10分钟看懂大功率半导体激光器关键技术及发展!

时间:2021-05-13 10:01来源:中国科学院长春光学精密作者:Jucy 点击:
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摘要:本文作者宁永强,陈泳屹,张俊,宋悦,雷宇鑫,邱橙,梁磊,贾鹏,秦莉,王立军,来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,仅供行业交流学习之用,感谢分享! 1 引言 半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点,在工业加工、生物医疗和国家防御等领域具有重要的应用[1-10]。1962年,美

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本文作者宁永强,陈泳屹,张俊,宋悦,雷宇鑫,邱橙,梁磊,贾鹏,秦莉,王立军,来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,仅供行业交流学习之用,感谢分享!

1 引言

半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点,在工业加工、生物医疗和国家防御等领域具有重要的应用[1-10]。1962年,美国科学家 成 功 研 制 出 了 第 一 代 GaAs同 质 结构注入型半导体激 光 器[11-12]。1963年,前苏联科学院约飞物理研究所的 Alferov等[13-14]宣布成功研制了双异质结半导体激光器。20世纪80年代以后,由于引入了能带工程理论,同时涌现了晶体外延材料生长新工艺[如分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)等],量子 阱 激 光 器 登 上 历 史 舞台,大大提升了器件性能,实现了高功率输出。

大功率半导体激光器主要分为单管与 Bar条两种结构[15],单管结构多采用宽条大光腔的设计,并增加了增益区域,以实现高功率输出,减少腔面灾变损伤;Bar条结构为多个单管激光器的并联线阵,多个激光器同时工作,再经过合束等手段实现高功率激光输出。最初的大功率半导体激光器主要应用于泵浦固体激光器和光纤激光器,波段主要为808nm和980nm。随着近红外波段高功率半 导 体 激 光 单元技术的成熟和成本的降低,使得以之为基础的全固态激光器和光纤激光器性能不断提升,单管连续波(CW)输出功率从20世纪90年代的8.1 W 达到 29.5 W[16] 水 平,bar 条 CW 输 出 功 率 达 到1010 W[17]水 平、脉冲输出功率达到 2800 W[18]水 平,极大地推动了激光技术在加工领域的应用进程。半导体激光器作为泵浦源的成本占固体激光器总成本的1/3~1/2,占光纤激光器 的1/2~2/3。因 此,光纤激光器和全固态激光器发展之快,大功率半导体激光器的发展功不可没。

随着半导体激光器性能的不断提高、成本的不断降低,其应用范围也越来越广。如何实现大功率的半导体激光器一直以来都是研究的前沿和热点。

实现大功率的半导体激光芯片,需要从材料、结构和腔面保护这三个方面考虑:1)材料技 术。可 以 从 提 高 增 益 和 防 止 氧 化 两方面入手,对应的技术包括应变量子阱技术和无铝量子阱技术。2)结构技术。为了防止芯片在高输出功率下烧毁,通常采用非对称波导技术和宽波导大光腔技术。3)腔面保 护 技 术。为了防止灾变光学镜面损伤(COMD),主要技术包括非吸收腔面技术、腔 面钝化技术和镀膜技术。

随着各行各业的发展,无论是作为泵浦源,还是直接应用,都对半导体激光光源提出了进一步的需求。在需求更高功率的情况下,为了保持高光束质量,就必须进行激光合束。

半导 体 激 光 合 束 技 术 主 要 包 括:常 规 合 束(TBC)、密 集 波 长 合 束 (DWDM)技 术、光 谱 合 束(SBC)技术、相 干 合 束(CBC)技术 等。本 文 主 要 对上述技术进行了概述。

2 实现大功率激光的重要技术手段

2.1 边发射大功率半导体激光芯片技术

2.1.1 材料技术

2.1.1.1 应变量子阱技术

量子阱作为半导体激光器最广泛采用的有源区,其内部表现出量子化的子带和阶梯状态密度,将大大提高激光器的阈值电流密度和温度稳定性;通过改变势阱宽度和势垒高度,可以改变量子化的能量间隔,实现激光器的可调谐特性,与传统的双异质结半导体激光器相比,可以有效地降低激光器的阈值电流,提高量子效率与微分增益。而在量子阱中引入应变则会显著地改变其本身的能带结构,通过调整价带中的重、轻空穴带的位置,从而增加芯片外延结构的设计参数和自由度。一 般 来 说,在III-V族三元和四元材料组成的量子阱外延结构中引入压应变,会加剧能带函数的变化,从而降低激光器的阈值电流;而引入张应变,则会平缓能带函数,在一定程度上提高材料在大功率下工作状态下的增益。应变量子阱的出现使得通过调节应变获得所需能带结构并提高增益成为了可能[19-20],使半导体激光器的性能出现了大的飞跃。

