淺析推動(dòng)生命科學(xué)發(fā)展的光泵半導(dǎo)體激光（OPSL）技術(shù)（一）

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(wú)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