, 因此, 精确的检测水中所包含的成份有着重要的意义。本文利用原子发射光谱分析法检测了内蒙古通辽市的自来水水质, 准确的检测到了其中所含的元素成份, 为进一步客观的研究分析通辽地区的水质奠定了物理基础。

关键词：光谱分析,原子发射,辐射强度

参考文献

[1]刘克玲.原子光谱学进展的综述[J].光谱学与光谱分析.2005.25 (1) :95～103.

[2]王多加, 周向阳, 金同铭等.近红外光谱检测技术在农业和食品分析上的应用[J].光谱学与光谱分析.2004.24 (4) :447～450

激光发射 篇5

激光近程探测是随着激光技术的进步而迅速发展起来的新型探测技术。脉冲激光对目标的探测与识别是激光近程探测技术迫切需要解决的关键点，而目标的表面反射特性是激光近程探测高效毁伤与精确打击的主要瓶颈之一[1]。本文基于此研究背景，对905nm脉冲激光近程探测的发射和接收系统样件进行了制备，并进行了相关实验。

1 目标反射特性建模

激光近程探测情况下，激光光斑往往比目标表面小[2]。当激光束面积小于目标面积，来自反射激光辐射的被照目标的接收回波功率PS为:

式中:LT是来自目标反射辐射的光谱辐射亮度;AT是在目标上的激光点的面积;ΩD是光学接收孔径立体角。LT辐射亮度是:

式中:PL是激光峰值功率;TT是发射光学的传输系数;ρT是目标反射率;θL是目标表面与激光束之间的角度;βT是激光束发散角;RT是在激光和目标之间的距离。

在目标上的激光束表面面积AT为:

立体角ΩD为:

将式(2)、式(3)、式(4)带入式(1)，整理得到接收回波功率PS如下:

根据响应度的定义及电路的增益倍数，可以得到回波电压与接收回波功率的关系为[3]:

其中:G为电路增益倍数;Re为光敏元件响应度。

2 发射和接收系统样件制备

假设激光光斑完全落在目标表面，则由式(5)可知接收光功率的大小与D2、ρT、TT、TR、TF、e-σ(λ)(RL+RM)、cosθ成正比，与RM2成反比。为指导探测仿真系统设计，首先需要对接收光功率模型中的各参量取值进行讨论，并以此为依据进行机械实物样件中各部分最优化参数设置。

发射系统的结构如图1所示，激光光束通过聚碳酸酯(PC)透镜进行准直。PC是一种综合性能优良的非结晶性聚合物，能在-135℃～+120℃温度范围内保持较高的机械性能，抗冲击、延展性好，能满足探测系统工作的复杂环境要求。其透射率与入射光线波长、透镜厚度有关[4]，如图2。在正常工作温度下，聚碳酸酯对波长为905 nm的激光透光率TT为88%。图3为发射系统结构实物图。

接收系统机械结构实物图和三维图分别如图4和图5。接收光学系统的透过率TR为聚碳酸酯透光率88%。接收光路中使用了905 nm窄带滤光片，工程用滤波片要求中心波长具有优良的稳定性、峰值透光率高、膜层具有良好的均匀性与牢固度[5]。本文所用滤光片中心波长λ为905 nm±5 nm，半带宽Δλ/2=30 nm，波长透过率曲线如图6，则滤光片透过率TP=TMAX=95%。

发射系统中发射透镜采用压板法固定，由螺纹压环旋紧，固定在发射外筒的内台阶上;发射电路板和激光器通过胶木垫固定在发射外筒的内腔里;压盖从外筒后方旋入，限位发射电路板的移动。内部除激光器各件间连接处加封硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂等高分子聚合物材料，防止光路焦点的偏移及对上电路进行隔离保护。发射系统实物如图7所示。

接收透镜由螺纹压环旋紧在接收外筒内台阶上。为防止接收透镜和窄带滤波片在引信发射时承受高过载而破坏失效，采用聚四氟乙烯和顺丁橡胶制缓震垫圈来降低冲击时应力波的传递。窄带滤波片通过内压环压紧在胶木垫上，靠近光敏管表面;接收电路通过后压盖固定在接收外筒的内腔里。接收系统实物如图8所示。

