光泵半導體激光技術(Optically Pumped SemiconductorLasers)已經從新一代連續激光技術迅速轉變成為生命科學領域內的主導力量，其具備的一系列獨特優勢使之成為非常有效的工具。本篇文章簡要介紹了OPSL技術的主要特點和優勢。

▼ 波長可擴展性

OPSL 具備獨特的波長靈活性，可以滿足許多激光應用的需求。OPSL近紅外波長取決于 InGaAs(半導體)增益芯片的結構。通過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，通過二倍頻和三倍頻可實現波長從355 nm 到 577 nm的輸出。如此一來，激光光源應用的模式發生了顛覆性的變革。以前，光學工程師不得不從已有的激光源中尋找最接近應用需求的波長，而OPSL打破這些限制，讓他們可以根據應用的實際需求得到所需要的波長。

▼ 功率可擴展性

不同的應用對功率需求有著很大的差異。無論是要求低功率的生命科學領域，還是需要高功率的研究或醫療應用，乃至其他特定應用領域，OPSL 憑借其靈活的功率可擴展性，可以完美地滿足各種需求。通過增大 OPSL 芯片上的光斑尺寸、提高紅外泵浦半導體功率，可以使OPSL功率擴展至瓦量級，而在腔內使用多個 OPSL 芯片的設計，甚至實現了高達70W的功率輸出。

▼ 輸出功率可調且不影響主要的光束參數(無熱透鏡效應)

大多數固態激光器中采用棒狀或板狀晶體作為增益介質。一些泵浦功率會在激光晶體內轉化為熱量并產生垂直于激光束方向的熱梯度。調整泵浦功率會改變熱梯度的強度，如此一來，輸出光束的直徑和發散度也會改變。此外，在一些低性能的DPSS激光器中，熱透鏡不是完美的球形，改變其功率會導致一些高階光束發生畸變。

固態激光器中的熱透鏡效應

光泵浦半導體激光器 – 無熱透鏡效應

在OPSL中，增益介質是一層非常薄(小于 10 微米)的半導體量子阱，同時覆蓋介電層來充當后表面全反射鏡。介質層的另一面與主動降溫散熱器連接，可有效為半導體結構降溫。雖然激光運行仍然會導致徑向熱梯度，但是整個結構非常薄，熱透鏡效應可以忽略不計。因此，指定激光器的功率可以從標稱功率的 10% 平穩調整到 100%，而且不會影響激光輸出的光束質量，發散度、橢圓度和直徑。

測試數據表明M2、光束發散度、橢圓度和直徑基本沒有變化。

▼ 超低輸出噪聲 – 無“綠光噪聲”

什么是綠光噪聲?

DPSS激光器有多個縱模，并且采用腔內倍頻，兩者結合導致功率在不同縱模的分布隨時間漲落。

早期的很多DPSS激光器會受到所謂的“綠光噪聲”的困擾。這個綠光噪聲是由于多縱模通過倍頻晶體相互耦合，同時由于增益介質上能級壽命相對較長(ms量級)，導致多模式獲得增益并產生競爭，使得功率輸出出現不穩定的現象。

與之相比，OPSL增益介質的上能級壽命非常短(只有幾個ns或更短，相當于一個腔內來回的時間)，沒有存儲增益，只有瞬時增益，很大程度上限制了存儲增益和模式競爭，不存在“綠光噪聲”問題。因此OPSL可以提供非常優異的噪聲特性: 在10 Hz - 100 MHz 范圍內噪聲小于 0.02% rms。

腔內倍頻會導致多縱向模式的二極管泵浦固態激光器產生混亂的綠光噪音。光泵浦半導體激光器(如Verdi G)的上能級壽命較短，因此不會產生這種混亂。

▼ 固有可靠性

高效、簡單，是OPSL與其他類型的二極管泵浦激光器相比較的另一項優勢。具體來說，OPSL的泵浦波長只需小于半導體激光器的帶隙即可，而DPSS則需要泵浦波長與特定的增益介質相匹配。OPSL不需要根據精確的波長特性來選擇泵浦二極管，也不需要在激光運行時通過反饋溫度控制回路來保持泵浦波長的穩定，這些特性使OPSL可以降低整體的成本，簡化設計，同時大大增加激光器的可靠性。

OPSL在生命科學領域的裝機量已超過100,000多臺，事實證明，OPSL激光器具有超長的使用壽命，與其他連續激光器(包括離子激光器，DPSS激光器，半導體激光器)相比，其可靠性顯著提高，而擁有成本顯著降低。

生命科學領域的大多數應用基于可激發的熒光染料。隨著染料數量不斷增加，染料的吸收峰各不相同，因此不斷需要新的波長。OPSL固有的波長可擴展性為生命科學領域提供了一個通用的激光源。

在生命科學應用領域(如流式細胞儀、共聚焦顯微鏡、診斷成像或基因組學)，對精度和靈敏度要求極高，而OPSL出色的空間模式質量 TEM00 和優異的低噪聲使其成為該應用領域的不二之選。

審核編輯 黃宇