半導體激光器的發(fā)展

1、大功率半導體激光器件最新發(fā)展現狀分析大功率半導體激光器件最新發(fā)展現狀分析2010101220:20:34點擊數：63半導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域的關注焦點，廣泛應用於工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通信等眾多領域。但是由於自身量子阱波導結構的限製，半導體激光器的輸出光束質量與固體激光器、CO2激光器等傳統激光器相比較差，阻礙了其應用領域的拓展。近年來，隨著半導體材料外延生長技術、半導體激光波導結構優(yōu)化技

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

3、為主要的是半導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大功率半導體激光器件遠場發(fā)散角控製根據光束質量的定義，以激光光束的光參數乘積（BPP）作為光束質量的衡量指標，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量。從整體上看，半導體激光器波導結構導致其遠場光束嚴重不對稱。快軸方向可認為是基模輸出，光束質量好，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，光束質量差，該方向發(fā)散角的減小直接提高器件光束質量，是高光束半導體激光器研究領域關注的焦點。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域研究熱點，盡管多家研究機構相續(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，除器件自身結構外，驅動電流密度與熱效應共同影響半導體激光器慢軸發(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半導體激光標準厘米陣列發(fā)展現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的襯底上橫向並聯集成多個半導體激光單元器件而獲得的半導體激光器件，長期以來

7、一直是大功率半導體激光器中最常用的高功率器件形式。伴隨著高質量、低缺陷半導體材料外延生長技術及腔麵鈍化技術的提高，現有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公司等多家半導體激光供應商也相續(xù)製備獲得千瓦級半導體激光陣列，其中Oclaro公司的J.Mller等更是明確指出，在現有技術條件下製備獲得1.5kWbar陣列器件已不成問題。與此同時，具有高光束質量的低填充因子CMBar的功率光電轉換效率高於60%，其內部發(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出了類似單元器件的壽命特性，當短陣列器件內部單個發(fā)光單元失效後，整個器件並未燒毀而僅表現為功率下降。鑒於短陣列器件優(yōu)良的功率及壽命特性，目前正迅速推廣應用於高光束質量大功率半導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不同結構CMBar光參數乘積3大功率高光束質量半導體激光器發(fā)展現狀大功

10、率高光束質量半導體激光器發(fā)展現狀半導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體激光器光束質量的迅速提高，直接體現在光纖激光器抽運源用單波長、光纖耦合輸出半導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體激光模塊根據其內部采用的半導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），該結構具有體積小、成本低、壽命長、技術成熟等優(yōu)點，目前國外多家半導體激光器供應商均達到8~10Wmodule水平。該領域國內以北京凱普林光電技術公司較為領先，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，經偏振合束，然後聚焦耦合進光纖。2009年，美國Nlight公司利用該結構集成14