奧林巴斯顯微鏡半導(dǎo)體激光器

有足夠的輸出功率半導(dǎo)體二極管激光器是在光學(xué)顯微鏡用的是現(xiàn)在可以從一臺(tái)主機(jī)制造商。 一般來(lái)說(shuō)，這些器件工作在紅外區(qū)，而較新的二極管激光器在各種特定可見光波長(zhǎng)的工作正在迅速的發(fā)展。 聯(lián)接到該改進(jìn)的光束形狀和穩(wěn)定性的內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)的二極管激光器現(xiàn)在能夠匹敵氦氖激光器在許多熒光顯微鏡的應(yīng)用程序。 這種互動(dòng)式的教程探討了典型的二極管激光器，以及如何專業(yè)變形棱鏡可以用于擴(kuò)束的屬性。

教程初始化通過(guò)全面運(yùn)作顯示藍(lán)色二極管激光器和耦合到變形棱鏡系統(tǒng)設(shè)置與產(chǎn)生了2×擴(kuò)束的取向。 來(lái)自激光二極管的光進(jìn)入一個(gè)窗口和*棱鏡之前先通過(guò)一個(gè)三元素準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng) 。 為了操作的教程，使用棱鏡取向滑塊以改變兩個(gè)合成棱鏡元件的相對(duì)位置，隨后修改的一系列2倍和6倍之間的激光束的擴(kuò)展程度。 的大小和相應(yīng)的輸入和輸出光束的形狀被顯示在窗口的教程的下部，并且被修改為在滑塊被翻譯。 束可以通過(guò)放置勾選激活快門復(fù)選框退出激光房屋前被暫停。 初始化后，教程顯示二極管激光束為藍(lán)色實(shí)線棱鏡方向滑塊的翻譯后改變寬度。 光束將被改變，以模擬顆粒時(shí)該顆粒復(fù)選框被激活。

二極管激光器被制造利用一種特殊類型的半導(dǎo)體結(jié)，并因此有許多的優(yōu)點(diǎn)和其他半導(dǎo)體和固態(tài)器件的特性。雖然這些激光器依靠電子進(jìn)程的發(fā)生在固體半導(dǎo)體介質(zhì)，激光作用在二極管激光器的基本原則是沒(méi)有從那些控制其他（非半導(dǎo)體）激光系統(tǒng)的操作不同。 在所有的激光器，有必要對(duì)能量躍遷發(fā)生在激光介質(zhì)的電子當(dāng)中，并且其中的一些必須涉及的光子的發(fā)射（歸類為光學(xué)躍遷）。 為了使這些躍遷導(dǎo)致放大的光的發(fā)射， 受激發(fā)射的過(guò)程中，必須凌駕于要么自發(fā)發(fā)射或吸收 。 這種情況是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的活性介質(zhì)，一個(gè)過(guò)程，由此上部能級(jí)的電子人口被誘導(dǎo)生長(zhǎng)比較低水平較大的條件下實(shí)現(xiàn)的。

在非半導(dǎo)體激光器，其通常采用單一氣體或氣體混合物作為活性激光介質(zhì)，電子能量躍遷單個(gè)原子或分子的群體內(nèi)發(fā)生，以產(chǎn)生所需的人口反轉(zhuǎn)。 為用于二極管激光器的半導(dǎo)體材料，電子內(nèi)的結(jié)晶固體的流動(dòng)必須發(fā)生在一個(gè)特定的和可預(yù)測(cè)的方式，以便產(chǎn)生一個(gè)正常運(yùn)作的激光。 的單晶半導(dǎo)體表現(xiàn)在許多方面作為一個(gè)大的擴(kuò)展的分子，并且其電子和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在由量子理論預(yù)測(cè)的離散能級(jí)。 單個(gè)原子和分子的能級(jí)在氣態(tài)激光介質(zhì)可以在相對(duì)大的步顯著變化。 然而，在一晶狀固體，發(fā)生非常大的數(shù)目的電子水平相差很少能量或在量子數(shù)。

