浅析推动生命科学发展的光泵半导体激光（OPSL）技术（一）

在生命科学领域，光泵半导体激光器 (Optically Pumped Semiconductor Lasers, OPSL)这一颠覆性技术已经被广泛使用。相较于传统的气体激光器，OPSL激光器具备高性能、高可靠性、低使用成本等优势。

▼ 应用背景要求

数十年来，可见光和紫外光连续激光器已在医学诊断、生物成像和其他生命科学应用领域的各种仪器中得到广泛应用。典型的应用实例包括流式细胞仪、共聚焦显微镜、高通量基因测序、病毒检测等。不同应用采用的技术不同，且有不同的操作原理，但它们对自身激光源有着极其相似的要求：

● 良好的空间模式质量

● 低噪声

● 高指向稳定性

在实际使用中，尤其对OEM制造商而言，更具优势的激光源要求:

● 长使用寿命

● 高可靠性

● 设备间良好一致性

● 较低的使用成本

流式细胞术、高通量基因测序、病毒检测等

这些应用领域中最早采用气体激光器作为激光源，特别是离子激光器和氦氖激光器，后为半导体激光器和固态激光器所取代。虽然这几类激光器都能满足生命科学应用领域对激光源的基本要求，但在能耗、波长输出、实际使用时的限制等方面都存在明显的不足。OPSL激光器的低能耗、波长可扩展等特点完美的解决了这些问题。

▼ OPSL技术原理

在OPSL中，增益介质是一块大面积的半导体 VCSEL芯片。这是一种单片 Ill-V 族半导体芯片，包括量子阱结构和DBR(分布式布拉格反射器)。量子阱结构经过特殊设计，用于高效吸收泵浦光并发射激光，而它下方的DBR是另一种半导体结构，可以对OPSL特定的输出波长进行优化，损耗低。

泵浦光由一个或多个半导体二极管激光器提供，泵浦VCSEL增益芯片，产生的红外激光输出经输出耦合器上的二向色薄膜反射，然后透过倍频晶体，经后腔镜反射，形成谐振腔;而红外激光经过倍频晶体产生可见光激光经输出耦合器输出并离开激光腔。当需要紫外光输出时，在腔内加入另一种晶体，通过在 OPSL 腔内三倍频晶体来产生紫外光。OPSL 的腔内倍频效率高，这让其成为实现谐波波长扩展的理想选择。

OPSL 的输出波长由增益芯片中的量子阱结构决定，可设定为近红外光谱中的任意波长。然后，通过高效的腔内倍频(二倍频或三倍频)技术可以将输出波长转换为可见光或者紫外光输出。整个可见光谱和紫外光范围内。此外，可以通过增加泵浦光功率来提高 OPSL 输出功率。因此，OPSL技术在波长和功率方面都具有很好的可扩展性，使其成为一个能够高度迎合未来需求的激光技术平台。

▼ OPSL优势

OPSL具有灵活可调的波长、可扩展的功率、高效的倍频转换、优异的光束质量等多种优势, 无论是在使用成本、可靠性和使用寿命等方面都极具竞争力。

审核编辑 黄宇