OPSL 优势白皮书系列 #1：
波长灵活性

名副其实的波长灵活性

光泵浦半导体激光器（OPSL）是一项独特的技术，它融合了激光二极管、DPSS（半导体泵浦固态）和离子激光器的优异特性，同时克服了这些技术的某些局限性。 例如，许多离子气体激光器和第一代半导体泵浦固态激光器都能产生许多应用所需的高质量_TEM00模式输出光束，这些应用包括共聚焦显微分析、流式细胞仪和全息摄影术。 遗憾的是，它们的输出波长仅限于由增益材料决定的少数发射线，例如，离子激光器为 488 nm，而 DPSS 激光器为 1064 nm（及其谐波）。因此，过去的主要应用都必须适应这些固定波长，有时甚至无法得到充分优化，最明显的是生命科学应用中的 488 nm 波长。 另一方面，基于二元和三元半导体的半导体激光器可以制造出来，并在不断扩大的可见光和近红外波长范围内工作。然而，这些设备通常是所谓的边缘发射器，光是从一个不对称的小（微米级）输出面发射出来的。因此，输出光高度发散、不对称、不受衍射限制，并且往往会发生散光。 因此，对于任何需要常规光束特性的应用，都需要配合多种光学元件来重塑光束并进行空间滤波。此外，小输出面高强度意味着功率扩展受到限制，通常需要将多个发射器排列成条状或阵列。这不利于需要高度准直或聚焦光束的应用。

OPSL 是一种独特的激光器架构，既具备激光二极管的波长灵活性，又兼具传统激光器的卓越光束特性。此外，它还具有其他重要优势，例如功率的可扩展性。

OPSL 架构

OPSL 是一种垂直腔面发射激光器 (VCSEL)。在常规 VCSEL 中，光是垂直于结点从二极管芯片表面发射出来的，而不是从边缘发射。较大的输出孔径形成了发散较小的光束，而且光束也可以是对称的。 遗憾的是，电泵浦 VCSEL 无法达到边缘发射器的高功率水平，因为在不使用扩展电极的情况下，无法用载流子淹没大面积区域，这会导致过多的光损耗。然而，通过使用二极管激光器对器件进行光学泵浦以产生载流子，可以避免这一问题——这是 Coherent 的专利方法。这就是 OPSL 的基础。

图 1 是一个简化的示意图，展示了 OPSL 的主要组件。来自直接耦合单个发射器或光纤耦合激光二极管阵列的泵浦光被重新成像到 OPSL 芯片的前表面。 这种单片 III-V 族半导体芯片包含多层三元量子阱（InGaAs），并与二元（GaAs）层交替排列。这些二元层经过优化，能够高效吸收泵浦辐射，从而产生大量载流子。这会在量子阱中引起粒子数反转和复合，从而导致受激激光发射。 在这些吸收/发射层之后，是若干交替排列的高折射率层和低折射率层，它们充当低损耗的DBR（分布式布拉格反射器）镜，并针对所需的OPSL输出波长进行了优化。半导体芯片安装在散热器上，以便对其整个后表面进行高效冷却。

OPSL 波长控制

与其他基于半导体的激光器一样，OPSL 的发射波长由量子阱结构的化学成分和物理尺寸决定。因此，通过改变这些量子阱的组成和尺寸，OPSL 芯片可以根据应用需求，定制不同的特定输出波长——见图 2。

大多数Coherent的OPSL都在腔内加入了一个双折射滤光片。这解决了大多数二极管激光器（包括OPS芯片）的两个典型特性。首先，与基于原子发射的激光器（如氩离子激光器）相比，这种增益芯片可以在更宽的波长范围内发射光。 此外，不同芯片的中心波长略有差异，这也正是激光二极管制造商在客户选择窄波长窗口激光二极管时收取额外费用的原因。双折射滤光片是一种窄带腔内滤光片，其透射波长是在工厂通过围绕其法线轴旋转来设置的。 该滤光片用于将发射限制在窄带内（某些型号为单一纵向模式），同时还能将输出精确设置为目标波长。

Coherent 的 OPSL 基于 InGaAs 增益芯片。这是因为它们是超可靠、寿命超长、功率特性极高的二极管。 此类量子阱器件可设计为在极宽的近红外波段内产生激光发射。随后，通过使用腔内倍频晶体将其高效转换为可见光输出。而对于需要紫外线输出的应用，部分 OPSL 还配备了一对腔内晶体，以实现三倍频。