3 反射特性实验

根据对回波功率方程的相关影响因素分析，建立实验测试系统平台，包括电源箱、平台导轨、可调靶板、激光发射接收系统及其准直载体和数据采集系统。图9为测试原理图，实验开始后，电源箱对发射系统和接收系统供电，发射系统发出激光，经过一定探测距离后照射靶板靶面上，在特定角度下向2π空间内反射，接收系统接收到靶板角度方向的回波信号后，经过接收电路转换，形成电压信号，经由数据采集系统收集。

实验选用4种不同表面粗糙度的靶板，如图10所示，编号分别为1、2、3、4。其中1号为实木板，2号为胶木板，3号为亮铁板，4号为锈铁板。经检测，1号靶板表面粗糙度为Ra6.3,2号靶板表面粗糙度为Ra12.5,3号靶板表面粗糙度为Ra1.6,4号靶板表面粗糙度为Ra50。

1)变角度方式:对1-4号靶板，从靶面角度0°开始，以一定角度间隔旋转靶面并采集信号电压幅值，直至85°或信号电压衰减至不可测。

由于实验条件限制，3号靶板在40 m处仍表现饱和，故取能较大范围测出各靶板电压变化曲线的位置，其中1、2号距离为20 m,3号为13 m,4号为7 m处。实验结果如图11所示。

物体表面若为镜面，则表现为激光束本身的空间模型，激光束为高斯型，故镜面反射光束应为高斯型;而对于极度粗糙的表面来讲，光束经反射后会在半球空间内均匀分布，故为均匀漫反射型;式(5)所建模型认为反射与表面角度余弦变化有关，为余弦型。

光敏元件对于超出吸收上限的光照表现为饱和截止，本电路中饱和截止电压为3.3 V。分析上图各靶板代表曲线后发现，表面粗糙度为Ra12.5的2号靶板最符合余弦分布特性。对比1、2号靶板可知，1号靶板较2号靶板能量更为集中，垂直入射时能量更为强(表现为截止)。在25°前1号靶比2号靶能量更强，在25°后1号靶比2号靶能量分布弱。在80°以后两者均表现为均匀漫反射，但是2号靶板比1号靶板均匀漫反射电压值更高。

对于表面光滑的3号靶板，波形基本呈现高斯分布特性，在8°前电压均截止在3.3 V，而从8°到25°，电压幅值迅速降低至1 V以下，在28°以后曲线慢慢变平滑。3号靶板已经不表现余弦反射特性，较为明显的表现为高斯分布特性。4号靶板板面粗糙度最大，表面形貌较为复杂，故光线向空间反射较为均匀，电压下降较为缓慢，总体在2.8 V～2.4 V间变动。

2)变距离方式:取靶面角度为0°，探测距离从光敏管不饱和开始，到信号电压衰减至1 V以下不可测，将1-4号靶板在垂直入射的条件下采集回波幅值并绘图得图12。

由于3号靶面表面粗糙度很低，通过对实验结果分析可知其分布近高斯分布，则其在垂直入射的情况下会接收到很强的回波能量，故在30 m内，3号靶面的接收回波始终饱和截止。1号靶面和2号靶面探测距离相差不大，均能在25 m内有很强的回波信号，而4号靶，表面粗糙度对光散射均匀的关系，在垂直入射情况下，并不能探测到很远的距离，仅在10 m内回波信号相对较大。

3)特定角度变距离方式:取2号与4号靶板，靶面角度为0°、30°、45°、68°，探测距离从光敏管不饱和开始，到信号电压衰减至1 V以下不可测。以变距离的方式测量2号靶板不同靶面角度下的回波电压幅值，结果经过Matlab绘制后如图13。

由图13可以看出，2号靶板反射特性与距离的关系为距离的平方成反比，跟靶面角度有一定关系，截取2号靶板20 m处不同角度的电压幅值可得表1。

4个角度的波形如表1所示。可以看到，幅值变化与余弦值的倍数变化较为接近，且数值与2号靶板电压随角度变化实验中数据相符，则可以得出，回波电压幅值随角度变化的规律在30 m内的近程探测均符合，可以参考实验数值确定处理电压阈值取值，实现激光定距的准确判别。

以变距离的方式测量4号靶板，结果经过Matlab绘制后如图14。

由图14可以看出，对于表面更为粗糙的4号靶板，反射特性与距离的关系仍为跟距离的平方成反比，但幅值随靶面角度变化的关系已不大，这与4号靶板随角度变化的曲线相符。

4 结语

通过目标反射特性实验，验证了实验样件的稳定可靠，同时在表面粗糙度<Ra6.3的目标表面，应该以高斯分布为模型建模较为准确;对于表面粗糙度在Ra25～Ra6．之间的目标，应以余弦反射模型建模，在Ra12.5附近能较好吻合;当表面粗糙度>Ra25以后，可当成均匀漫反射来进行阈值求解。

