浅析推动生命科学发展的OPSL技术（二）

光泵半导体激光技术(Optically Pumped SemiconductorLasers)已经从新一代连续激光技术迅速转变成为生命科学领域内的主导力量，其具备的一系列独特优势使之成为非常有效的工具。本篇文章简要介绍了OPSL技术的主要特点和优势。

▼ 波长可扩展性

OPSL 具备独特的波长灵活性，可以满足许多激光应用的需求。OPSL近红外波长取决于 InGaAs(半导体)增益芯片的结构。通过更改增益芯片中量子阱的组成成分和大小，OPSL 可以输出700 nm - 1200 nm 之间的任意波长，通过二倍频和三倍频可实现波长从355 nm 到 577 nm的输出。如此一来，激光光源应用的模式发生了颠覆性的变革。以前，光学工程师不得不从已有的激光源中寻找最接近应用需求的波长，而OPSL打破这些限制，让他们可以根据应用的实际需求得到所需要的波长。

▼ 功率可扩展性

不同的应用对功率需求有着很大的差异。无论是要求低功率的生命科学领域，还是需要高功率的研究或医疗应用，乃至其他特定应用领域，OPSL 凭借其灵活的功率可扩展性，可以完美地满足各种需求。通过增大 OPSL 芯片上的光斑尺寸、提高红外泵浦半导体功率，可以使OPSL功率扩展至瓦量级，而在腔内使用多个 OPSL 芯片的设计，甚至实现了高达70W的功率输出。

▼ 输出功率可调且不影响主要的光束参数(无热透镜效应)

大多数固态激光器中采用棒状或板状晶体作为增益介质。一些泵浦功率会在激光晶体内转化为热量并产生垂直于激光束方向的热梯度。调整泵浦功率会改变热梯度的强度，如此一来，输出光束的直径和发散度也会改变。此外，在一些低性能的DPSS激光器中，热透镜不是完美的球形，改变其功率会导致一些高阶光束发生畸变。

固态激光器中的热透镜效应

光泵浦半导体激光器 – 无热透镜效应

在OPSL中，增益介质是一层非常薄(小于 10 微米)的半导体量子阱，同时覆盖介电层来充当后表面全反射镜。介质层的另一面与主动降温散热器连接，可有效为半导体结构降温。虽然激光运行仍然会导致径向热梯度，但是整个结构非常薄，热透镜效应可以忽略不计。因此，指定激光器的功率可以从标称功率的 10% 平稳调整到 100%，而且不会影响激光输出的光束质量，发散度、椭圆度和直径。

测试数据表明M2、光束发散度、椭圆度和直径基本没有变化。

▼ 超低输出噪声 – 无“绿光噪声”

什么是绿光噪声?

DPSS激光器有多个纵模，并且采用腔内倍频，两者结合导致功率在不同纵模的分布随时间涨落。

早期的很多DPSS激光器会受到所谓的“绿光噪声”的困扰。这个绿光噪声是由于多纵模通过倍频晶体相互耦合，同时由于增益介质上能级寿命相对较长(ms量级)，导致多模式获得增益并产生竞争，使得功率输出出现不稳定的现象。

与之相比，OPSL增益介质的上能级寿命非常短(只有几个ns或更短，相当于一个腔内来回的时间)，没有存储增益，只有瞬时增益，很大程度上限制了存储增益和模式竞争，不存在“绿光噪声”问题。因此OPSL可以提供非常优异的噪声特性: 在10 Hz - 100 MHz 范围内噪声小于 0.02% rms。

腔内倍频会导致多纵向模式的二极管泵浦固态激光器产生混乱的绿光噪音。光泵浦半导体激光器(如Verdi G)的上能级寿命较短，因此不会产生这种混乱。

▼ 固有可靠性

高效、简单，是OPSL与其他类型的二极管泵浦激光器相比较的另一项优势。具体来说，OPSL的泵浦波长只需小于半导体激光器的带隙即可，而DPSS则需要泵浦波长与特定的增益介质相匹配。OPSL不需要根据精确的波长特性来选择泵浦二极管，也不需要在激光运行时通过反馈温度控制回路来保持泵浦波长的稳定，这些特性使OPSL可以降低整体的成本，简化设计，同时大大增加激光器的可靠性。

OPSL在生命科学领域的装机量已超过100,000多台，事实证明，OPSL激光器具有超长的使用寿命，与其他连续激光器(包括离子激光器，DPSS激光器，半导体激光器)相比，其可靠性显著提高，而拥有成本显著降低。

生命科学领域的大多数应用基于可激发的荧光染料。随着染料数量不断增加，染料的吸收峰各不相同，因此不断需要新的波长。OPSL固有的波长可扩展性为生命科学领域提供了一个通用的激光源。

在生命科学应用领域(如流式细胞仪、共聚焦显微镜、诊断成像或基因组学)，对精度和灵敏度要求极高，而OPSL出色的空间模式质量 TEM00 和优异的低噪声使其成为该应用领域的不二之选。

审核编辑 黄宇