1984 年,Laidig 等[21]最 早 报 道 了 基 于 应 变InGaAs/GaAs量子阱的激光器,在较高的阈值电流密度(1.1kA/cm2)下获 得 了 波 长 为1μm 的 激 光,通过完善工艺将阈值电流密度降低到465A/cm2[22]。1991年 AT & TBell实验室利用 MBE方法降低了阈值 电 流———低 至 45 A/cm2,基本达到理论极限[23]。1993年 7 月,日本 的 Hayakawa等[24]利用 GaAs/AlGaAs张 应 变 量 子 阱 得 到 了 输 出 波 长 在780nm 的横磁(TM)模 CW 激光器。

2.1.1.2 无铝量子阱技术

无铝材料激光器相比有铝材料激光器具有明显的优势:1)无铝材料比含铝材料具有更高的 COMD 功 率密度。有源区中的铝容易氧化和产生暗线缺陷,致使 发 生 COMD 时的 功 率 密 度 减 小,更 容 易 产 生COMD,从而限制了激光器的功率和寿命。2)同时,相对于含铝量子阱,无铝量子阱的电阻更低、热导率更高,因而表面复合速率低、表面温升低、腔面退化速率慢,对暗线缺陷的攀移有抑制作用,且材料内部退化速率慢。

在1998年,美国 的 Pendse等[25]最初 提 出,无铝量子阱激光器具有更高的可靠性。1999年,美国的 Mawsi等[26]对与 GaAs晶格匹配的InGaAsP单 量子阱激光器的可靠性进行了研究,证明了无铝器件的端面温升比含铝 的 AlGaAs激光 器 低 得 多,并 在10 ℃工作温 度 下,获 得 了3.2 W 的最 大 输 出 功率。2008年,中国电子科技集团公司第十三研究所报道了无铝1mm 腔长的准连续阵列输出功率可达40 W,无铝1cm 长的 镀 膜 bar条在180A 工作 电流下,输出功率大于185 W[27]。2013年,山东大学报道了无铝有源区在20A 工作电流下,输出功率达20.86 W 的激光器[28]。

2.1.2 波导结构技术

2.1.2.1 非对称波导技术

在大光腔结构中,随着波导尺寸的增加,器件的串联电阻也 会 增 加。故 为 降 低 串 联 电 阻,通 常 对 p型限制层施以较高的掺杂。实验研究发现,光吸收正比于掺杂区的掺杂浓度,并且在 p型材料中被空穴吸收光子的损耗大于在n型材料中被电子吸收光子的损耗[29-32]。这样,在对称波导结构中,p型高掺杂区载流子的光吸收是形成内部损耗、导致效率降低的主要原因。可以通过p型波导和n型波导的厚度非对称,折射率非对称等调节方式,让光场分布尽量限制在n型区域内扩展,从而降低串联电阻和内部损耗,获得较高的效率。

2007年,中国科学院半导体研究所报道了无铝有源区非对称波导结构激光器,波 长 为808nm,连 续工作条件下,输出功率可达6 W[33],2009年实现了980nm 半导体激光,内损耗仅有0.78cm-1[34], 2010年,实现了980nm 半导体激光效率58.4%[35]。2013年,日 本 的 Morita 等[36]实 现 了 条 宽 为 100μm,腔长为4mm,CW 输出功率为19.8 W,20 ℃温 度下转换效率68%的半导体激光器。2020年,芬兰 的 Ryvkin等[37]通过 对 分 对 称 波 导 的 折 射 率、限 制因子、载流子浓度、内部损耗等方面的模拟分析,最终设计了短腔结构计算出 CW 输出功率达40 W 的 半导体激光器。

2.1.2.2 大光腔技术

为了获得高输出功率,提高 COMD 阈值,需 要降低有源区与限制层的光场能量密度。这就需要增大波导的尺度,增加光斑的尺寸,拓宽光场分布,这就是大光腔技术。在增加波导尺度的同时,可以优化波导结构,降低激光器的远场快轴光束发散角。