在一般情況下，個(gè)人層面的能量趨向于組在一起成為幾乎連續(xù)的能量帶，其中*低的是完全占據(jù)（填充）帶，其由組成晶體的原子的內(nèi)層電子的。 這些緊密結(jié)合的電子不參與固體的組成原子之間的鍵合。 相反，接合作用是由駐留在價(jià)帶 ，它由電子在該相互作用中對(duì)以形成固體的原子之間有所本地化債券更高的能量水平的電子進(jìn)行。 另一個(gè)頻帶，稱為導(dǎo)帶 ，也處于靜止更高能級(jí)存在于固體狀態(tài)。 導(dǎo)帶電子的能量到已被提升到激發(fā)態(tài)中的單個(gè)原子或分子的電子相似，而這些具有自由的高度內(nèi)的固體移動(dòng)。 在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差被定義為帶隙的特定材料。 在不同類型的材料，包括絕緣體，半導(dǎo)體和導(dǎo)體的頻帶的能量的關(guān)系，示于圖1中的帶隙能量由變量E（g）表示，而KT是熱激發(fā)能量和E（六）為費(fèi)米能量。

在的帶隙大小的范圍是要理解電子傳導(dǎo)的半導(dǎo)體的性質(zhì)的關(guān)鍵。 為了使固體導(dǎo)電，其電阻必須很低足以使電子在整個(gè)本體的材料的更多或更少的自由移動(dòng)。 在絕緣子，價(jià)帶被完全占用并且通過(guò)它的電子可以從原子移動(dòng)到原子的*手段是一個(gè)價(jià)電子可位移到導(dǎo)帶，這需要的能量的相當(dāng)大的開支。 此行為與在絕緣體的電流的高電阻相一致。 導(dǎo)體，比如很多的普通金屬，具有價(jià)帶和導(dǎo)帶，在能量（參見圖1）部分地重疊，使得從價(jià)帶的電子的一個(gè)子集實(shí)際上駐留在導(dǎo)帶。 帶隙基本上為零對(duì)這些材料，并與一些價(jià)電子自由移動(dòng)到導(dǎo)帶的，空缺或孔發(fā)生在價(jià)帶。 電子移動(dòng)，用很少的能量輸入，成占據(jù)相鄰原子的頻帶孔，并且所述孔在相反方向上自由遷移。 電子和空穴在整個(gè)固體的運(yùn)動(dòng)是由當(dāng)前執(zhí)行的機(jī)制。（奧林巴斯顯微鏡）

半導(dǎo)體具有電阻值是那些絕緣體和導(dǎo)體，因?yàn)檫@些材料具有帶隙，其體積小，但有限的（在圖1中示出）之間的中間。 正常熱攪動(dòng)足以移動(dòng)至一個(gè)小數(shù)目的電子到導(dǎo)帶，并性可通過(guò)提高溫度來(lái)降低。 許多半導(dǎo)體器件被設(shè)計(jì)成一個(gè)電壓的該應(yīng)用程序產(chǎn)生在均衡電子人口分布的變化所必需的電流的流動(dòng)。

*簡(jiǎn)單和*常用的半導(dǎo)體是硅，其中，在固體形式股電子與四個(gè)相鄰的四面體對(duì)稱各原子。 硅是*經(jīng)常用來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體的各種特性的例子中，雖然在半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用的許多重要的材料是基III和V族元素，包括砷化鎵，磷化銦，和砷化銦的化合物。 即使帶布置是類似的所有半導(dǎo)體，有在帶隙和電子的頻帶在特定的溫度條件中的分布差異大。

