奧林巴斯顯微鏡半導體激光器

有足夠的輸出功率半導體二極管激光器是在光學顯微鏡用的是現在可以從一臺主機制造商。 一般來說，這些器件工作在紅外區，而較新的二極管激光器在各種特定可見光波長的工作正在迅速的發展。 聯接到該改進的光束形狀和穩定性的內部的光學系統的二極管激光器現在能夠匹敵氦氖激光器在許多熒光顯微鏡的應用程序。 這種互動式的教程探討了典型的二極管激光器，以及如何專業變形棱鏡可以用于擴束的屬性。

教程初始化通過全面運作顯示藍色二極管激光器和耦合到變形棱鏡系統設置與產生了2×擴束的取向。 來自激光二極管的光進入一個窗口和*棱鏡之前先通過一個三元素準直透鏡系統 。 為了操作的教程，使用棱鏡取向滑塊以改變兩個合成棱鏡元件的相對位置，隨后修改的一系列2倍和6倍之間的激光束的擴展程度。 的大小和相應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。 束可以通過放置勾選激活快門復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色實線棱鏡方向滑塊的翻譯后改變寬度。 光束將被改變，以模擬顆粒時該顆粒復選框被激活。

二極管激光器被制造利用一種特殊類型的半導體結，并因此有許多的優點和其他半導體和固態器件的特性。雖然這些激光器依靠電子進程的發生在固體半導體介質，激光作用在二極管激光器的基本原則是沒有從那些控制其他（非半導體）激光系統的操作不同。 在所有的激光器，有必要對能量躍遷發生在激光介質的電子當中，并且其中的一些必須涉及的光子的發射（歸類為光學躍遷）。 為了使這些躍遷導致放大的光的發射， 受激發射的過程中，必須凌駕于要么自發發射或吸收 。 這種情況是粒子數反轉的活性介質，一個過程，由此上部能級的電子人口被誘導生長比較低水平較大的條件下實現的。

在非半導體激光器，其通常采用單一氣體或氣體混合物作為活性激光介質，電子能量躍遷單個原子或分子的群體內發生，以產生所需的人口反轉。 為用于二極管激光器的半導體材料，電子內的結晶固體的流動必須發生在一個特定的和可預測的方式，以便產生一個正常運作的激光。 的單晶半導體表現在許多方面作為一個大的擴展的分子，并且其電子和振動運動發生在由量子理論預測的離散能級。 單個原子和分子的能級在氣態激光介質可以在相對大的步顯著變化。 然而，在一晶狀固體，發生非常大的數目的電子水平相差很少能量或在量子數。

在一般情況下，個人層面的能量趨向于組在一起成為幾乎連續的能量帶，其中*低的是完全占據（填充）帶，其由組成晶體的原子的內層電子的。 這些緊密結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帶 ，它由電子在該相互作用中對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行。 另一個頻帶，稱為導帶 ，也處于靜止更高能級存在于固體狀態。 導帶電子的能量到已被提升到激發態中的單個原子或分子的電子相似，而這些具有自由的高度內的固體移動。 在價帶和導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，半導體和導體的頻帶的能量的關系，示于圖1中的帶隙能量由變量E（g）表示，而KT是熱激發能量和E（六）為費米能量。

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

半導體具有電阻值是那些絕緣體和導體，因為這些材料具有帶隙，其體積小，但有限的（在圖1中示出）之間的中間。 正常熱攪動足以移動至一個小數目的電子到導帶，并性可通過提高溫度來降低。 許多半導體器件被設計成一個電壓的該應用程序產生在均衡電子人口分布的變化所必需的電流的流動。

*簡單和*常用的半導體是硅，其中，在固體形式股電子與四個相鄰的四面體對稱各原子。 硅是*經常用來說明半導體的各種特性的例子中，雖然在半導體激光器的應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境條件下有足夠數量是實用的設備如二極管激光器。 但是，硅的性質，以及與其他的半導體材料，可在合成過程中通過引入不同的雜質的量進入晶格，被稱為摻雜的過程的修改（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族元素的結果，或電子空穴（藍色原子），在結晶晶格時相比，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）的產生過量的電子，是不是晶格的共享成員，并因此在結構中移動。 被修改，或摻雜的，在這種方式的半導體材料被稱為n型半導體，如果他們有過量的電子，和p型半導體，如果它們含有過量的孔。

在p型和n型半導體材料的區域之間的交界處，一個不尋常的一套電子的條件的存在，其包括基礎對所有基于半導體的設備，包括二極管激光器。 當這兩種類型的半導體材料的緊密接合，之間的能量水平的平衡分布的任何移可以使電流穿過pn結流動（見圖2和3）。 在半導體器件中，施加到連接點的電壓提供結的相對兩側中的費米能級的移位（從統計，或玻爾茲曼的偏差，電子人口分布），和電子同時移向p型區域，而空穴流入n型區域。 在某些情況下，該系統可以通過光子的由自發發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射的光子的能量。 光從電子和空穴中的pn結區的重組得到的發射是發光二極管（LED），這直接關系到二極管激光器功能的機制。 如圖3中所示的能帶結構的一個典型的pn半導體結的表示。

如先前所討論的，如果在材料中的電子躍遷可以被誘導以產生粒子數反轉，以及隨之而來的概率受激發射的統計學越高，則凈光放大的結果。 在一個典型的激光器，所產生的光被限制到活性介質，和相對的反射鏡被用于產生在介質中多次反射，以增加從激光腔中的光輸出的增益。 一個反射鏡被設計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。 這個簡單的方案是激光功能的主要依據。