2005年,德 国 的 Knauer等[38]实 现 了 808nm大光腔结构,获得了25 ℃温度下,CW 输出 功 率 为15 W,快轴 远 场 发 散 角 为 18°。2006 年,Bookham公司采 用InGaAs/AlGaAs材料,设计了渐变折射率大光腔芯片,在温度为16 ℃、电流为20A 时,获 得了大 于17 W 的 CW 输出 功 率[39]。2008 年,Xu等[40]采用InAlGaAs/AlGaAs/GaAs材料的渐变折射率新型大光 腔 结 构,实 现 了25 ℃温度 下 CW 输 出功率为23 W 的915nm 激光 器。2009年,德国 的 Crump等[41]采用InGaAs/GaAsP材料和芯径2. 5μm 的大光腔 结 构,得 到 了 CW 输出 功 率 为20 W的975nm 单 管 半 导 体 激 光 器,寿 命 大 于4000h。2015年,北京 工 业 大 学 凌 小 涵 等[42]设计 了980nm大光腔单发光条大功率半导体激光器,其 CW 输出功率达到12 W,经老化实 验 得 到 器 件 综 合 成 品 率达到40%。2019年,长春 理 工 大 学 的 乔 闯 等[43]设 计并制作了非对称大光腔结构,制备了890nm周期的分布式布拉格反射镜(DBR)光栅,最 终实现了输出功率为10.7 W,斜率效率为0.73 W/A 的激 光 输出。

2.1.3 腔面技术

2.1.3.1 非吸收腔面技术

通过增大腔面附近量子阱带隙宽度,使得腔面处对激射波长透明,这就是非吸收腔面技术。非吸收腔面可以减少因非辐射复合和光吸收产生的热量及光生载流子的数量,是提高半导体激光器输出功率和可靠性的有效方法。目前,非吸收腔面的制作方法主要包括:二次外延生长技术和量子阱混合技术。二次外延生长是通过刻蚀、再生长一种宽带隙半导体材料。这种方法技术难度大、工艺复杂,难以保证结合界面的晶体质量[44]。量子阱混合技术通过在外延片上进行薄膜淀积或杂质注入,再通过高温快速退火,使各组成元素发生互扩散,导致阱、垒组分发生变化,从而增大带隙结构。这种方法操作相对简单,成本低,效果较为明显[45],但需要高温条件下进行热退火,可能会对器件造成一定的损伤。

1984年,英国电信研究实验室利用选择性外延生长技术制备出非吸收腔面的 AlGaAs大光腔激光器,在脉冲输出(脉宽为100ns)时,得到 的 输 出 功率是普通激光器的2~3倍[46]。1999年,日本京都大学 制 备 出 带 有 非 吸 收 腔 面 的 780nm AlGaAs/GaAs大功率 半 导 体 激 光 器,最 大 输 出 功 率 是 传 统激光器的3倍[47]。2000年,英国格拉斯哥大学制备了具 有 非 吸 收 腔 面 的 GaAs/AlGaAs半 导 体 激 光器,在发生COMD时的最高输出功率是普通激光器的2倍[48]。2015年,滨松光电子股份有限公司制备了带隙差为100 meV 的非 吸 收 腔 面,915nm 波段InGaAs宽 条 半 导 体 激 光 器 的 连 续 输 出 功 率 为20 W,可靠工作时间在5000h以上,最大效率超过65%[49]。

2.1.3.2 腔面钝化技术

半导体激光器的自然解理面极容易被潮解和氧化,氧化物和沾污易成为非辐射复合中心,从而加剧腔面结温升 高 的 急 剧 上 升,最 终 导 致 COMD,使得器件失效。腔面钝化能够有效地去除半导体激光器腔面的沾污和氧化层等杂质,降低腔面的表面态密度,从而有效提高器件的热稳定性、抑制 COMD,最 终提升最大输出功率并提高器件的可靠性,为高性能和稳定工作提供保障。