純硅不具有電荷載體在環(huán)境條件下有足夠數(shù)量是實(shí)用的設(shè)備如二極管激光器。 但是，硅的性質(zhì)，以及與其他的半導(dǎo)體材料，可在合成過(guò)程中通過(guò)引入不同的雜質(zhì)的量進(jìn)入晶格，被稱為摻雜的過(guò)程的修改（參見圖2）。使用的硅晶格，如圖2的示例，引入在電子赤字少量的Ⅲ族元素的結(jié)果，或電子空穴（藍(lán)色原子），在結(jié)晶晶格時(shí)相比，純的正常電子共享安排硅。 與此相反，除V族元素作為摻雜劑（圖2中的紅色原子）的產(chǎn)生過(guò)量的電子，是不是晶格的共享成員，并因此在結(jié)構(gòu)中移動(dòng)。 被修改，或摻雜的，在這種方式的半導(dǎo)體材料被稱為n型半導(dǎo)體，如果他們有過(guò)量的電子，和p型半導(dǎo)體，如果它們含有過(guò)量的孔。

在p型和n型半導(dǎo)體材料的區(qū)域之間的交界處，一個(gè)不尋常的一套電子的條件的存在，其包括基礎(chǔ)對(duì)所有基于半導(dǎo)體的設(shè)備，包括二極管激光器。 當(dāng)這兩種類型的半導(dǎo)體材料的緊密接合，之間的能量水平的平衡分布的任何移可以使電流穿過(guò)pn結(jié)流動(dòng)（見圖2和3）。 在半導(dǎo)體器件中，施加到連接點(diǎn)的電壓提供結(jié)的相對(duì)兩側(cè)中的費(fèi)米能級(jí)的移位（從統(tǒng)計(jì)，或玻爾茲曼的偏差，電子人口分布），和電子同時(shí)移向p型區(qū)域，而空穴流入n型區(qū)域。 在某些情況下，該系統(tǒng)可以通過(guò)光子的由自發(fā)發(fā)射的工序排放放松返回到平衡電子分布。 該材料的帶隙決定發(fā)射的光子的能量。 光從電子和空穴中的pn結(jié)區(qū)的重組得到的發(fā)射是發(fā)光二極管（LED），這直接關(guān)系到二極管激光器功能的機(jī)制。 如圖3中所示的能帶結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型的pn半導(dǎo)體結(jié)的表示。

如先前所討論的，如果在材料中的電子躍遷可以被誘導(dǎo)以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以及隨之而來(lái)的概率受激發(fā)射的統(tǒng)計(jì)學(xué)越高，則凈光放大的結(jié)果。 在一個(gè)典型的激光器，所產(chǎn)生的光被限制到活性介質(zhì)，和相對(duì)的反射鏡被用于產(chǎn)生在介質(zhì)中多次反射，以增加從激光腔中的光輸出的增益。 一個(gè)反射鏡被設(shè)計(jì)為完全的光反射回到空腔中，而另一種是能夠傳送放大的光作為輸出束的一部分。 這個(gè)簡(jiǎn)單的方案是激光功能的主要依據(jù)。

在p型和n型半導(dǎo)體之間的交界處，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以電子和空穴的能級(jí)之間創(chuàng)建如果有足夠的電能被施加到結(jié)。 用受激發(fā)射而導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主導(dǎo)地位，對(duì)激光作用僅存要求是限制發(fā)射，以便它主要針對(duì)沿交界的邊界，并且從該半導(dǎo)體材料被發(fā)射之前經(jīng)過(guò)放大或增益。 在二極管激光器器件，發(fā)射的光的限制到光腔通過(guò)施加反射涂層至該激光晶體的相對(duì)端通常被實(shí)現(xiàn)。 然而，在一些情況下，則不需要甚至這個(gè)簡(jiǎn)單的步驟。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的半導(dǎo)體材料的折射率高于空氣的顯著高，足以內(nèi)反射發(fā)生在晶體來(lái)限制發(fā)射和維持激光作用在許多激光材料的邊界。 圖4示出了一個(gè)簡(jiǎn)單的砷化鎵二極管激光器的結(jié)構(gòu)。

