蓝光激光器最新发展和应用讲解

蓝光激光器最新发展和应用作者：中国科学院上海光学精密机械研究所叶震寰楼祺洪摘要：结合激光显示 和蓝光光盘等主要应用，介绍全固态蓝光激光器的多种技术和最新发展。重点 讲述了蓝光半导体激光以及半导体激光直接倍频蓝光激光器技术的进展。最后 对蓝光激光器的一些主要应用进行了总结。关键字：蓝光激光、激光显示、蓝 光光盘、蓝光LD1、激光显示与蓝色激光激光显示采用红、绿、蓝三基色全固 态激光器作为光源，由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度作者： 中国科学院上海光学精密机械研究所 叶震寰 楼祺洪摘要：结合激光显示和蓝光光盘等主要应用，介绍全 固态蓝光 激光器的 多种技术和最新发展。重点讲述了蓝光半导体激光以及半导体激光直 接倍频蓝光激光器技术的进展。最后对蓝光激光器的一些主要应用进行了总 结。关键字：蓝光激光、激光显示、蓝光光盘、蓝光 LD1 、激光显示与蓝色激光激光显示采用红、绿、蓝三基色全固态激光器作为光源，由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大， 因而激光显示的图像有着比现有彩色电视更大的色域、更高的对比度和亮度， 颜色更鲜艳，能反映自然界的真实色彩，在家庭影院和大屏幕显示领域具有巨 大的应用前景1 。2002年韩国三星公司就已经推出了 80英寸VGA分辨率的高 亮度激光电视的样机，可以获得很好的显示效果。作为激光全色显示的关键技 术，红、绿、蓝三基色全固态激光器也已成为当前国际上研究的热点。其中， 三基色光源中的蓝色激光是目前激光显示研究中的瓶颈。实现全固态蓝色激光光源的途径主要有三种： (1) 直接发射蓝 光的 激光二极管 ；(2)LD 倍频的蓝色光源； (3)LD 泵浦通过非线性光学手段获得 的蓝色激光器。直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点。能够直接发射蓝色激光的LD 一直受到人们的关注。但由于半导体材料 本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢， 与实用化之间还有一段距离。通过 LD泵浦非线性光学频率转换如倍频、和频等 方法来得到高转换效率的蓝色激光输出。此外直接倍频LD获得蓝色激光，能够实现高的光-光转换效率；要求改善LD光束质量、压缩其发射线宽，并且将 LD 输出锁定在非线性 晶体无源谐振腔的共振频率上，是这项技术的关键所在。以上这些技术都有自身的缺点，离激光显示的真正应用尚有一 定差距。目前激光显示研究过程中，所采用的蓝色激光主要采用的方法是采用基于美国专利（US PATENT NO.4809291制造的473nm蓝色激光2，即利用 LD泵浦Nd:YAG的准三能级4F3/2-419/2 的946nm倍频，并抑制1064nm的跃 迁。但是这种方法效率比较低且实施难度较大。最近我们拟采用的窄带宽LD直接倍频PPLN的技术来获得蓝色激光，既可以实现高的光光转换效率，而且技术 方案简单，是一个有潜力的选择。2、蓝光激光二极管1999年3N ichia公司生产出第一台蓝光半导体激光器，标志 着下一代光存储的应用已经为期不远了。 2002年出台了命名为“蓝光光盘”（Blue- ray Disc）的计划。具体讲，蓝光LD可以在一张12cm的光盘上实现 27GB的存储量，它是现有技术的六倍，可以实现所有数字信息的存储（包括音 频、视频、电视、照片等应用），大大方便了数字产品走进家庭和人们的办公 室。例如，利用蓝光光盘可以记录两小时的高标准的数字视频或者 13小时的标 准电视。此外双面存储以及扩大光盘尺寸可以最终获得50-100GB的存储容量。关于蓝光LD最先的研究主要集中在II-W族材料，尤其是 ZnSa这种材料禁带宽度约2.7eV,发射波长相应于深蓝色480nm且其栅格间 距非常接近于常用的GaAs看起来非常适合于蓝光LDt 1990年，利用 ZnSe/Zn CdSe应变量子阱技术首先获得了蓝色激光输出。1996年日本索尼公司采用ZnCdSe/ZnSSe/ZnMgSS单量子阱激活层分别限制双异质结构实现了在 20C下、输出1mV并且可连续工作100小时的蓝绿（515nm）LD然而生长过程 中 p-n 结内形成的缺陷在高阈值 电流、高结温环境下会迅速扩散，使得其寿命 的进一步提高十分困难，距离商品化 10000小时的目标还有很长一段距离。在此同时，日本 Nichia 化学工业公司的 Shuji Naka mura 4 另辟蹊径，致力于川一V族GaN材料的研究（图1）。他在充氮环境下，借助双 束气流反应技术，在15%失配的石英基底上，采用 MOCV方法生长出了 InGaN 多量子阱结构的 408.6nm 蓝光 LD。 