用于生物檢測的720nm波段V型腔激光器以及鈣鈦礦激光器的設計制作.pdf

1、時代發(fā)展日新月異，人類對醫(yī)療健康發(fā)展的關(guān)注熱情卻從未冷卻。隨著科技水平的日益先進，人們的健康觀念已開始逐漸由被動治療轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃颖O(jiān)測與預防，而智能可穿戴醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地迎合了人們的日常醫(yī)療健康檢測需求，讓生理體征檢測變得更加方便快捷。在生物醫(yī)療傳感領(lǐng)域，半導體激光器由于其性能優(yōu)越、體積小、成本低以及易于集成等優(yōu)點而扮演著至關(guān)重要的角色，但是針對可見光波段的可調(diào)諧半導體激光器在醫(yī)療傳感領(lǐng)域的研究卻不太多?；诖?，本課題提出了利用單

2、個720 nm波段可調(diào)諧激光器來同時實現(xiàn)人體血氧飽和度和血流速度檢測的方案，并利用設計制作的GaAs/AlGaAs材料的Ⅴ型腔激光器驗證了方案的可行性。傳統(tǒng)的能夠同時實現(xiàn)血氧飽和度和血流速度測量的方案需要至少兩個光源，并且常常具有體積笨重、結(jié)構(gòu)復雜以及成本高昂等缺點，而本課題提出的測量方案僅需要單個光源，且Ⅴ型腔激光器具有控制算法簡單、體積小和成本低的特點，因此極具應用前景。另外，針對性能優(yōu)越且成本低廉的新型半導體材料鈣鈦礦，本文還研究

3、設計了以鈣鈦礦材料為增益介質(zhì)的光泵浦分布反饋激光器，并對相應的制作工藝進行了研究和優(yōu)化。
　　論文首先通過朗伯-比爾定律和光子擴散方程，分別對透射式和反射式血氧飽和度檢測原理進行了理論推導，獲得了同樣的血氧飽和度計算公式。而后提出了利用單個可調(diào)諧激光器實現(xiàn)血氧飽和度檢測的方案，通過對方案進行理論分析、討論和橫向比較，得知若激光器的調(diào)諧范圍為14nm，調(diào)諧起始波長位于700-720nm之間時，方案具有可行性。另外以多普勒效應為基礎介

4、紹了血流速度檢測原理，具有單色性特點的激光器還可以同時用來測量血流速度。
　　接著為了實現(xiàn)激光器在720 nm波段的激射，設計了非應變AlGaAs/AlGaAs和張應變GaAsP/AlGaAs量子阱。通過理論計算，確定了符合條件的量子阱結(jié)構(gòu)是阱寬為4 nm的Al0.18Ga0.82As/Al0.45Ga0.55As量子阱和阱寬為3 nm的GaAs0.86P0.14/Al0.45Ga0.55As。經(jīng)過綜合考慮，選擇Al0.18Ga0

5、.82As/Al0.45Ga0.55As量子阱，并詳細設計了晶圓的層狀結(jié)構(gòu)，還對Ⅴ型腔激光器進行了參數(shù)設計與優(yōu)化，包括波導結(jié)構(gòu)設計和半波耦合器參數(shù)確定。
　　之后詳細介紹了基于GaAs/AlGaAs材料的Ⅴ型腔激光器的工藝制作流程。對光刻、刻蝕、平坦化、電極制作和晶片減薄拋光等工藝流程均作了詳細分析和討論。在對工藝制作流程進行優(yōu)化并最終成功制作出Ⅴ型腔激光器之后，我們對激光器進行了一系列的性能測試。比如FP激光器的IV、IP特性測

6、試，不同腔長差的Ⅴ型腔激光器在不同調(diào)諧機理作用下的調(diào)諧性能。在熱效應調(diào)諧情況下，我們制作的5％腔長差的激光器可調(diào)諧42個信道，調(diào)諧范圍達到14.1 nm，相應的調(diào)諧波長從710.3 nm到724.4 nm，邊模抑制比均高于29 dB，滿足單光源檢測方案對激光器性能的要求。
　　然后搭建了血氧飽和度和血流速度檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的各個模塊進行了詳細介紹。利用小波變換原理對采集到的原始脈搏波信號進行了工頻噪聲和基頻漂移去除處理。在血氧飽和

7、度檢測方面，對系統(tǒng)進行了血氧定標實驗，確定系統(tǒng)的血氧飽和度經(jīng)驗公式，并通過“憋氣實驗”驗證了系統(tǒng)對血氧飽和度檢測的有效性。另外通過臂帶加壓的方法，利用系統(tǒng)光源在724.4 nm處的激射波長，實現(xiàn)了對人體指尖的血流速度檢測，測量結(jié)果與商用激光多普勒血流儀完好符合，驗證了系統(tǒng)對血流速度檢測的有效性。
　　在論文最后，針對具有良好光學增益特性和低成本特點的新型半導體材料鈣鈦礦，介紹了其在激光領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并設計了能實現(xiàn)邊緣出射的光泵浦