波长灵活性的价值

在 OPSL 技术出现之前，如果应用中需要毫瓦级到瓦级的连续波（CW）输出可见光或紫外光激光，就不得不使用现有的固定波长。 最初，固定波长源自离子气体激光器的发射谱线，例如氩离子激光器的 488 nm 和 514 nm 谱线。随后，1064 nm 的 DPSS 激光器（腔内倍频至 532 nm）开始被广泛采用。可见光谱中存在巨大的空白区域，缺乏可用的简易激光器，特别是在光谱的黄色和橙色部分。 尽管对这些光谱区域激光器的需求日益增长——在生命科学领域尤为明显——但可提供的解决方案仅限于基于低效率弱发射谱线复杂混合方案的氪离子激光器、染料激光器或固体激光器。因此，需要这些波长的应用往往不得不做出妥协，以适配其中一种可用的激光波长。OPSL 带来了范式转变。 如今，每一项现有或新兴的应用都能获得专门设计的 OPSL，其波长可针对该应用进行优化。两个截然不同的应用案例充分展示了这种能力的优势。

用于治疗年龄相关性黄斑变性的光凝术

湿式年龄相关性黄斑变性 (AMD) 是导致视力丧失和失明的主要原因。 这种情况的特点是黄斑区血管渗漏。 这是视网膜上的一个小区域（直径 < 6 mm），位于视野的中心，负责高分辨率的彩色视觉。 根据渗漏血管的位置，激光光凝术通常是一种推荐的治疗方法。 在这里，激光产生可控的局部烧灼，破坏微小的元凶血管，防止进一步出血。

成功实施光凝术的关键在于组织选择性；也就是说，在不以任何方式损伤周围组织的情况下封闭目标血管。渗漏血管与其他组织的主要区别在于存在血液。因此，通过使用优先被血液吸收的激光波长，可以最好地实现选择性。 该波长还需为可见光波长，以便激光能无害地穿过眼球透明的前部。血液中具有可见光吸收能力的主要成分是氧合血红蛋白。多年来，最常用的激光波长是 532 nm（来自半导体泵浦固态激光器），该波长接近氧合血红蛋白的弱吸收峰。

然而，氧合血红蛋白的实际吸收峰值是 577 nm（见图 3）。 Coherent为这一应用设计了一种全新的 OPSL 激光器 (Genesis MX577)，它在这一特定波长下可提供 3 瓦的功率输出。 与 532 nm 波长的上一代产品相比，该激光器能够更好地封闭血管，同时减少了眼球的热负荷。 除了这一重要益处外，OPSL 的快速脉冲（可达 100 kHz）能力使其能够使用“微脉冲”来提供高度剂量控制，以最大限度地提高伤口愈合反应，并最大限度降低局部组织创伤。 由于这些原因，577 nm OPSL 已经取代了 532 nm DPSS，成为这一应用中的首选激光器。

一场色彩绚丽的灯光秀

灯光表演是一个截然不同的应用领域，在这个领域中，OPSL 凭借其波长灵活性，成为了首选激光器。激光灯光表演引擎所能产生的颜色范围（色域）取决于所使用的特定激光波长。 传统上，大多数彩色投影仪使用三种激光：红、绿、蓝（RGB），其中蓝色通常采用传统氩离子激光的 488 nm 波长。然而，人眼对色差非常敏感，因此激光灯光表演面临的一大挑战是如何产生真正的白色，技术上称为 D65。

Coherent 采用 OPSL 技术，在传统的 RGB 波长基础上提供瓦级功率，并为灯光表演提供了两个重要的非传统波长，即最初用于光凝术的 577 nm 波长以及 460 nm 波长。如图 4 所示，后者确保了更广的色域，更重要的是，只需混合两种激光（577 nm 和 460 nm），即可产生白色。 下面的具体案例进一步说明了这些新波长对灯光表演设计师的价值。

2011 年，BMW 想要推出他们的全新 i 系列节油汽车 – 对于一个一直重视性能和操控的品牌来说，这是一个重大市场发展。 他们选择了法兰克福国际车展 (IAA) 发布这个系列。 发布会由 BlueScope 广告公司构思，由 Rockservice 公司管理，由位于德国阿伦的先进激光表演公司 LOBO 提供服务。 此次发布会广受关注，其总体概念是通过蓝色的激光隧道来揭开每一辆车的面纱（见图 5）。此外，发布会还包括其他激光效果。 这些激光元素都必须与 BMW 公司的蓝色完全一致，就像发布会的其他视觉组件（如 LED 屏幕）所使用的颜色一样。 但是，人们对颜色的感知会因地点、背景灯光和其他因素而变化。 因此，LOBO 需要能够在现场对其投影仪的蓝色输出顺畅地进行细微改变。 如果使用标准的 RGB 投影机，要实现完美的颜色匹配是非常困难的。 于是，LOBO 为他们的 RGB 投影机配置了两个蓝色的 OPSL（Coherent Taipan），波长分别为 488 nm 和 460 nm。 这样他们就能够简单地“调整”蓝色输出，以便在最终的照明条件下与展厅环境中其他 BMW 显示部分的感知颜色相匹配。