大多數(shù)二極管激光器是基于III-V族化合物選自周期表的元素的晶體晶片。 那些從砷化鎵和其典型地產(chǎn)生激光在660和900納米之間的波長(zhǎng)的衍生物制成的，和那些利用磷化銦系化合物產(chǎn)生1300和1550納米之間的波長(zhǎng)。 市場(chǎng)的主導(dǎo)段是短波長(zhǎng)激光，具有在數(shù)字光信號(hào)的存儲(chǔ)和檢索，如小型盤音頻系統(tǒng)中*常見的應(yīng)用是與讀/寫設(shè)備。 長(zhǎng)波長(zhǎng)的二極管激光器主要用于由電信行業(yè)對(duì)于光纖數(shù)據(jù)傳輸。 二極管激光器可以響應(yīng)非常迅速，并且以線性方式，以改變驅(qū)動(dòng)電流，這是在電信傳輸?shù)娘@著優(yōu)勢(shì)。 在非常高的速率被調(diào)制的光源的功能使信號(hào)的巨大數(shù)目，在一個(gè)單一的光纖承載。

為圍繞所述二極管激光器的技術(shù)的演進(jìn)，顯著改善已在效率，光譜特性，以及裝置的功能壽命。 在這些激光器的設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)是防止輻射的內(nèi)部損失，由于從小交界處，在那里增益出現(xiàn)過(guò)度的光束傳播。 通過(guò)各種技術(shù)，用于在光束，不僅是激光*大化的效率和輸出功率，而且某些其他特性的光束受到影響在所希望的方式進(jìn)行。

一個(gè)專門的異質(zhì)結(jié) （兩種不同材料之間的交界處）的應(yīng)用是通過(guò)該半導(dǎo)體結(jié)的天然特性被用來(lái)限制激光束的一種機(jī)制。 *常見的異質(zhì)結(jié)中的二極管激光器利用被砷化鎵和鎵砷化鋁之間形成。 從該異種材料之間的帶隙差異起到限制電子或空穴的結(jié)區(qū)的事實(shí)利用這一設(shè)計(jì)結(jié)果改進(jìn)激光操作（增加光學(xué)增益）。 發(fā)射的光也主要限于該區(qū)域，由于異質(zhì)結(jié)的折射率不連續(xù)性。 雙異質(zhì)結(jié)是另一個(gè)事先從兩者的禁閉好處電荷載體和光子的有源區(qū)域，得到進(jìn)一步提高效率。

雖然結(jié)屬性和配置可以被操縱以限制所述二極管的激光束的結(jié)平面，在晶片幾何其它修改常常用來(lái)進(jìn)一步限制光束。 在二極管結(jié)構(gòu)的許多變化被施加以達(dá)到特定的業(yè)務(wù)目標(biāo)，諸如高功率或帶寬調(diào)諧，但兩個(gè)用于光束擴(kuò)散控制的*基本的機(jī)制是增益引導(dǎo)和指數(shù)引導(dǎo) 。 與增益波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，由于*早二極管激光器利用，光子被集中在結(jié)造成的*大電荷載流子的磁通，這是由在晶片表面上的金屬電極條的形狀來(lái)確定的附近。 所述折射率導(dǎo)引設(shè)計(jì)依賴于在沉積過(guò)程中形成在晶片的波導(dǎo)槽。 凹槽，相鄰的活性結(jié)，將創(chuàng)建的幾何形狀由折射率不連續(xù)地限制激光輻射四面。 所述折射率導(dǎo)引激光器具有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)在于，它降低了象散的輸出光束，即必須對(duì)許多應(yīng)用被消除二極管激光器的一個(gè)不幸的特征。