1987年,贝尔 通 讯 研 究 公 司 的 Sandroff等[50] 发明了腔面硫 化 处 理 技 术。采 用 Na2S·9H2O 溶 液将 GaAs/AlGaAs异质 结 双 极 晶 体 管(HBTs)腔 面钝化,经硫化处理后的 HBT 电流增 益 提 高 了60 多倍。1996年,Syrbu等[51]在蒸 镀 高 反/增 透 膜 前利用原位生长 ZnSe技术,将980nmInGaAs半导体激光 器 腔 面 钝 化,使 激 光 器 连 续 输 出 功 率 提 高50% 。1997年,美国威斯康星大学的 Mawst等[52] 利用激光辅助化学气相沉积法在InGaAs双量子阱半导体 激 光 器 腔 面 处 形 成 ZnSe 钝 化 层,将 器 件COD 阈 值 提 高 了 50%。2005 年,德 国 的 Ressel等[53]报道了腔 面 钝 化 无 铝 有 源 区 大 功 率 半 导 体 激光器,在激光器的老化过程中表现出优异的性能。2016 年,北 京 工 业 大 学 利 用 离 子 铣 氮 钝 化 处 理980nm半导体激光器腔面,得到了 CW 输出功率为22.5 W,器 件 输 出 功 率 提 高 了 32.14%[54]。2019年,中国科学院半导体研究所采用射频等离子体增强反应磁控溅射沉积α-SiNx薄膜对980nm光子晶体激光器进 行 腔 面 钝 化。通 过 优 化 氮-氩混 合 等 离子体并采用 快 速 退 火 的 方 法,显 著 抑 制 了 COMD, 提高了器 件 的 性 能 和 激 光 系 统 的 稳 定 性[55]。2019年,中国科学院半导体所在真空中直接蒸镀一层厚度为25nm 的ZnSe材料作为钝化膜,利用 ZnSe薄 膜材料大禁带宽度的特性作为半导体激光器腔面钝化膜,有效提高半导体激光器输出功率和器件损伤阈值,提供腔面保护[56]。

2.1.3.3 镀膜技术

腔面镀膜技术是大功率激光器的关键工艺技术之一,其作用有两个:1)覆盖解理腔面,防止有源区氧化,提高可靠性和稳定性;2)改变腔面膜反射率,使得激光器在保持性能的基础上实现单面出光,提高激光器的输出功率和激光的利用效率。因为激光器的腔面是晶体的自然解理面(110面),其反 射 率约为31%,在激 光 器 工 作 时,由 于 激 光 器 前 后 腔 面反射率大小一样,因而造成两个腔面同时出光。通过腔面镀膜在激光器的前后腔面分别制备增透膜和高反射膜,高反膜降低了阈值电流,而增透膜提高了器件的量子效率和电-光转换效率。

该技术主要内容有两个方面:一是膜系材料的选择。首先要考虑镀层材料的高纯性、长期稳定性、附着力、镀层材料与自然解理面之间的热匹配和应力匹配、镀层材料之间的晶格匹配等。同时还要易于蒸镀,不会对激光器的自然解理面产生破坏,能够防止环境气氛扩散进入器件发光区。二是确定高反膜的反射率和增透膜的透射率,基本原则是:通过后腔面发射的光尽可能少,使激光尽可能由前腔面透过,同时又不引起明显的腔面附加吸收和附加损耗。对于增透膜,膜系材料可以选择折射率介于波导层有效折射 率 与 空 气 折 射 率 之 间 的 材 料。通 常 选 择Al2O3、SiO2作为低折射率材料,ZrO2、TiO2等作为高折射率材 料。高 反 膜 的 反 射 率 一 般 采 用95%~98%,增透膜的反射率一般采用1%~5% 。

2.2 大功率半导体激光合束技术

处于近 红 外 波 段(750~1100nm)的边 发 射 结构半导体激光器发展最为成熟,是当前用于泵浦和加工的大功率半导体激光源主要形式。根据激光单元数量,激光芯片可分为单管和线阵,前者为单个激光单元,可连续输出几瓦至数十瓦功率,后者为多个激光单元在水平方向的集成,可连续输出几十瓦至数百瓦功率。对于激光线阵,根据集成单元方向宽度,可 分 为 宽 度 10 mm 的 厘 米 线 阵 和 宽 度 小 于10mm的迷你线阵。将激光芯片在水平或垂直方向进行一维或二维的光叠加或物理位置叠加,进一步提高输出功率,如采用微通道封装的激光线阵在垂直方向物理叠加成叠阵,可输出上千瓦功率,但也导致其整体光束质量恶化。在提升功率时,如何获得高光束质量半导体激光成为关键。激光合束是实现大功率、高光束质量半导体激光的有效技术途径之一,它通过几何或物理光学手段,将多个单元光束合成一束激光。根据合束激光单元的相干性,分为相干合束和非相干合束。相干合束要求精确控制合束单元的光谱、相位等特性,技术较复杂,且相干合束半导体激光源的性能优势并不明显,当前未实用化。非相干合束无需考虑单元之间的相干性,技术相对简单,是当前实用化大功率半导体激光合束光源的主要实现方式。非相干合束可分为传统合束技术、密集波长合束和光谱合束。下面对非相干合束技术进展进行概述。

