量子应变与 III 族氮化物可见光谱

高性能可见光谱激光二极管的开发是固体物理学领域最重要的成就之一。对于 OEM 集成商来说，在以下两种激光二极管中进行选择 520nm 激光二极管, a 488nm 激光, 或一个 紫外激光二极管 不是简单的颜色选择，而是对不同外延挑战的选择。半导体行业主要根据材料系统对这些器件进行分类--紫外至绿色范围通常采用氮化镓铟 (InGaN)，红色范围采用磷化铟铝 (AlGaInP)。.

其核心是 520 纳米 这一挑战在于 InGaN 有源层与 GaN 衬底之间的晶格失配。要将氮化镓的 “自然 ”蓝色发射推向氮化镓基底的绿色，需要 520 纳米激光, 因此，铟的摩尔分数必须提高到约 20% 至 25%。如此高的铟浓度会产生巨大的压缩应变。这种应变加上非中心对称的钨氮化镓晶体结构，会产生巨大的 偏振感应内场. .这些场导致电子和空穴波函数的空间分离--量子约束斯塔克效应（Quantum Confined Stark Effect，QCSE）--从而大大降低了辐射重组率，提高了阈值电流密度（$J_{th}$）。.

488nm 激光：缩小青色差距

该 488nm 激光 488 纳米激光器是高效 450 纳米蓝色二极管和较难处理的 520 纳米绿色二极管之间的重要桥梁。几十年来，488 nm 一直是氩离子气体激光器的专属领域，其光束质量备受推崇，但因其 0.01% 的壁插效率和巨大的冷却要求而备受厌恶。向半导体激光器的过渡 488nm 激光 要求掌握中间铟浓度，在这种浓度下，QCSE 存在但可控。.

对于制造商来说，488 nm 波长对 “铟波动 ”特别敏感。在这种特定的铟浓度下，合金往往会在金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长过程中发生相分离。如果铟原子聚集在一起，就会产生局部电位井，从而拓宽发射光谱并增加波长。 欧杰重组系数. .这种非辐射损耗机制，即电子-空穴重组的能量转移到第三载流子而不是光子上，是大功率青光二极管需要出色的热管理以保持稳定纵向模式的主要原因。.

紫外激光二极管：刻面物理学和氮化铝的挑战

进入紫外线（UV）波段，通常在 375 纳米和 475 纳米之间。 405 纳米, 因此，物理学从应变管理转向光子能量管理。A 紫外激光二极管 在氮化镓的基本带隙附近工作。这里的主要工程障碍是 p 型掺杂。随着铝（Al）含量的增加以实现更短的波长（从 405 纳米向 375 纳米移动），镁（Mg）掺杂剂的活化能也随之增加。这会导致空穴浓度低、串联电阻高和焦耳热过大。.

此外，一个 紫外激光二极管 受到极端条件的影响。紫外线光子具有足够的能量来促进环境中水蒸气和碳氢化合物的解离，从而导致碳质材料在刻面上沉积。这种 “光学烟尘 ”会增加吸收，引发局部温度上升，进一步加速半导体晶体的氧化。高端 UV 二极管必须使用 “UHV（超高真空）刻面涂层 ”和专门的电介质叠层（通常为 $Al_2O_3$ 或 $SiO_2$），以防止灾难性的光学损坏 (COD)。.

650 纳米激光：AlGaInP 与载流子泄漏

该 650nm 激光 代表了砷化镓衬底上 AlGaInP 材料系统的顶峰。与基于氮化镓的绿光和紫外激光器不同，红光 650nm 激光 受到 “载流子约束 ”的限制。AlGaInP 中量子阱和包层之间的带偏移相对较小。当器件升温时，电子很容易 “溢出 ”有源区，逃逸到对包层中。.

这种载流子泄漏是红色二极管的特性温度 ($T_0$) 远低于蓝色或绿色二极管的原因。对于工业买家来说，这意味着一个 650nm 激光 模块必须设计成极高效的热路径。即使结温上升 5°C 也会导致斜率效率下降 15%。为了解决这个问题，精密制造商采用了 “多量子势垒”（MQB）结构--一系列薄层为电子提供干扰滤波器，在不改变材料成分的情况下有效增加有效势垒高度。.

横电（TE）模式主导工程

在所有这些可见光谱二极管中，实现高 横电（TE）模式优势 这对于全息显示或干涉测量等涉及偏振敏感光学的应用至关重要。由于氮化镓量子阱中的压缩应变，导带和 “重孔 ”价带之间的转变变得有利，这自然会促进 TE 偏振。.

但是，随着铟含量的增加，铟的浓度也会增加。 520nm 激光二极管, 因此，价带结构变得复杂。如果应变不完全平衡，“光孔 ”或 “晶场分离 ”带会发生干扰，导致偏振消光比（PER）降低。世界级 中国激光二极管工厂 必须执行严格的偏振映射，以确保 TE/TM 比率超过 100:1，从而确保元件与高精度光学列车的兼容性。.