在激光探测过程中应根据实际情况装定好触发阈值的取值，若阈值过低，则系统抗噪声及环境干扰的能力下降，早炸几率上升;若阈值过高，则当弹姿态改变小角度就会可能丢失目标，或者炸点延迟，造成晚炸，对于子母弹类型的弹药会对后级母弹的作用造成较大影响。

参考文献

[1]刘鹏,栗苹,陈慧敏.提高近程脉冲激光探测系统精度研究[J].激光杂志,2010(1):14-16.

[2]张祥金.脉冲激光近程定距系统设计理论及应用研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[3]甘霖,张合,张祥金.激光近炸引信单光束脉冲周向探测技术[J].红外与激光工程,2013,42(1):84-89.

[4]陈大华,岑茵,郑一泉,等.光反射聚碳酸酯反射性能的研究进展[J].塑料工业,2011,39(8):6-9.

激光发射 篇6

半导体激光器具有体积小、质量轻、效率高、波长范围广、易集成、可靠性高等优点,因而,自20世纪70年代初实现室温连续运转以来,半导体激光器成为了光电子技术领域的重要器件。但半导体激光器也存在一些不足:边发射型半导体激光器可提供较大发射功率,但其输出光斑为椭圆形,光斑的纵横比最差时可达100∶1,以至于在一些应用中还须附加一套复杂的光束整形系统;垂直腔面发射型半导体激光器(VCSEL)具有理想的圆形光束,但在单横模下工作很难达到大功率。因此,为克服上述缺点,进一步提高半导体激光器的性能,对新型激光器件的研究一直是激光研究领域方兴未艾的课题之一。尤其是近几年发展迅速的光泵浦垂直外腔面发射激光器[1](Optically pumped vertical external cavity surface emitting laser,OP-VECSEL),成为新型激光器件研究领域的亮点和热点。

自1997年美国的Kuznetsov等首次提出OP-VECSEL[2]的概念以来,随后的十几年中OP-VECSEL引起了各国激光科学家及研究人员的极大关注,在一些具有国际水平的实验室,该器件的理论和实验均取得了令人瞩目的进展。美国、英国和瑞士等国在OP-VECSEL研究方面投入最多,也取得了极大的成功,在高功率和飞秒脉冲锁模方面处于国际领先水平;我国的长春光机所、南开大学、北京工业大学、重庆师范大学等科研机构也做了很多相应的研究工作[3,4],取得了一些成果。OP-VECSEL之所以受到青睐,原因在于它兼顾了半导体激光器和光泵浦固体激光器的优点:一方面,它具有半导体激光器的优点,利用成熟的半导体能带工程,发射波长可自行设计,覆盖了从可见光到近红外范围的广阔波段;另一方面,它又兼备光泵浦固体激光器的优点,既能获得高光束质量和高功率输出,又能方便地进行腔内倍频、可调谐运转和锁模运行。另外,它还具有自身独特的优势,半导体增益芯片结构简单,无pn结,无电接触,极大地简化了生长过程,既提高了增益芯片的可靠性,又消除了附加电阻上的热效应;支持高效的腔内倍频,泵浦波长可有选择地设计,可获得数十纳米的波长调谐范围;半导体增益芯片上泵浦光斑较大,高功率时产生光学损伤的可能性减小;同时缩小了泵浦源和谐振腔两部分,使总体积大大缩小,在实际应用中,可以很方便地作为仪器仪表和显微镜的配套光源,携带方便,实用化程度高。

本文介绍了OP-VECSEL的主要特性,并综述了目前最新的研究进展,在此基础上,分析了该类型激光器的发展潜力和技术发展方向。

1 OP-VECSEL基本原理

1.1 OP-VECSEL基本结构

OP-VECSEL结构[5,6]非常简单,主要由热沉(Heat sink)、增益芯片(Semiconductor disk)、灵活可调外腔镜(OC)、泵浦光组成。目前常用的泵浦方式有两种,分别为端面泵浦方式和尾端泵浦方式;增益芯片也有两种生长结构,分别是顶发射结构和底发射结构。

