淺析推動(dòng)生命科學(xué)發(fā)展的OPSL技術(shù)（二）

光泵半導(dǎo)體激光技術(shù)(Optically Pumped SemiconductorLasers)已經(jīng)從新一代連續(xù)激光技術(shù)迅速轉(zhuǎn)變成為生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的主導(dǎo)力量，其具備的一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使之成為非常有效的工具。本篇文章簡(jiǎn)要介紹了OPSL技術(shù)的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

▼ 波長(zhǎng)可擴(kuò)展性

OPSL 具備獨(dú)特的波長(zhǎng)靈活性，可以滿足許多激光應(yīng)用的需求。OPSL近紅外波長(zhǎng)取決于 InGaAs(半導(dǎo)體)增益芯片的結(jié)構(gòu)。通過(guò)更改增益芯片中量子阱的組成成分和大小，OPSL 可以輸出700 nm - 1200 nm 之間的任意波長(zhǎng)，通過(guò)二倍頻和三倍頻可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)從355 nm 到 577 nm的輸出。如此一來(lái)，激光光源應(yīng)用的模式發(fā)生了顛覆性的變革。以前，光學(xué)工程師不得不從已有的激光源中尋找最接近應(yīng)用需求的波長(zhǎng)，而OPSL打破這些限制，讓他們可以根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需求得到所需要的波長(zhǎng)。

▼ 功率可擴(kuò)展性

不同的應(yīng)用對(duì)功率需求有著很大的差異。無(wú)論是要求低功率的生命科學(xué)領(lǐng)域，還是需要高功率的研究或醫(yī)療應(yīng)用，乃至其他特定應(yīng)用領(lǐng)域，OPSL 憑借其靈活的功率可擴(kuò)展性，可以完美地滿足各種需求。通過(guò)增大 OPSL 芯片上的光斑尺寸、提高紅外泵浦半導(dǎo)體功率，可以使OPSL功率擴(kuò)展至瓦量級(jí)，而在腔內(nèi)使用多個(gè) OPSL 芯片的設(shè)計(jì)，甚至實(shí)現(xiàn)了高達(dá)70W的功率輸出。

▼ 輸出功率可調(diào)且不影響主要的光束參數(shù)(無(wú)熱透鏡效應(yīng))

大多數(shù)固態(tài)激光器中采用棒狀或板狀晶體作為增益介質(zhì)。一些泵浦功率會(huì)在激光晶體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量并產(chǎn)生垂直于激光束方向的熱梯度。調(diào)整泵浦功率會(huì)改變熱梯度的強(qiáng)度，如此一來(lái)，輸出光束的直徑和發(fā)散度也會(huì)改變。此外，在一些低性能的DPSS激光器中，熱透鏡不是完美的球形，改變其功率會(huì)導(dǎo)致一些高階光束發(fā)生畸變。

固態(tài)激光器中的熱透鏡效應(yīng)

光泵浦半導(dǎo)體激光器 – 無(wú)熱透鏡效應(yīng)

在OPSL中，增益介質(zhì)是一層非常薄(小于 10 微米)的半導(dǎo)體量子阱，同時(shí)覆蓋介電層來(lái)充當(dāng)后表面全反射鏡。介質(zhì)層的另一面與主動(dòng)降溫散熱器連接，可有效為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)降溫。雖然激光運(yùn)行仍然會(huì)導(dǎo)致徑向熱梯度，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)非常薄，熱透鏡效應(yīng)可以忽略不計(jì)。因此，指定激光器的功率可以從標(biāo)稱功率的 10% 平穩(wěn)調(diào)整到 100%，而且不會(huì)影響激光輸出的光束質(zhì)量，發(fā)散度、橢圓度和直徑。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明M2、光束發(fā)散度、橢圓度和直徑基本沒(méi)有變化。

▼ 超低輸出噪聲 – 無(wú)“綠光噪聲”

什么是綠光噪聲?

DPSS激光器有多個(gè)縱模，并且采用腔內(nèi)倍頻，兩者結(jié)合導(dǎo)致功率在不同縱模的分布隨時(shí)間漲落。

早期的很多DPSS激光器會(huì)受到所謂的“綠光噪聲”的困擾。這個(gè)綠光噪聲是由于多縱模通過(guò)倍頻晶體相互耦合，同時(shí)由于增益介質(zhì)上能級(jí)壽命相對(duì)較長(zhǎng)(ms量級(jí))，導(dǎo)致多模式獲得增益并產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，使得功率輸出出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

與之相比，OPSL增益介質(zhì)的上能級(jí)壽命非常短(只有幾個(gè)ns或更短，相當(dāng)于一個(gè)腔內(nèi)來(lái)回的時(shí)間)，沒(méi)有存儲(chǔ)增益，只有瞬時(shí)增益，很大程度上限制了存儲(chǔ)增益和模式競(jìng)爭(zhēng)，不存在“綠光噪聲”問(wèn)題。因此OPSL可以提供非常優(yōu)異的噪聲特性: 在10 Hz - 100 MHz 范圍內(nèi)噪聲小于 0.02% rms。

腔內(nèi)倍頻會(huì)導(dǎo)致多縱向模式的二極管泵浦固態(tài)激光器產(chǎn)生混亂的綠光噪音。光泵浦半導(dǎo)體激光器(如Verdi G)的上能級(jí)壽命較短，因此不會(huì)產(chǎn)生這種混亂。

▼ 固有可靠性

高效、簡(jiǎn)單，是OPSL與其他類型的二極管泵浦激光器相比較的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，OPSL的泵浦波長(zhǎng)只需小于半導(dǎo)體激光器的帶隙即可，而DPSS則需要泵浦波長(zhǎng)與特定的增益介質(zhì)相匹配。OPSL不需要根據(jù)精確的波長(zhǎng)特性來(lái)選擇泵浦二極管，也不需要在激光運(yùn)行時(shí)通過(guò)反饋溫度控制回路來(lái)保持泵浦波長(zhǎng)的穩(wěn)定，這些特性使OPSL可以降低整體的成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)大大增加激光器的可靠性。

OPSL在生命科學(xué)領(lǐng)域的裝機(jī)量已超過(guò)100,000多臺(tái)，事實(shí)證明，OPSL激光器具有超長(zhǎng)的使用壽命，與其他連續(xù)激光器(包括離子激光器，DPSS激光器，半導(dǎo)體激光器)相比，其可靠性顯著提高，而擁有成本顯著降低。

生命科學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)應(yīng)用基于可激發(fā)的熒光染料。隨著染料數(shù)量不斷增加，染料的吸收峰各不相同，因此不斷需要新的波長(zhǎng)。OPSL固有的波長(zhǎng)可擴(kuò)展性為生命科學(xué)領(lǐng)域提供了一個(gè)通用的激光源。

在生命科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域(如流式細(xì)胞儀、共聚焦顯微鏡、診斷成像或基因組學(xué))，對(duì)精度和靈敏度要求極高，而OPSL出色的空間模式質(zhì)量 TEM00 和優(yōu)異的低噪聲使其成為該應(yīng)用領(lǐng)域的不二之選。

審核編輯 黃宇