97 年初的时候其室温寿命为 35小时，同年 秋季通过侧向外延生长技术将室温寿命提高到了 1000小时。目前该公司已经有 几款输出功率达到30mW线宽小于1nm输出波长为400-415nm的商品化器 件。还有其他一些波长的工程样机推出。然而，考虑到半导体材料本身的缺陷 难于克服，使得蓝色激光二极管的发展仍相对缓慢，离实用化还有一段距离。目前GaN已经成为制造短波长半导体激光的主要材料，掺杂不 同浓度的铟可以获得不同波长的输出。而基于 GaN材料制造的蓝色LED其性能 已经大幅提高，并获得了广泛应用，其中最重要的应用是在显示技术和白光照 明。3、LD直接倍频蓝光激光器这种通过二次谐波（SHG将LD的红外输出直接倍频而得到蓝色 激光的方案，能够实现高的光-光转换效率。它要求LD不仅能够输出较高的激 光功率，而且还必须实现单管、单频运转。因此，采用电学边带压缩或光学反 馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善 LD光束质量、压缩其发射线宽，并 且将 LD 输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术的关键 问题。1989年，L. Goldkey和M K. Chun用KN晶体倍频842nm的LD输出得 到24mW勺连续蓝色激光，W J . Kozlovsky和W Lenth用电学反馈技术钳制 858nmLD勺输出，在140mV入射功率下得到41mV的 428nm连续输出。1994年德 国人A. Hemmerich将单块KN同时用于环行倍频和LD光学频率自锁，在90mW 856nm的入射功率下，获得了 22mW 428nm的蓝色激光输出。J A Trail 采用实时闭环反馈，有效地控制了光束质量、抑制了噪声，改善 了激光器工作稳定性，得到了 40mW 430nm激光输出。相干公司正利用此项成 果开发用于光存储的商品。由于波导中传播的激光功率密度高、与泵浦光耦合充分、阈值 低、转换效率高、位相匹配范围宽，而曾使蓝光波导激光器受到重视。 1994 年，G. Gupta运用1mm长的畴反转LiTO3波导对840nm的LD倍频而得到26卩W 的功率输出、290%/WCm2的转换效率和0.3nm的位相匹配宽度。我国南京大学 的陆亚林等人用三阶准位相匹配的 LiNbO3倍频810nmGaAsA激光，在入射功率 为250mW寸，获得了 0.3mW的 405nm输出，光学转换效率达0.14%。最令人瞩 目的是离子KN波导和薄膜KTP波导。日本的Tohru Doumuki等人用带线加载 (strip load) 结构的SiO2/Ta2O5/KTP薄膜波导(图2)对钛宝石激光进行倍 频，在波导长度为4.1mm时得到了 13mW勺近TEM10莫413nm输出，转换效率接 近1000%/W*cm2薄膜波导激光器的优点是效率高，缺点是波导制作复杂，对 泵浦光束质量要求高，因而获得的倍频激光光束较差。近期我们设计的方案是，采用窄线宽 LD直接倍频PPLN来获得 蓝色激光的方案，如图3所示。LD的输出波长为975nm线宽约0.1 nm,输出 功率200m2由于PPLN的高倍频转换效率，可以获得 20-30mW勺488nm激光输 出。目前此方案仍在进行当中，相信不久就可以获得实际应用。4、LD泵浦非线性转换蓝光激光器利用了 LD发射谱线能够很好地与Nd3+ Cr3+等激活离子的吸 收带相匹配，并通过倍频、和频等方法来得到高转换效率的蓝色激光输出。(1) 用和频方法获得蓝色激光器一种方法是运用GaAlAs激光二极管输出的809nm激光，与 Nd3+离子1.06卩m的激光通过和频来得到 459nm的蓝光输出。1987年， J . C. Baumert及其同事首次在U类位相匹配的 KTP晶体中运用和频方法得到 了 0.96mW的蓝光输出。1989年，W P. Risk和W Lenth利用同样的晶体，在 常温下实现了此和频过程的非临界相位匹配，也获得了蓝色激光输出。 1992 年，W P . Risk和W J . Kozlovsky利用外腔谐振加强的办法，在 KTP单块驻 波腔内获得4mW勺基横模462nm输出。P. N. Kean和R. W Stanley在1993 年采用折叠腔结构，利用100mW勺单管LD得到了 20mW勺459nm蓝色激光输 出，单管LD-蓝光的转换效率高达68%在改变和频晶体的匹配角度时，实现 12nm的调谐宽度，但是这种技术对起注入作用的LD要求较高。最近，德国的 Kaiserslautern 大学和当地的一家公司研发了 一种采用锁模的半导体泵浦 Nd:YV04激光放大器来泵浦KTAOPQ用上述方法 产生的1064nm和1535nm激光，经倍频和和频过程同时获得 629nm 532nm 446nm的三基色激光(图4),直接用于激光显示的应用。