2.2.1 TBC技术

常规合束技术基于标准的半导体激光芯片,在合束过程中,不影响激光单元腔内谐振,仅通过外部光学元件对激光芯片输出光束进行整形、空间合束、偏振合束和波长合束来提升整体功率、改善整体光束质量,是 当 前 实 现 大 功 率 半 导 体 激 光 源 的 主 要方式。

其中,空间合束是利用折射或反射,将多束光在空间上进行一维或二维堆叠,增加功率的同时光束质量变差;偏振合束利用半导体激光的线偏振特性,将振动方向相互垂直的两束线偏振光通过偏振合束元件,其中 P偏振光透射、S偏振光 反 射,光 场 实 现近场和远场重叠,功率提升近2倍的同时光束质量不变;波长合束是利用激光波长特性,通过波长合束元件,其中波长λ1的光透过(反射),波长λ2光反 射(透过),两束光实现近场和远场重叠,功率提升的同时光束质量不变,通过采用不同的波长合束元件,可以实现多束不同波长(λ1,λ2,…,λn)的激光合束,考虑到半导体激光器自身谱宽、光谱受温度及电流影响等因素,常规波长合束的相邻波长间隔一般不低于25nm。

根据不同封装形式,基于常规合束技术,目前已发展出激光单管合束光源、线阵合束光源和叠阵合束光源,实现了几十瓦至数万瓦级的直接输出或光纤耦合输出,应用在光纤激光泵浦、激光加工等方面。

单管合束光源直接采用激光单管进行合束,由于热源相对分散,热流密度相对低,相同热功率影响下可以采用更高电流驱动,激光单元可输出超过十瓦的功率及1 MW/(cm2·sr)量级的 亮 度,合 束 后可从芯径100~200μm 光 纤中输出几十瓦至千瓦的单波长激光,光束质量为6~20mm·mrad,具有亮度高、成本低及可靠性好等优点,应用在光纤激光泵浦、激光医疗、激光照明等领域。尤其是在光纤激光器泵浦需求牵引下,单管合束光源的性能出现了快速提升,而成本也大幅度下降。美国nLight报道采用多个大功率、高光束质量的975nm 激光单管,通过空 间 及 偏 振 合 束 后 进 行 光 纤 耦 合,实 现 芯 径105μm 的光纤连续输出功率363 W,芯径220μm 的光纤连续输出功率1000W,可以用于光纤激光器的泵浦[57]。北京凯普林光电科技有限公司采用156个波长被体布拉格光栅(VBG)锁定至975.5nm 的 激光 单 管,通 过 空 间 叠 加 和 偏 振 合 束,使 得 芯 径200μm、数值孔径0.22的光纤实现输出1037 W 的 稳波 长、窄 线 宽 激 光[58],以 增 加 光 纤 激 光 器 泵 浦效率。

线阵合束光源多采用光束质量相对较好的迷你线阵(5~10个激光单元)或者填充因子较低的厘米线阵(填充因子<20%),单线阵功率为40~80 W, 合束后功率一般在几百瓦至数千瓦,耦合光纤芯径为200~600μm,光束质量为20~60mm·mrad, 主要应用在激光焊接等工业加工领域。由于单管合束光源性能的快速提升,通过多个单管合束光源的组合,已经能够达到线阵合束光源的性能指标,考虑到单管合束光源的成本及可靠性等因素,线阵合束光源已有被单管合束光源取代的趋势。