可见光谱参数的技术比较

下表详细介绍了决定不同波长二极管的驱动电子设备和冷却要求的性能特征。.

案例研究：用于 DNA 测序的超稳定多波长模块

客户背景：

一家专门从事下一代测序 (NGS) 的生物技术公司需要一个高功率、多波长的光引擎。该设备需要提供 488nm 激光激发（用于 FAM 染料）和 520nm 激光激发（用于 HEX/VIC 染料）。关键要求是 “低频功率稳定性”（1 小时内波动 < 0.1%）和完美的环形光束，以最大限度地提高流动池的吞吐量。.

技术挑战：

主要问题是 “热串扰”。520 nm 二极管的效率最低，会产生大量热量。这种热量导致 488 纳米通道的波长偏移，使激发峰远离染料的最大吸收峰，从而导致荧光信号的损失。此外，用于定期 “清洁 ”流动池表面的紫外激光二极管会导致内部光学粘合剂的臭氧降解。.

技术参数和设置

• 通道 1： 488 nm（150 mW CW）。.
• 频道 2： 520 nm（80 mW CW）。.
• 第 3 频道 375 纳米（50 毫瓦脉冲）。.
• 光束共线性 < 0.5 mrad。.
• 有效值噪声： < 0.2%（10 赫兹至 10 兆赫）。.

质量控制和工程解决方案：

工程团队开发了一种 “热隔离光学工作台”。520nm 激光二极管安装在一个专用的子 TEC（热电冷却器）上，使其热负荷与歧管的其他部分分离。对于 488nm 激光器，我们采用了 “噪声消除器 ”电路--带有高速反馈回路的声光调制器 (AOM)，以抑制高功率 InGaN 二极管固有的 1/f 噪声。.

为了解决紫外线引起的老化问题，内部光学器件从环氧树脂安装过渡到 “回流焊接 ”和 “激光焊接”。整个模块在 Ar/N2 气体环境中密封，以防止 “烟尘效应 ”对光学元件的影响。 紫外激光二极管 切面。.

结论

定制设计的模块使长读数基因组数据的测序精度提高了 5 倍。通过将 520 nm 激光源转移到主动稳定平台上，客户不再需要基于软件的 “信号归一化”，从而大大减少了数据处理开销。该案例研究表明，对于高风险的医疗应用， 激光二极管价格 与数据完整性的成本相比，这并不重要。.

评估可见光谱中的制造完整性

对采购官员来说，区分 “消费级 ”和 “工业级” 中国激光二极管工厂 这涉及到 “近场强度”（NFI）的特性分析。高质量的可见光二极管应具有平滑的高斯 NFI 曲线。NFI 中的任何 “丝状 ”或暗点都表明铟分布不均匀或存在局部晶体缺陷。这些细丝通常是过早失效的原因，因为它们是局部的 “电流大户”，会过热并导致刻面熔化。.

可见光谱中的可靠性也是 “预烧 ”深度的函数。标准二极管可以进行 24 小时的预烧。但是，对于 紫外激光二极管 或大功率 520 纳米 设备，168 小时的 “高温工作寿命”（HTOL）测试是行业的黄金标准。这可以识别出具有潜在位错的 “婴儿死亡 ”单元，这些位错只有在高温和高光子密度的双重压力下才开始移动。.

专业常见问题

问：为什么 520 纳米激光二极管的阈值电流（$I_{th}$）比 450 纳米蓝色二极管高出这么多？

答：这主要是由于量子约束斯塔克效应（QCSE）。在 520 纳米波长处，较高的铟含量会产生较强的内部电场，将电子和空穴拉到量子阱的两侧。这种物理分离降低了 “重叠积分”，这意味着需要更多的电流才能获得激光所需的增益。.

问：可以使用无主动冷却功能的 650nm 激光二极管吗？

答：对于低功率（5-10 mW）指针应用，被动冷却就足够了。但是，对于工业传感或医疗治疗，二极管的功率在 100 mW 以上，则必须采用主动冷却或大型散热器。高波长偏移（0.23 nm/K）意味着如果没有温度控制，光束会迅速偏离所需的光谱窗口。.

问：与 473nm DPSS 激光器相比，488nm 激光二极管有何优势？

答：这种二极管的结构要紧凑得多，调制速度要高得多（高达几千兆赫），功耗也要低 90%。此外，488 nm 二极管是一种 “直接发射器”，这意味着它没有 DPSS 激光器复杂的非线性晶体和对准敏感的腔体，使其在便携式诊断中更加坚固耐用。.

问： 紫外线二极管和红外线二极管的 “面钝化 ”是否相同？

答：不需要。红色二极管（AlGaInP）主要需要防止表面氧化和载流子泄漏。紫外线二极管需要 “抗日晒 ”涂层，这种涂层能承受高光子能量，而不会变暗或发生光化学变化。.