从八十年代末期开始，人们就对利用 808nm的LD泵浦Nd:YAG 及Nd:YVO4实现4F3/2 4I9/2准三能级的946nm或912nm激光振荡，并运用 KN或LBO等非线性晶体通过内腔倍频以得到蓝色激光输出的方案进行了研究。 1987年， W P Risk 和 WLenth 在一个未优化的 Nd:YAG-LiIO3 激光腔外得到 了 100卩W的 473nm蓝色激光。1989年，W P. Risk用KN晶体对LD泵浦的 Nd:YAG咅频，在吸收功率为400mV时得到了 3.7mW勺蓝色激光。斯坦福大学的 T. Y. Fan于同年申请了关于通过倍频掺 Nd3+介质而获得蓝绿激光的专利(US PATENT NO.480929)1 。这种激光器结构比较简单，关键在于采取适当的措施抑 制发射截面大的1.06卩m振荡。目前该项技术已逐渐趋向成熟化，德国汉堡大 学用21W的 808nm激光二极管得到了 2.8W的473nm蓝色激光输出，正在逐步地 达到低成本、高效率的商品化蓝色激光器的要求。此外，还有内腔倍频的可调谐掺铬 (Cr3+) 蓝色激光器。美国劳 伦斯?利弗莫尔国家实验室成功地研制出两种可调谐激光晶体Cr:LiCAF 和Cr:LiSAF。其荧光光谱范围覆盖 800100Onm波段，并且在630690nm之间有 吸收带。 Cr:LiCAF 晶体由于存在严重的散射机制、引入大的损耗而较少在激光 系统中使用。更令人感兴趣的是 Cr:LiSAF, 其晶体生长工艺较为成熟，峰值发 射波长为846nm加上670nm 500mV级的红光LD的商品化，推动基于 Cr:LiSAF 的内腔倍频蓝色激光器的发展。 日立金属株式会社的佐藤正纯等人研 制出高稳定性的430nm的蓝色激光器，输出功率大于10mW采用电学反馈，将 输出稳定性控制在 0.7%。5、蓝色激光器的应用小结(1) 彩色激光显示高亮度的蓝色激光系统完全可以和发展相对成熟的红色LD、内腔倍频的全固化绿激光器一起，作为彩色显示的全固体标准三基色光源。这 种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源，不仅效率高 ( 与荧光光源相 比)，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的 绿影，实现三基色的平衡。(2) 高密度光存储与目前常用作光源的780nmLD相比较，蓝色激光的优点是波长 短，光点面积小，若再利用存储介质对短波长激光更加敏感的特点，采用新的 编码技术，则可以提高存储密度近 1 个量级。按目前的蓝光光盘计划，可以在 一张12cm的光盘上实现27GB的存储量，它是现有技术的六倍，可以实现所有 数字信息的存储(包括音频、视频、电视、照片等应用)。（3）数字视频技术全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域中 CDROM CD及DVD等的光源。据东芝公司多媒体实验室的Akito Iwamoto宣称，预计于 2005 年推出以蓝激光为光源的只读数字视盘 （DVDROM，） 在适当改 善光学系统数值孔径和数字处理电路的性能后，其容量能够达到目前以 635nm 红光LD为光源的CD- ROM勺7倍以上。（4）海洋水色和海洋资源探测400450nm之间的蓝色激光光源是感知系海洋水色的有力武 器，可用于探测海洋渔业资源。（5）激光制冷蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振动而 引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证。此外，全固态蓝色激光光源还有望在数模转换器件、激光和 刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。参考文献（1）J.H. Lee et al., Laser TV for Home Theater, SPIE, Vol.4657, 138,2002（2）L. Gao and H. Tan, Compact 600mW blue laser with a composite Nd:YAG, Optics & amp; Laser Technology, Vol.35, 575-578, 2003（3）Nakamura, S.Current Status and Future Prospects of InGaN-Based Laser Diodes?JSAP International 1, 5, 2000（4）Nakamura,S.et al.InGaN-Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diodes?Jpn. J. Appl.Phys. 35, L74, 1996（2）内腔倍频的掺钕（Nd3+）蓝色激光器