半導(dǎo)體激光器的發(fā)展

1、大功率半導(dǎo)體激光器件最新發(fā)展現(xiàn)狀分析大功率半導(dǎo)體激光器件最新發(fā)展現(xiàn)狀分析2010101220:20:34點擊數(shù)：63半導(dǎo)體激光器由於具有體積小、重量輕、效率高等眾多優(yōu)點，誕生伊始一直是激光領(lǐng)域的關(guān)注焦點，廣泛應(yīng)用於工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通信等眾多領(lǐng)域。但是由於自身量子阱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限製，半導(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量與固體激光器、CO2激光器等傳統(tǒng)激光器相比較差，阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。近年來，隨著半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)、半導(dǎo)體激光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技

2、術(shù)、腔麵鈍化技術(shù)、高穩(wěn)定性封裝技術(shù)、高效散熱技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在直接半導(dǎo)體激光工業(yè)加工應(yīng)用以及大功率光纖激光器抽運需求的推動下，具有大功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光器飛速發(fā)展，為獲得高質(zhì)量、高性能的直接半導(dǎo)體激光加工設(shè)備以及高性能大功率光纖激光抽運源提供了光源基礎(chǔ)。2大功率半導(dǎo)體激光器件最新進展大功率半導(dǎo)體激光器件最新進展作為半導(dǎo)體激光係統(tǒng)集成的基本單元，不同結(jié)構(gòu)與種類的半導(dǎo)體激光器件的性能提升直接推動了半導(dǎo)體激光器係統(tǒng)的發(fā)展，其中最

3、為主要的是半導(dǎo)體激光器件輸出光束發(fā)散角的降低以及輸出功率的不斷增加。2.1大功率半導(dǎo)體激光器件遠場發(fā)散角控製根據(jù)光束質(zhì)量的定義，以激光光束的光參數(shù)乘積（BPP）作為光束質(zhì)量的衡量指標，激光光束的遠場發(fā)散角與BPP成正比，因此半導(dǎo)體激光器高功率輸出條件下遠場發(fā)散角控製直接決定器件的光束質(zhì)量。從整體上看，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其遠場光束嚴重不對稱?？燧S方向可認為是基模輸出，光束質(zhì)量好，但發(fā)散角大，快軸發(fā)散角的壓縮可有效降低快軸準直鏡的孔徑

4、要求。慢軸方向為多模輸出，光束質(zhì)量差，該方向發(fā)散角的減小直接提高器件光束質(zhì)量，是高光束半導(dǎo)體激光器研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點。在快軸發(fā)散角控製方麵，如何兼顧快軸發(fā)散角和電光效率的問題一直是該領(lǐng)域研究熱點，盡管多家研究機構(gòu)相續(xù)獲得快軸發(fā)散角僅為3o，甚至1o的器件，但是基於功率、光電效率及製備成本考慮，短期內(nèi)難以推廣實用。2010年初，德國費迪南德伯恩研究所(FerdinBraunInstitute)的P.Crump等通過采用大光腔、低限製因子的

5、方法獲得了30o快軸發(fā)散角（95%能量範圍），光電轉(zhuǎn)換效率為55%，基本達到實用化器件標準。而目前商用高功率半導(dǎo)體激光器件的快軸發(fā)散角也由原來的80o左右（95%能量範圍）降低到50o以下，大幅度降低了對快軸準直鏡的數(shù)值孔徑要求。在慢軸發(fā)散角控製方麵，最近研究表明，除器件自身結(jié)構(gòu)外，驅(qū)動電流密度與熱效應(yīng)共同影響半導(dǎo)體激光器慢軸發(fā)散角的大小，即長腔長單元器件的慢軸發(fā)散角最易控製，而在陣列器件中，隨著填充因子的增大，發(fā)光單元之間熱串擾的加劇

6、會導(dǎo)致慢軸發(fā)散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司製備獲得的5mm腔長，9XXnm波段10W商用器件，成功將慢軸發(fā)散角（95%能量範圍）由原來的10o～12o降低到7o左右；同年，德國Osram公司、美國相幹公司製備陣列器件慢軸發(fā)散角（95%能量範圍）也達7o水平。2.2半導(dǎo)體激光標準厘米陣列發(fā)展現(xiàn)狀標準厘米陣列是為了獲得高功率輸出而在慢軸方向尺度為1cm的襯底上橫向並聯(lián)集成多個半導(dǎo)體激光單元器件而獲得的半導(dǎo)體激光器件，長期以來

7、一直是大功率半導(dǎo)體激光器中最常用的高功率器件形式。伴隨著高質(zhì)量、低缺陷半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)及腔麵鈍化技術(shù)的提高，現(xiàn)有CMBar的腔長由原來的0.6～1.0mm增大到2.0～5.0mm，使得CMBar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國光譜物理公司HanxuanLi等製備的5mm腔長，填充因子為83%的半導(dǎo)體激光陣列，利用雙麵微通道熱沉冷卻，在中心波長分別為808nm，940nm，980nm處獲得800Wbar，1010Wbar，95

8、0Wbar的當前實驗室最高CMBar連續(xù)功率輸出水平。此外，德國的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半導(dǎo)體激光供應(yīng)商也相續(xù)製備獲得千瓦級半導(dǎo)體激光陣列，其中Oclaro公司的J.Mller等更是明確指出，在現(xiàn)有技術(shù)條件下製備獲得1.5kWbar陣列器件已不成問題。與此同時，具有高光束質(zhì)量的低填充因子CMBar的功率光電轉(zhuǎn)換效率高於60%，其內(nèi)部發(fā)光單元功率16Wemitter，接近了單元器件的光功率密度水平，值得一提的是

9、該器件在壽命測試中展現(xiàn)出了類似單元器件的壽命特性，當短陣列器件內(nèi)部單個發(fā)光單元失效後，整個器件並未燒毀而僅表現(xiàn)為功率下降。鑒於短陣列器件優(yōu)良的功率及壽命特性，目前正迅速推廣應(yīng)用於高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器及光纖耦合輸出抽運模塊中，目前該類以100μm發(fā)光單元為基礎(chǔ)的9XXnm波段商用器件可長期穩(wěn)定在8Wemitter，而808nm器件也達5Wemitter水平。表1不同結(jié)構(gòu)CMBar光參數(shù)乘積3大功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀大功

10、率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀半導(dǎo)體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進了大功率半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的迅速提高，直接體現(xiàn)在光纖激光器抽運源用單波長、光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光模塊尾纖直徑的減小以及出纖功率的不斷增大。目前，該類單波長光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光模塊根據(jù)其內(nèi)部采用的半導(dǎo)體激光器件類型及其封裝形式不同可分為以下幾種具體形式。3.1半導(dǎo)體激光單元器件集成光纖耦合輸出在出纖功率要求不高的情況下，利用單管半導(dǎo)體激光器件可直接耦合進入光纖獲

11、得激光輸出（如圖1），該結(jié)構(gòu)具有體積小、成本低、壽命長、技術(shù)成熟等優(yōu)點，目前國外多家半導(dǎo)體激光器供應(yīng)商均達到8~10Wmodule水平。該領(lǐng)域國內(nèi)以北京凱普林光電技術(shù)公司較為領(lǐng)先，單模塊出纖功率與國外水平基本相當。圖1單個單元器件直接光纖耦合輸出模塊在出纖功率要求較高的情況下，利用多個經(jīng)快軸準直鏡（FAC）準直的單元器件所發(fā)出的光束，在快軸方向上緊密排列，經(jīng)偏振合束，然後聚焦耦合進光纖。2009年，美國Nlight公司利用該結(jié)構(gòu)集成14