叠阵合束光源 采 用 微 通 道 封 装 的 激 光 线 阵 合束,借助微通道热沉的高效散热能力以及激光芯片多为高 填 充 因 子 结 构,单 层 微 通 道 线 阵 输 出 功率可达数 百 瓦,多层线阵垂直叠加后可输出数千瓦至万瓦 级 功 率,通过波长合束可以将功率提升到更高水平。德国 Laserline研发 出 系 列 大 功 率 光纤耦 合 产 品,连 续 输 出 功 率 从 1.5kW(芯 径 400μm、数值孔径0.1)到45kW(芯径2000μm、数值孔径0.2)[59]。目 前,叠阵合束光源多用于激光熔覆、表面硬化等对 激 光 功 率 要 求 高、光 束 质 量 要 求低的工业加工方面。

2.2.2 DWDM 技术

相对于常规合束相邻波长间隔不低于 25nm而言,密集波长合束可将波长间隔缩小至纳米量级,在不改变光束质量条件下,数倍增加激光单元数量,可以提高合束光源功率和亮度。

密集波长合束关键器件:1)中心波长稳定的窄线宽激光单元,可以通过直接在芯片刻蚀光栅或者通过 VBG 外腔反馈调制光谱实现;2)波 长 间 隔 较小的合束元件,如高波长陡度的二向分色元件、合束VBG 等。

德国弗劳恩霍夫激光技术(ILT)研究所采用内置光栅方式,直接在集成5个激光单元的迷你线阵上刻蚀不同周期光栅,5个激光单元输出中心波 长间隔为2.5nm 的5束不 同 波 长 激 光[60],再采 用4个二向分色镜合束,最终耦合进35μm 光纤[61]。该 方法实现的窄线宽单元结构稳定,但是芯片光栅工艺要求非常高,一旦某个单元的光谱和位置关系出现偏差,则合束效率急剧降低。

VBG 外腔反馈是当前实现窄线宽激光输出的主要方式,所采用的半导体激光芯片前腔面镀增透膜,其后 腔 面 与 VBG 构成 谐 振 腔,利 用 VBG 衍射光 作 为 种 子 光 调 控 起 振 光 谱,可实现谱宽窄至0.1nm、温度漂移0.01nm/℃的激光输出。基于该技术,德国 DILAS公司从芯径100μm、数值孔径0. 2的光纤中输出功率达410 W[62]。德国ILT 研究所从芯径100μm、数值孔径0.17的光纤 中 输 出 功 率超过800 W[63];该研究所也以 VBG 作为合束元件,通过精密温控和角度调节4片 VBG,实现5个中心波 长 间 隔 1.5 nm 的 激 光 合 束[64]。德 国 DirectPhotonicsIndustries 公 司也推出了功率为500~2000 W、光束 质 量 为 5 mmmrad、芯径 为100μm 的光纤 耦 合 半 导 体 激 光 源 产 品[65],应用 在金 属 切 割 领 域。密 集 光 谱 合 束 技 术 将 芯 径 为100μm光纤耦合半导体激光源的输出功率提升到千瓦量级,相对于常规合束光源,功率和亮度提升了近1个数量级。

2.2.3 SBC技术

相对于前面两种采用多个合束元件实现多波长激光合束而言,光谱合束技术仅利用单个色散元件即可实现多束波长间隔低至0.1nm 的激光合束,进一步提高了合束单元的数量,在相同光束质量下,增加了合束功率和亮度。

目前采用的光谱合束结构基本构架由美国麻省理工学院于2000年最先报道,他们对推动该技术的发展做了很多工作[66-68]。该合束基本结构由前腔面增透的半导体激光芯片、变换透镜、光栅和外腔镜构成,激光芯片输出的单元光束经变换透镜作用到光栅同一位置,然后经光栅和外腔镜的共同作用,部分光沿原路返回形成种子光,辅助腔内谐振,部分光直接输出。返回的种子光的起振波长严格满足光栅方程,由于各子光束的光栅入射角不同而衍射角相同,使得各激光单元起振在不同的波长,经过外腔镜输出的激光在近场和远场均重合,因此实现合束功率为所有单元之和、合束光束质量与单个激光单元一致的激光 输 出。经 过 技 术 转 化,美 国 Teradiode公 司推出了功率为1kW(芯径为50μm)、2~12kW(芯径为100μm)光纤 输 出 系 列 产 品[69],并报 道 了功 率 为 360 W、2 倍 衍 射 极 限[70]、亮 度 达 到10GW/(cm2·sr)的半导体激光源,直接将大功率半导体激光的亮度提高2个数量级,为大功率、高亮度半导体激光器的发展指明新方向。

