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紫外激光器
发表时间:2020-08-11     阅读次数:146     字体:【


紫外激光器

  紫外激光二极管是一个比LED还要难做的器件,更复杂的异质结结构和更高的电流密度对半导体材料提出了更高的要求。

1简介

  400nm波长的紫光二极管已有商品出售,它是建立在三元系化合物铟镓砷基础上的,但如果不加铝,就不可能让其将波长缩短到360nm。但添加铝,会影响器件的寿命。向更短波长发展,还会在光子限制、非辐射过程、维持粒子数反转等方面带来新的难题。
  所有这些因素都使激光二极管的室温运转波长不得不比LED波长长得多。对毫瓦级激光器来说,最短波长在370nm,寿命为数百小时。在CLEO 2004(旧金山,加州)会议上,Cree(Durham, NC)报导:他们研制的激光二极管,可在348nm波长连续运转和在343nm波长脉冲运转,但输出功率和运转寿命都非常低。DARPA希望激光器的运转寿命,在室温,能达到数千小时。
  对半导体激光器的主要兴趣在于:它能用于高端生物传感器,能比LED的预警系统提供更精确的信息。激光是可以调谐的,可以将其波长调谐到与峰值吸收波长匹配。这样,便可用激光器传感器来监视某种特殊的制剂,这种特殊的制剂在该波长发射的荧光最强。这些传感器可用来保护重要目标,如重要建筑或军事设施。对可能已经遭受生物制剂袭击的人进行诊断,确定特定病毒,也许还需要采用其它生物技术和其它实验室条件,这大约需要几个小时。
  Palo Alto研究中心(PARC; Palo Alto, CA)一直努力工作,希望二极管激光器能在320nm波长运转。现在,他们已经演示了光学泵浦的激光异质结,可在308nm波长工作。他们正在改善它们的电学性质。PARC的Noble Johnson认为:他们小组离获得电驱动的320nm激光器已经不远了,但还不能预言何时才能使它们真正受激。他补充说:“现在,困难是如何才能将阈值电压、阈值电流降到合理水平,我们正在稳步前进”。

2分类

  固体紫外激光器
  固体紫外激光器按泵浦方式分为氙灯泵浦紫外激光器、氪灯泵浦紫外激光器以及新型的激光二极管泵浦全固态激光器。固体紫外激光器光电转换效率一般较低,而LD全固态紫外激光器则具有效率高、重频高、性能可靠、体积小、光束质量较好及功率稳定等特点。
  由于紫外光子能量大,难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续紫外激光,故实现紫外连续波激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生。全固态紫外激光谱线产生的方法一般有两种,一是直接对红外全固体激光器进行腔内或腔外3倍频或4倍频来得到紫外激光谱线;二是先利用倍频技术得到二次谐波然后再利用和频技术得到紫外激光谱线。前一种方法有效非线性系数小,转换效率低,后一种方法由于利用的是二次非线性极化率,转换效率比前一种高很多。晶体倍频可实现连续紫外激光,其光束形状为高斯型,所以光斑呈圆形,能量从中心到边缘逐渐下降。由于波长短和光束质量限制,光束可以聚焦在10微毫米量级范围。
  气体紫外激光器
  气体激光器包括以脉冲方式工作的准分子激光器、以连续方式工作的离子激光器和氦-镉激光器以及金属蒸气紫外激光器。气体紫外激光器的波长依赖于所使用的气体混合物类型。
  准分子激光器是一种脉冲激光器,产生的光束呈非矩形,光束截面强度大致均匀且光斑边缘陡,其输出可使用掩膜技术来产生不同几何形状的光斑,也可使用全息术来产生具体的光束能量图样。准分子激光的产生可分3个过程,即:激光气体的激励过程、准分子生成反应过程和准分子解离过程。其激励方式有电子束激励、放电激励、光激励、微波激励和质子束激励等。不同活性物质产生不同波长的准分子激光,一般为紫外、远紫外和真空紫外波段。准分子激光器是二氧化碳激光器和YAG激光器之后的新一代激光器。其所发出的紫外短脉冲激光具有波长短、光子能量高等优点。常用的准分子激光器有ArF、KrCl、KrF等。激光脉冲频率一般在10~100Hz,有些特殊用途的能够达到1000Hz,平均功率一般在10~100W,脉冲宽度一般在ns量级。
  金属蒸气紫外激光器主要指铜蒸气紫外激光器,它产生波长为511nm和578nm的光,利用混频和倍频则可产生波长为255nm,271nm和289nm的紫外辐射。激光器光束分布服从高斯分布。
  气体激光器应用中的突出问题是设备占地面积大、可靠性有限、寿命短、高能耗和高费用。而且,准分子激光光束质量差,掩膜损失大。离子激光器和氦-镉激光器存在光束方向稳定性差的缺点。
  半导体激光二极管
  20世纪80年代中期以来,半导体制造技术的发展以及与激光技术的结合,催生了半导体激光二极管,这类兼具半导体和激光器特性的激光源,具有更高的峰值功率和较低的能耗,且它的发射脉宽也较窄,本身不需要温度和光学补偿,比传统的发射光源具有明显的优势,并成为中紫外波段AlGaN发展的重点方向。因为该波段紫外辐射的激发效率最高,其输出效率也比较高。
  为了使紫外线辐射源更为实用化,半导体紫外二极管发展的一个方向是大幅缩小现有紫外激光器及其电源的体积和功耗,另一个方向是开发发射波长为280nm、功耗小于10mW的发光二极管以及发射波长为340nm、功耗小于25mW的激光二极管。

3紫外激光器应用

  紫外激光器(UV laser),主要应用于先进研究、开发和工业制造装备,同时广泛用于生物技术和医疗设备、需要紫外光线辐射的消毒设备。基于Nd:YAG/Nd:YVO4晶体开发的DPSS紫外激光器是微加工系统的绝佳选择,并且广泛用于印刷电路板和消费电子产品。
  目前,紫外激光器非常适合于科研、工业、OEM系统集成开发。科研方面,紫外激光器可以用于原子/分析光谱、化学动力学等方面的研究。工业方面,基于紫外激光器生产的磁盘的数据存储盘空间比蓝光激光器高出20倍。因此,日本计算机硬件制造商正在努力将紫外激光器和紫外激光管应用于计算机数据存储技术,以便大幅增加数据存储能力。
  未来,紫外激光技术将催生新一代纳米技术、材料科学、生物技术、化学分析、等离子体物理等学科的发展。紫外激光到红外激光,光电子技术将成为人类发展的根基,而紫外激光技术正成为新的研究和应用热点。


 
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