图1(a)展示了端面泵浦的VECSEL结构,即泵浦光与输出光反向且成一定的夹角,通常以45°左右的角度(因为角度太大则泵浦光斑形状不好,不均匀;角度太小则可能会阻挡激光振荡)聚焦到增益芯片上,此时落到增益芯片上的是一个近似方形的光斑。为了得到更好的散热,设计了顶部有散热片的顶发射结构增益芯片,如图1(b)所示,主要分4个部分,即衬底(Substrate)、分布式布拉格反射镜(DBR)、量子阱有源区(MQWs)和窗口层(Window)。可利用分子束外延(MBE)技术或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在一层半导体材料的衬底上逐层生长而形成,对于1 μm附近的波长一般采用GaAs 衬底,在衬底上先外延生长DBR,反射率要求达到99.5%,DBR生长完成后,再生长MQWs,然后生长窗口层和帽层。为使OP-VECSEL运转时有较好的散热性能,激光器芯片的帽层要与0.3 mm 厚的光学金刚石片,或光学SiC片,或蓝宝石片等光学性能好、热导率高的导热片实现液体键合。

图2(a)展示了尾端泵浦的VECSEL结构,即泵浦光与输出光同向且同轴,经准直后的泵浦光通过铜热沉上的锥形小孔,再通过贴在铜热沉上的金刚石或SiC散热薄片,最后聚焦到 VECSEL增益芯片内。这种泵浦方式的增益芯片是底发射结构,如图2(b)所示,其生长顺序刚好与顶发射型结构相反:先在GaAs 衬底上生长腐蚀阻挡层,然后生长帽层及窗口层,再生长MQWs,最后才生长DBR。底发射的增益芯片的封装是先实现DBR表面与导热片的键合,或实现DBR与热沉的焊接,再用机械减薄和化学腐蚀工艺将衬底去掉,露出阻挡层。然后实现DBR与0.3 mm 厚的光学金刚石片,或光学SiC 片,或蓝宝石片的液体键合。

比较上述两种形式的OP-VECSEL,端面泵浦方式的优点是有较大的泵浦光斑,缺点是泵浦光耦合系统较难架设,且得不到均匀泵浦;尾端泵浦方式的优点是可以得到圆形的泵浦光斑,泵浦光耦合系统容易架设,结构非常紧凑,对激光器的集成与封装非常有利,其缺点是DBR必须特别设计为对泵浦光透明,这泵浦光首先要通过 DBR,才能到达量子阱吸收区,这就要求 DBR 必须设计为对泵浦波长全透、对发射激光波长高反射,才能使激光器获得高效的泵浦和较低的泵浦阈值。两种增益芯片结构也各有优缺点,顶发射结构OP-VECSEL的优点是不需将衬底全部去掉,最后的芯片较厚,封装比较容易;而底发射结构的OP-VECSEL要全部去掉衬底,腐蚀后的阻挡层表面不容易实现与导热片的键合,但散热效果较好。

1.2 增益芯片的工作原理

图3为半导体增益芯片的工作原理[1,2]。图3中从上到下是导带(Conduction band,CB)、禁带(Forbiden band,FB,也称Gap)和价带(Valence band,VB),图3的从左到右与图1(b)的从下到上对应,依次是布拉格反射镜(DBR)、呈共振周期结构的多量子阱有源区(MQWs)和窗口层(Window)。在这个结构中虽然层数较多,但是其发射激光的势阱实际上只有数个10 nm厚。图3中的激光驻波(Laser optical stan-ding wave)就是谐振腔内的驻波。在DBR与激活区界面上,该驻波是波腹,在芯片与空气的界面上,也是波腹,这就要求严格控制多量子阱的生长厚度(由设备和操作人员的技术来保证)。从图3中还可看出,10 nm的量子阱被势垒和应变补偿层隔开。每一个量子阱都处在激光驻波腹的位置,使受激辐射的几率最大,即受激辐射的截面最大,获得的激光器增益最大,这就是共振周期增益(Periodic resonant gain,PRG)的原理。

窗口层用来提供比泵浦吸收区更高的势垒,阻止载流子扩散到表面形成非辐射复合。光腔可视为由一个半导体微腔(由DBR和半导体-空气界面构成)与一个自由空间的所谓外腔复合而成。由于自由空间的长度比半导体微腔长度大很多,故激光模式主要由外腔的谐振模式决定。但同时满足微腔谐振与外腔谐振条件的模式无疑是增益最大的模式,也是最终输出的模式。