盡管他們的許多優(yōu)點(diǎn)，一些由二極管激光器顯示出的輸出光束的特性是不適合用于特定的應(yīng)用，并且必須通過(guò)加入光學(xué)元件或其他由機(jī)制來(lái)校正。 大多數(shù)的二極管激光器的輸出由一個(gè)單橫模，它等效于TEM的傳統(tǒng)激光系統(tǒng)（00）的模式。 在梁的橫向方向上的強(qiáng)度分布是偽高斯，這是理想的在光學(xué)顯微鏡大多數(shù)激光應(yīng)用。然而，從一個(gè)典型的二極管激光器發(fā)射的光束是高度橢圓形的，并且光束發(fā)散的相比則對(duì)稱高斯光束的說(shuō)明書顯著不同。 圖4中，其中概述的二極管激光器的基本結(jié)構(gòu)，還示出了光束的橢圓時(shí)發(fā)射從有源層的輸出面。光束不對(duì)稱導(dǎo)致一個(gè)事實(shí)，即一個(gè)典型結(jié)可以具有一個(gè)厚度僅為0.1微米，但可延伸至5微米或更大的寬度。其結(jié)果是，發(fā)散在平行于結(jié)層的平面可以比在垂直的方向上的層少5或6次。 準(zhǔn)直光束將呈現(xiàn)發(fā)散在一距離，該距離是在兩個(gè)方向上不同。 如果此光束不對(duì)稱是用于特定應(yīng)用的重要，它可以與專門的光學(xué)系統(tǒng)，如合成棱鏡，它通過(guò)擴(kuò)展輸出光束的短軸功能進(jìn)行校正。 教程說(shuō)明了這些棱鏡在一個(gè)典型的二極管激光器系統(tǒng)的光路的位置和利用。

光束散光是激光二極管的另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，特別是在增益導(dǎo)引設(shè)計(jì)。 因?yàn)楣馐叽缬蓪傩栽谟趶哪切┰谄矫娲怪庇诮Y(jié)不同的結(jié)的平面中定義，光束似乎來(lái)自不同分來(lái)自這兩個(gè)正交方向觀察時(shí)，以發(fā)散。 折射率波導(dǎo)激光器大大減少散光，但商業(yè)激光二極管典型地顯示出未校正散光的多達(dá)5微米。 *簡(jiǎn)單的技術(shù)，用于校正散光是引入弱柱面透鏡。 然而，如果完全除去像差是必要的，該激光系統(tǒng)應(yīng)提供可調(diào)節(jié)輔助透鏡元件（如正或負(fù)的透鏡來(lái)添加或從所述軸中減去功率）。

低功率激光二極管典型地制造在一個(gè)包，其中包括用來(lái)監(jiān)控激光輸出，以作為一個(gè)反饋功率控制的光電二極管。 此外，平面玻璃窗口通常密封的集成封裝的輸出端（參見圖4）。 通過(guò)這個(gè)窗口引入球面象差，必須在束修改光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)*佳的性能進(jìn)行校正。

二極管激光器的高發(fā)散可通過(guò)利用具有高數(shù)值孔徑化合物元件的準(zhǔn)直透鏡，它也可以被設(shè)計(jì)為使得透鏡系統(tǒng)的*元件消除像差從玻璃窗的被校正。 市售二極管激光系統(tǒng)通常結(jié)合在激光二極管和光束校正光學(xué)成預(yù)對(duì)準(zhǔn)的頭組件。 在這些設(shè)計(jì)中，一個(gè)弱柱面透鏡放置在光束準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)后可以糾正前面提到的光束散光，和確保原點(diǎn)的光束的視點(diǎn)是在兩個(gè)正交平面是相同的。

以下的光束準(zhǔn)直，以盡量減少遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，所述橢圓形橫截面，必須通過(guò)擴(kuò)展在一維變換，使其圓形。 合成棱鏡對(duì)，安裝如圖教程和圖5中，可以完成這種擴(kuò)張。 兩個(gè)相同的棱鏡被安裝在一個(gè)角度（接近布魯斯特角）的入射光束，然后以小的增量移動(dòng)橫向，同時(shí)在一個(gè)方向（失真地）被擴(kuò)大。 膨脹的大小由兩個(gè)棱鏡之間的角度來(lái)確定。 對(duì)于二極管激光器系統(tǒng)的*佳性能，對(duì)準(zhǔn)公差非常小，通常在微米級(jí)。 干涉是進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證激光器組件的性能的*可靠的方法。 由于這個(gè)原因，大多數(shù)商業(yè)組件結(jié)合所有的激光組件中的剛性包裝，保護(hù)對(duì)準(zhǔn)，并從塵埃屏蔽的光學(xué)元件。