在生命科學(xué)領(lǐng)域,光泵半導(dǎo)體激光器 (Optically Pumped Semiconductor Lasers, OPSL)這一顛覆性技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用。相較于傳統(tǒng)的氣體激光器,OPSL激光器具備高性能、高可靠性、低使用成本等優(yōu)勢(shì)。
▼ 應(yīng)用背景要求
數(shù)十年來,可見光和紫外光連續(xù)激光器已在醫(yī)學(xué)診斷、生物成像和其他生命科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的各種儀器中得到廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用實(shí)例包括流式細(xì)胞儀、共聚焦顯微鏡、高通量基因測(cè)序、病毒檢測(cè)等。不同應(yīng)用采用的技術(shù)不同,且有不同的操作原理,但它們對(duì)自身激光源有著極其相似的要求:
● 良好的空間模式質(zhì)量
● 低噪聲
● 高指向穩(wěn)定性
在實(shí)際使用中,尤其對(duì)OEM制造商而言,更具優(yōu)勢(shì)的激光源要求:
● 長(zhǎng)使用壽命
● 高可靠性
● 設(shè)備間良好一致性
● 較低的使用成本
流式細(xì)胞術(shù)、高通量基因測(cè)序、病毒檢測(cè)等
這些應(yīng)用領(lǐng)域中最早采用氣體激光器作為激光源,特別是離子激光器和氦氖激光器,后為半導(dǎo)體激光器和固態(tài)激光器所取代。雖然這幾類激光器都能滿足生命科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す庠吹幕疽?,但在能耗、波長(zhǎng)輸出、實(shí)際使用時(shí)的限制等方面都存在明顯的不足。OPSL激光器的低能耗、波長(zhǎng)可擴(kuò)展等特點(diǎn)完美的解決了這些問題。
▼ OPSL技術(shù)原理
在OPSL中,增益介質(zhì)是一塊大面積的半導(dǎo)體 VCSEL芯片。這是一種單片 Ill-V 族半導(dǎo)體芯片,包括量子阱結(jié)構(gòu)和DBR(分布式布拉格反射器)。量子阱結(jié)構(gòu)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì),用于高效吸收泵浦光并發(fā)射激光,而它下方的DBR是另一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),可以對(duì)OPSL特定的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化,損耗低。
泵浦光由一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體二極管激光器提供,泵浦VCSEL增益芯片,產(chǎn)生的紅外激光輸出經(jīng)輸出耦合器上的二向色薄膜反射,然后透過倍頻晶體,經(jīng)后腔鏡反射,形成諧振腔;而紅外激光經(jīng)過倍頻晶體產(chǎn)生可見光激光經(jīng)輸出耦合器輸出并離開激光腔。當(dāng)需要紫外光輸出時(shí),在腔內(nèi)加入另一種晶體,通過在 OPSL 腔內(nèi)三倍頻晶體來產(chǎn)生紫外光。OPSL 的腔內(nèi)倍頻效率高,這讓其成為實(shí)現(xiàn)諧波波長(zhǎng)擴(kuò)展的理想選擇。
OPSL 的輸出波長(zhǎng)由增益芯片中的量子阱結(jié)構(gòu)決定,可設(shè)定為近紅外光譜中的任意波長(zhǎng)。然后,通過高效的腔內(nèi)倍頻(二倍頻或三倍頻)技術(shù)可以將輸出波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為可見光或者紫外光輸出。整個(gè)可見光譜和紫外光范圍內(nèi)。此外,可以通過增加泵浦光功率來提高 OPSL 輸出功率。因此,OPSL技術(shù)在波長(zhǎng)和功率方面都具有很好的可擴(kuò)展性,使其成為一個(gè)能夠高度迎合未來需求的激光技術(shù)平臺(tái)。
▼ OPSL優(yōu)勢(shì)
OPSL具有靈活可調(diào)的波長(zhǎng)、可擴(kuò)展的功率、高效的倍頻轉(zhuǎn)換、優(yōu)異的光束質(zhì)量等多種優(yōu)勢(shì), 無論是在使用成本、可靠性和使用壽命等方面都極具競(jìng)爭(zhēng)力。
審核編輯 黃宇
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