1.3 增益芯片材料

半导体外延技术的发展以及半导体能带工程为VECSEL 的发射波长和泵浦波长提供了一个较宽的选择范围[7,8]。现有的适用于制作OP-VECSEL 的半导体材料[9]所对应的波长范围基本覆盖了从紫外到可见直到红外的所有波段。在紫外以及蓝光波段可基于GaN的材料体系得到,红光波段可基于InGaP材料体系得到。目前为止,研究最成熟的半导体材料体系是范围在红外800 nm～1.5 μm波段对应的材料体系。其激射波长范围对应的材料体系有AlGaAs(800～870 nm)、InGaAs(800～1150 nm)、GaInNAs (1.1～1.5 μm)或InGaAsP(1.5 μm)。

多数VECSEL 是在GaAs衬底上制作的,并采用折射率比相对较高的GaAs/AlAs 反射镜,其适用于近红外波长的全反射。这些激光器主要工作在两个波长段:使用晶格匹配 GaAs/AlGaAs量子阱激光器,工作波长在850 nm左右;使用压应变InGaAs/GaAs量子阱的激光器,工作波长在 1000 nm 附近。

2 OP-VECSEL研究现状

2.1 高输出功率

对高输出功率[10]的追求一直是OP-VECSEL实验研究的首要重点,因为能获得高功率是OP-VECSEL的主要特点之一。1997年Kuznetsov等[2]首次成功地把光泵浦固体激光器的概念和技术手段引入半导体激光器,实现了以半导体二极管激光器为泵浦源产生大功率和高质量输出光束的VECSEL。该激光器在1004 nm附近的连续波TEM11 模的最大输出功率达到 0.69 W,TEM00模输出功率为0.52 W,与单模光纤耦合,输出功率为0.37 W。随后,许多研究人员涉足这一领域,采用不同技术改善OP-VECSEL的性能,主要是利用不同的热管理技术,如基质刻蚀[11]、毛细绑定散热窗口[12],以及采用多片增益结构[13]来延缓激光器的热熄灭,提升OP-VECSEL的最大输出功率。迄今为止,采用基质刻蚀的技术获得的最大输出功率为单模20 W[14];采用毛细绑定散热窗口技术获得的最大输出功率为9.1 W[15];采用多片增益结构获得的最大输出功率为70 W[16]。

2.2 腔内倍频技术

OP-VECSEL具有组合的外腔结构,DBR的反射率一般可达99.9%,外腔反射镜的反射率也很高(90%以上),故其腔内功率是输出功率的20～50倍,因而比较适合在腔内实现高效倍频。现有报道[17,18]可以在光路中插入BBO(β-BaB2O4)、IBO(LiB3O5)、BIBO(BiB3O6)、KTP(KTiOP4)[19] 等非线性晶体,进行直接倍频,从而得到更短波长的激光输出,进一步扩展波长范围。

OP-VECSEL腔内倍频[20,21]普遍使用的腔型有两种,如图4所示的直腔和如图5所示的折叠腔。在直腔中,因为平凹腔的光腰在半导体增益片上,所以倍频晶体的放置位置应尽量靠近半导体增益片,以获得尽可能小的光斑、尽可能高的功率密度和尽可能大的倍频转换效率。直腔的缺点是倍频过程中产生的二次谐波会部分地被半导体增益片吸收,这不但会减少倍频光,在总体上降低倍频转换效率,而且会加剧增益片内有源区的热效应,加快激光器的热熄灭。

直腔的上述缺点可以通过使用折叠腔来避免。折叠腔的主要优点有:倍频过程中产生的二次谐波不再通过增益片,也就不会被增益片吸收;端镜可使用平面镜,也可使用凹镜,如此便可比较灵活地根据需要设计光腔,获得足够小的光腰,晶体的放置也不再受到限制,可比较理想地置于光腰处,从而获得理想的基频光功率密度,增大倍频转换效率。但相比之下,折叠腔无疑比直腔的损耗要大,所以在低功率时其优势不明显。

