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(shè)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(jìn)，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(yù)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(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)人體血氧飽和度和血流速度檢測的方案，并利用設(shè)計制作的GaAs/AlGaAs材料的Ⅴ型腔激光器驗(yàn)證了方案的可行性。傳統(tǒng)的能夠同時實(shí)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(fù)雜以及成本高昂等缺點(diǎn)，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(diǎn)，因此極具應(yīng)用前景。另外，針對性能優(yōu)越且成本低廉的新型半導(dǎo)體材料鈣鈦礦，本文還研究

3、設(shè)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(yīng)的制作工藝進(jìn)行了研究和優(yōu)化。
　　論文首先通過朗伯-比爾定律和光子擴(kuò)散方程，分別對透射式和反射式血氧飽和度檢測原理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，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(shí)現(xiàn)血氧飽和度檢測的方案，通過對方案進(jìn)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(yīng)為基礎(chǔ)介

4、紹了血流速度檢測原理，具有單色性特點(diǎn)的激光器還可以同時用來測量血流速度。
　　接著為了實(shí)現(xiàn)激光器在720 nm波段的激射，設(shè)計了非應(yīng)變AlGaAs/AlGaAs和張應(yīng)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(xì)設(shè)計了晶圓的層狀結(jié)構(gòu)，還對Ⅴ型腔激光器進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和半波耦合器參數(shù)確定。
　　之后詳細(xì)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(xì)分析和討論。在對工藝制作流程進(jìn)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(jìn)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(jī)理作用下的調(diào)諧性能。在熱效應(yīng)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(dá)到14.1 nm，相應(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)介紹。利用小波變換原理對采集到的原始脈搏波信號進(jìn)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(jìn)行了血氧定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，確定系統(tǒng)的血氧飽和度經(jīng)驗(yàn)公式，并通過“憋氣實(shí)驗(yàn)”驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(xué)增益特性和低成本特點(diǎn)的新型半導(dǎo)體材料鈣鈦礦，介紹了其在激光領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并設(shè)計了能實(shí)現(xiàn)邊緣出射的光泵浦