氮化镓激光器（GaN Laser）是一种半导体激光二极管，它利用氮化镓及其合金（如铟镓氮化物InGaN或铝镓氮化物AlGaN）作为有源激光介质。这类激光器以其在电磁波谱的紫外（UV）、紫、蓝和绿色区域发射光的能力而闻名，波长通常在375纳米到530纳米之间。
工作原理
氮化镓激光器的工作原理基于半导体P-N结内的电致发光和受激发射。
- 载流子注入：当施加正向电偏压时，来自N型层的电子和来自P型层的空穴被注入到有源区（即“量子阱”）。
- 复合：当电子和空穴在有源区复合时，它们以光子形式释放能量。氮化镓材料系统较宽的带隙决定了这些光子具有高能量，对应着短波长（蓝色/紫外）。
- 受激发射：一个光学谐振腔（通常由半导体晶体解理面作为反射镜形成）将光子来回反射。这会触发受激发射，即一个光子刺激发射出相同的光子，从而将光放大成相干的激光束。
物理结构
氮化镓激光器的结构非常复杂，依赖于金属有机化学气相沉积（MOCVD）等外延生长技术。其基本物理结构包括：
- 衬底：历史上是蓝宝石或碳化硅（SiC），但现在越来越多地使用原生、自支撑的氮化镓衬底，以减少缺陷密度并改善热管理。
- 包层：AlGaN层包围着波导区。它们具有较低的折射率，有助于将光垂直限制在有源区内。
- 波导层：通常由GaN或InGaN制成，这些层在水平方向上引导光线。
- 有源区：多量子阱（MQW）结构，通常由交替的非常薄的InGaN和GaN层组成。这是电子-空穴复合发生的地方。
- 电极：芯片顶部（p型电极）和底部（n型电极）的金属电极，用于注入电流。
关键光学指标
在为光学系统选择氮化镓激光器时，需要评估几个关键指标：
- 中心波长（λc）：峰值发射波长，主要取决于InGaN量子阱中的铟含量（例如，405纳米、450纳米、520纳米）。
- 阈值电流（Ith）：启动受激发射（激光）所需的最小电流。
- 光输出功率：从消费电子产品中的几毫瓦（mW）到工业应用中的几瓦（W）不等。
- 光束发散度：半导体激光器自然具有椭圆形、发散的光束。它以度为单位测量，包括快轴（垂直于结）和慢轴（平行于结）。
- 光谱宽度（∆λ）：发射光谱的窄度，对于法布里-珀罗边发射器，通常为几纳米。
分类和类型
- 边发射激光器（EELs）：最常见的类型。激光束从半导体芯片的边缘发射。它们能够实现高光输出功率。
- 垂直腔面发射激光器（VCSELs）：激光束垂直于芯片顶部表面发射。由于在氮化镓材料系统中制造高反射率镜片（分布式布拉格反射器）的挑战，氮化镓VCSEL的制造非常困难，但它们具有圆形光束剖面和制造成密集2D阵列的优点。
- 单模与多模：单模激光器提供高度相干、衍射受限的光束，非常适合精密光学应用，而多模激光器则在主要需求是高功率时使用（例如在激光投影仪中）。
应用
氮化镓激光器短波长使其在需要高分辨率、高能量或特定材料相互作用的应用中至关重要：
- 高密度光存储：405纳米紫激光是蓝光光盘的核心技术。
- 激光投影与显示：高功率蓝色和绿色氮化镓激光器与红色激光器结合使用，可实现鲜艳、高流明的激光投影仪。
- 医疗和生物医学仪器：用于流式细胞仪、荧光光谱和共聚焦显微镜。
- 材料加工：微加工和3D打印（特别是光固化（SLA），其中紫外/紫光固化光敏聚合物树脂）。
实际案例：蓝光光盘拾取单元（OPU）
405纳米氮化镓激光二极管的一个经典实际应用是蓝光播放器的光盘拾取单元（OPU）。由于405纳米波长比DVD中使用的650纳米红激光短得多，它可以聚焦成更小的光斑尺寸，从而能够读取光盘上更小的数据坑。
光路：
- 光源：氮化镓激光二极管发出发散的、椭圆形405纳米光束。
- 光束整形：光线穿过准直透镜以使光线平行，通常还会穿过一对变形棱镜以将椭圆形光束校正为圆形轮廓。
- 光路路由：光束穿过偏振分束器（PBS）和四分之一波片，这将在稍后帮助路由返回的光线。
- 聚焦：高数值孔径（NA = 0.85）物镜将光线紧密聚焦到旋转蓝光光盘的数据层上。
- 返回路径：光线从光盘反射回来，穿过物镜，并通过四分之一波片旋转其偏振。由于这种旋转，PBS现在反射返回的光束，而不是让它直接穿过。
- 检测：反射光被路由到光电二极管阵列，该阵列将（来自光盘数据坑的）变化的强度转换为数字电信号。