表1为12kW 连续输出功率下,基于光谱合束的半导体激光器与其他商用激光器的亮度对比,可以看出,半导 体 激 光 器 超 过 了 CO2激光 器、达 到 了Disk 激 光 器 的 水 平。同 时 光 谱 合 束 也 将 芯 径100μm光纤耦合 半 导 体 激 光 源 的 功 率 提 升 到 万 瓦量级,相对于常规合束技术,其功率和亮度提升了近2个数量级。

德国 Trumpf提出一种将窄带滤光片用于外腔反馈波长锁 定 结 构[71],通过 镀 膜,使窄带滤光片具有角度-波长筛选特性,只有同时满足入射角和波长条件的光才能透过滤光片,这使得激光芯片上不同位置的激光单元起振在不同的波长,实现了波长调制。利用该技术,进一步结合光栅 技 术,在200μm 芯径的光纤中实现输出功率超过5kW[72]。

激光合束技术除了应用在上述近红外波段外,在可见光、中红外波段也实现了广泛应用。受激光显示、汽车大灯及铜、金等金属加工等应用的驱动,基于 GaN 基的蓝光激光器在近几年出现了井 喷 式的 发 展。日 本 Nichia[73]、德 国 OSRAM[74]、日 本 Panasonic[75]等公司相继推出了 大 功 率 的 蓝 光 激 光器芯片。据 Nichia报道,条宽45μm、腔长1.2mm的蓝光单管半导体激光器的连续功率超过6 W,在3A 电流驱动 下,5.67 W 功率 输 出 时,电 光 转 换 效率达到48%以上[76]。德国 OSRAM 研制的激光线阵输出功率达到107W[77],并研制出可满足-40℃~+120 ℃工作 温 度 的 蓝 光 激 光 器[78]。基于 蓝 光芯片,采用与近红外波段相似的合束技术,德 国Laserline[79]、美国Coherent[80]和美国 NUBURU[81] 等公司相继报道了千瓦级的蓝光激光器,用于铜的焊接、三维打印等。其中,美国 NUBURU 报道芯径100μm 光纤输出蓝激光功率高达1.5kW。意大利Riva等[82]采用波长间隔4nm 的3种蓝光模块通过密集波长合束,从芯径50μm 光纤中实现输出功率超过100 W。美国 Teradiode公司利用光谱合束技术,实 现 了 功 率 为 180 W,光 束 质 量 仅 为1.26mm·mrad×1.31mm·mrad的蓝激光[83],对 应的亮度达到1.1GW/(cm2·sr),也是当前报道的最高亮度的蓝光激光器。

3 结束语

本文针对大功率半导体激光的常用技术进行了总结介绍,主要包括边大功率发射半导体激光芯片和大功率半导体激光合束技术。大功率半导体激光器的应用范围几乎涵盖了所有光电子领域。进一步发展大功率半导体激光技术对于推动我国光电子领域学科发展、推动我国激光产业发展、推动国民经济升级转型,有着重要科研、经济以及战略意义。

随着各行各业对激光光源需求的发展,半导体激光器对大功率的需求是永无止境的。根据应用领域的不同,大功率也不再是唯一的指标。对于工业加工而言,除了进一步提升输出功率以外,还需要对光束质量和亮度进行进一步优化;针对不同的材料进行加工时,还需要考虑吸收波段,采用不同波长的激光器进行合束,这就需要对不同衬底材料体系的大功率激光进行研发;为了进一步提升合束功率,还要进一步增加合束的光谱密度,研究新的合束技术;针对泵浦单模光纤放大器或者通过耦合单模光纤输出的应用领域,保持单模特性,以方便单模光纤耦合为首要目标,在此基础上尽可能提升输出功率;在泵浦原子钟、泵浦激光陀螺、泵浦碱金属激光器、分离激光同位素、气体监测、光纤通信、卫星激光通信等领域,需要在维持单波长或窄线宽的情况下尽可能提升输出功率;对泵浦光纤激光器、固体激光器等在一定吸收波段具有高吸收效率的应用场景而言,需要尽可能提升有用波段的功率,从而提高泵浦效率,降低废热,有必要在提高输出功率的基础上进行输出光谱的调整和适当的优化。

因此,大功率半导体激光器根据行业需求将变得精细化、多样化。针对不同行业的应用进行定制化生产 的 大 功 率 半 导 体 激 光 器,将 是 未 来 的 发 展方向。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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