国外较早报道将倍频晶体朝腔内的一面做成布儒斯特角,外面一端磨成球面作为输出镜,得到了980 nm和490 nm 的输出。由相干公司制作的目前最大功率输出的光泵VECSEL,利用LBO晶体Ⅰ类相位匹配倍频后,分别得到488 nm和460 nm的连续输出。2005年德国Lutgen小组[22]在先前工作的基础上,将4 mm长BIBO晶体插入腔内,用1040 nm 基频光倍频后得到520 nm绿光。2006年美国Li Fan 等利用40 W的808 nm二极管激光器泵浦980 nm基频光,再通过LBO晶体倍频得到490 nm激光输出。2006年3月韩国三星的Kim等在泵浦功率为20 W时,得到4.9 W的920 nm 连续输出,插入LBO 晶体后得到2 W 的460 nm蓝光连续输出。另外,红光OP-VECSEL倍频后可以得到光束质量好、功率较大的紫外光输出,为获得较大功率的短波长激光开辟了新的道路。英国和芬兰两国合作,在得到最大红光输出1.1 W的基础上,通过BBO倍频得到120 mW的338 nm紫外激光输出。

2.3 可调谐运转技术

OP-VECSEL兼具面发射半导体激光器和固体薄片激光器的优点,其半导体增益片具有数十纳米的增益带宽,而外腔结构又允许方便地插入滤波元件进行调谐,故而可调谐[23]也是OP-VECSEL实验研究的主要方向之一。已报道的可调谐OP-VECSEL主要有两类:(1)直接在腔内插入单个滤波元件(如标准具[24]或者双折射滤波片[25])进行调谐运转,目前通过该法形成的调谐范围已达到10～20 nm;(2)利用压电器件驱动OP-VECSEL的一个腔镜,通过改变激光器腔长来实现对输出波长的调谐[26]。关于该激光器已有10 nm调谐范围和400 mW输出功率的报道,其OP-VECSEL使用了金刚石作散热片。

图6是典型的可调谐OP-VECSEL的示意图,半导体增益片粘贴在温度可控的半导体制冷片上,再将整个装置与水冷连在一起,然后通过旋转置于腔内的标准具,即可获得连续可调的输出光。可调谐OP-VECSEL在光通信以及Bose-Einstein凝聚等方面有重要应用,它特别适合于在原子物理和光谱学方面的应用,还可用在相干测量、成像以及环境监测等方面,另外,可调谐半导体激光器也能用于研究同位素的分离等。

2.4 被动锁模技术

数吉赫兹的皮秒脉冲源在光时钟、频率转换、高速电光采样、时间分辨光谱学和通信系统的初级光源等许多方面有着重要的应用。长期以来,锁模固体激光器和边发射半导体激光器一直是数吉赫兹的皮秒脉冲源这一领域的主宰。近年来,被动锁模OP-VECSEL[27,28]被证明了能产生数吉赫兹的皮秒脉冲,且同时具有适度中等的功率和良好的光束质量。与前面所述的锁模固体激光器和边发射半导体激光器相比,被动锁模OP-VECSEL更容易实现,成本也更为低廉,因而在许多应用方面也就更具吸引力。

OP-VECSEL特别适合于在中等高功率下实现数吉赫兹重复频率的锁模运行,其原因有以下几方面:与锁模固体激光器相比,OP-VECSEL有较大的增益截面,这能有效抑制锁模过程中的Q开关不稳定性;半导体材料增益带宽的典型值超过5 THz,理论上能支持100 fs以下脉冲宽度;势垒材料的带间跃迁吸收使得研究者对泵浦源有更多自由的选择;最新的半导体处理工艺又支持基于新型低饱和通量的半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模的横向集成。

2000年首例被动锁模OP-VECSEL报道之后,锁模OP-VECSEL的研究在很多方面都取得了很快的进展;脉冲宽度已达到190 fs,同时具有3 GHz的重复频率和5 mW的输出功率;重复频率已高达50 GHz,同时具有3.3 ps的脉冲宽度和100 mW的功率;平均输出功率达到了2.1 W,同时有4 GHz的重复频率和4.7 ps的脉冲宽度。