在p型和n型半導體之間的交界處，粒子數反轉可以電子和空穴的能級之間創建如果有足夠的電能被施加到結。 用受激發射而導致的粒子數反轉的主導地位，對激光作用僅存要求是限制發射，以便它主要針對沿交界的邊界，并且從該半導體材料被發射之前經過放大或增益。 在二極管激光器器件，發射的光的限制到光腔通過施加反射涂層至該激光晶體的相對端通常被實現。 然而，在一些情況下，則不需要甚至這個簡單的步驟。因為大多數的半導體材料的折射率高于空氣的顯著高，足以內反射發生在晶體來限制發射和維持激光作用在許多激光材料的邊界。 圖4示出了一個簡單的砷化鎵二極管激光器的結構。

大多數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生激光在660和900納米之間的波長的衍生物制成的，和那些利用磷化銦系化合物產生1300和1550納米之間的波長。 市場的主導段是短波長激光，具有在數字光信號的存儲和檢索，如小型盤音頻系統中*常見的應用是與讀/寫設備。 長波長的二極管激光器主要用于由電信行業對于光纖數據傳輸。 二極管激光器可以響應非常迅速，并且以線性方式，以改變驅動電流，這是在電信傳輸的顯著優勢。 在非常高的速率被調制的光源的功能使信號的巨大數目，在一個單一的光纖承載。

為圍繞所述二極管激光器的技術的演進，顯著改善已在效率，光譜特性，以及裝置的功能壽命。 在這些激光器的設計的一個主要目標是防止輻射的內部損失，由于從小交界處，在那里增益出現過度的光束傳播。 通過各種技術，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行。

一個專門的異質結 （兩種不同材料之間的交界處）的應用是通過該半導體結的天然特性被用來限制激光束的一種機制。 *常見的異質結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區的事實利用這一設計結果改進激光操作（增加光學增益）。 發射的光也主要限于該區域，由于異質結的折射率不連續性。 雙異質結是另一個事先從兩者的禁閉好處電荷載體和光子的有源區域，得到進一步提高效率。

雖然結屬性和配置可以被操縱以限制所述二極管的激光束的結平面，在晶片幾何其它修改常常用來進一步限制光束。 在二極管結構的許多變化被施加以達到特定的業務目標，諸如高功率或帶寬調諧，但兩個用于光束擴散控制的*基本的機制是增益引導和指數引導 。 與增益波導設計中，由于*早二極管激光器利用，光子被集中在結造成的*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確定的附近。 所述折射率導引設計依賴于在沉積過程中形成在晶片的波導槽。 凹槽，相鄰的活性結，將創建的幾何形狀由折射率不連續地限制激光輻射四面。 所述折射率導引激光器具有一個附加的優點在于，它降低了象散的輸出光束，即必須對許多應用被消除二極管激光器的一個不幸的特征。

盡管他們的許多優點，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用，并且必須通過加入光學元件或其他由機制來校正。 大多數的二極管激光器的輸出由一個單橫模，它等效于TEM的傳統激光系統（00）的模式。 在梁的橫向方向上的強度分布是偽高斯，這是理想的在光學顯微鏡大多數激光應用。然而，從一個典型的二極管激光器發射的光束是高度橢圓形的，并且光束發散的相比則對稱高斯光束的說明書顯著不同。 圖4中，其中概述的二極管激光器的基本結構，還示出了光束的橢圓時發射從有源層的輸出面。光束不對稱導致一個事實，即一個典型結可以具有一個厚度僅為0.1微米，但可延伸至5微米或更大的寬度。其結果是，發散在平行于結層的平面可以比在垂直的方向上的層少5或6次。 準直光束將呈現發散在一距離，該距離是在兩個方向上不同。 如果此光束不對稱是用于特定應用的重要，它可以與專門的光學系統，如合成棱鏡，它通過擴展輸出光束的短軸功能進行校正。 教程說明了這些棱鏡在一個典型的二極管激光器系統的光路的位置和利用。

光束散光是激光二極管的另一個潛在的缺點，特別是在增益導引設計。 因為光束尺寸由屬性在于從那些在平面垂直于結不同的結的平面中定義，光束似乎來自不同分來自這兩個正交方向觀察時，以發散。 折射率波導激光器大大減少散光，但商業激光二極管典型地顯示出未校正散光的多達5微米。 *簡單的技術，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，該激光系統應提供可調節輔助透鏡元件（如正或負的透鏡來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包，其中包括用來監控激光輸出，以作為一個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）。 通過這個窗口引入球面象差，必須在束修改光學器件的設計，以實現*佳的性能進行校正。

二極管激光器的高發散可通過利用具有高數值孔徑化合物元件的準直透鏡，它也可以被設計為使得透鏡系統的*元件消除像差從玻璃窗的被校正。 市售二極管激光系統通常結合在激光二極管和光束校正光學成預對準的頭組件。 在這些設計中，一個弱柱面透鏡放置在光束準直透鏡系統后可以糾正前面提到的光束散光，和確保原點的光束的視點是在兩個正交平面是相同的。

以下的光束準直，以盡量減少遠場發散，所述橢圓形橫截面，必須通過擴展在一維變換，使其圓形。 合成棱鏡對，安裝如圖教程和圖5中，可以完成這種擴張。 兩個相同的棱鏡被安裝在一個角度（接近布魯斯特角）的入射光束，然后以小的增量移動橫向，同時在一個方向（失真地）被擴大。 膨脹的大小由兩個棱鏡之間的角度來確定。 對于二極管激光器系統的*佳性能，對準公差非常小，通常在微米級。 干涉是進行比對和驗證激光器組件的性能的*可靠的方法。 由于這個原因，大多數商業組件結合所有的激光組件中的剛性包裝，保護對準，并從塵埃屏蔽的光學元件。