半导体饱和吸收镜(SESAM)[29]是近些年发展起来的新的锁模技术。它是利用半导体材料对光具有吸收的特性制成的可饱和吸收体。自从20世纪90年代被研制以来,SESAM已被广泛用于皮秒至飞秒量级的被动锁模激光器中,直接作为可饱和吸收体形成锁模,或被用于超短脉冲固体激光器中作为启动锁模的元件。SESAM尤其适合于被动锁模的OP-VECSEL,是因为OP-VECSEL较大的增益截面能有效地抑制锁模过程中的Q开关不稳定性,从而获得连续稳定的锁模脉冲序列。图7为被动锁模OP-VECSEL的腔型示意图,半导体薄片在激光器中作为折叠腔镜使用,激光器的一个端镜为输出耦合镜(OC),另一个端镜是被动锁模元件SESAM。在图7的V型折叠腔中,激光光路的折叠角小于10°,以尽量减少光路中的像散。激光光斑在增益片上的面积与其在SESAM上的面积之比大约在25,以满足被动锁模的启动条件。

2.5 应用开发

自从OP-VECSEL问世之日起,对OP-VECSEL的应用开发就得到科研工作者的重视。近年来,OP-VECSEL以其优良的激光特性,在光时钟、光通讯、激光雷达、激光彩色显示、高速激光打印、高密度光存储、超快激光、非线性光学等越来越多的领域获得了应用。已报道的460 nm 和 530 nm倍频蓝光OP-VECSEL已有商业化产品,可用于电影工业的数字胶片写入、电脑特技制作等,此外,类似的激光器已被开发应用于高端 RGB 投影显示中,德国Osram Opto Semiconductor公司与美国相干公司正在采用OP-VECSEL技术联合研发激光显示器件,如激光彩电和小型投影仪等;基于5 W的530 nm波长绿光输出的OP-VECSEL 的小型犯罪侦查成像系统,可用于显现犯罪现场遗留下来的潜指纹和体液;一种新型的6 W、577 nm波长的黄光VECSEL可用于眼科激光凝固治疗,这种波长和功率水平还可以应用于皮肤医学;2～2.5 μm 波段的VECSEL可用于天然气探测和大气环境监测;用OP-VECSEL制作太赫兹谱仪的想法已被科学家们实现;另外不同波长的OP-VECSEL也已被用在能量使用方面,如作为光纤激光器的种子源,或作为其他激光器的泵浦源等。

3 OP-VECSEL的发展方向与展望

OP-VECSEL的出现是半导体激光器发展历程中一个重要的里程碑[30],它弥补了长期以来半导体激光器功率低的不足,实现了大功率高光束质量的激光输出,在某些领域可与全固态激光器及离子激光器相媲美。

OP-VECSEL未来的发展方向仍然是如何继续突破高性能和小型化。散热问题[31]仍然是OP-VECSEL 实现高功率面临的关键问题。热效应的问题一直伴随着激光器的诞生与发展。对光泵浦垂直外腔面发射激光器而言,耗散热主要集中在泵浦光斑的范围。因为泵浦光的阈值功率密度达到万瓦每平方厘米的水平,在这样大的功率密度的光辐射下,器件温度的升高会使MQWs和DBR材料参数发生变化,导致设计结构失效,有效增益降低,最终使输出功率减小甚至为零。温度的升高主要在以下几个方面影响OP-VECSEL 的性能:(1)由于温度升高引起热载流子泄漏和非辐射结合过程而影响增益;(2)温度升高会改变介质折射率,使得DBR 性能改变;(3)半导体材料的禁带宽度也随着温度的升高向长波长漂移,量子阱所在位置会偏离波节处,OP-VECSEL 的输出波长、功率以及转换效率等将受到很大影响。未来可采用基质刻蚀、散热窗口绑定和多片增益结构等多种热管理技术相结合的方式,更大幅度地改善散热性能,提高激光器的输出效率。

要实现高功率,还要进一步研究相关调制技术,对倍频可尝试设计更优腔型来提高倍频转换效率,对可调谐需进一步扩大调谐范围,对锁模可在重复频率、脉冲宽度和平均输出功率等性能指标上进一步优化提升。除此之外,OP-VECSEL 在其他波长和材料体系的工作也应该进一步探索研究,如波长为1550 nm 的InGaAsP/InP激光器、使用锑化物半导体材料的中红外激光器、AlInGaP/GaAs红光激光器、蓝色到紫外的AlInGaN/GaN激光器等。

再则,为了OP-VECSEL 的商品化,要求高效、小型化和更可靠的封装。在小型化超快脉冲源领域,OP-VECSEL具有相当大的发展潜力。注入抽运通过精细的晶片设计,实现介质功率器件的优化,有可能制造带有复杂谐振腔的高度小型化的OP-VECSEL设备。