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工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀
添加時(shí)間:2016/5/12 16:51:44
   高功率和高光束質(zhì)量是材料加工用激光器的兩個(gè)基本要求。為了提高大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率,可以將十幾個(gè)或幾十個(gè)單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條,將多個(gè)巴條堆疊起來可形成激光器二維疊陣,激光器疊陣的光功率可以達(dá)到千瓦級(jí)甚至更高。但是隨著半導(dǎo)體激光器條數(shù)的增加,其光束質(zhì)量將會(huì)下降。另外,半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致:快軸的光束質(zhì)量接近衍射極限,而慢軸的光束質(zhì)量卻比較差,這使得半導(dǎo)體激光器在工業(yè)應(yīng)用中受到了很大的限制。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、寬范圍的激光加工,激光器必須同時(shí)滿足高功率和高光束質(zhì)量。因此,現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器作為一個(gè)重要研究方向,以滿足要求更高激光功率密度的激光材料加工應(yīng)用的需求。 


  大功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)包括半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直、激光光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。




  1.半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)


  大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。近年來,美、德等國(guó)家在此方面投入巨大,并取得了重大進(jìn)展,處于世界領(lǐng)先地位。首先,應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的采用,提高了大功率半導(dǎo)體激光器的光電性能,降低了器件的閾值電流密度,并擴(kuò)展了GaAs基材料系的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋范圍。其次,采用無(wú)鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學(xué)災(zāi)變損傷光功率密度,從而提高了器件的輸出功率,并增加了器件的使用壽命。再者,采用寬波導(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu)增加了光束近場(chǎng)模式的尺寸,減小了輸出光功率密度,從而增加了輸出功率,并延長(zhǎng)了器件壽命。目前,商品化的半導(dǎo)體激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到60%,實(shí)驗(yàn)室中的電光轉(zhuǎn)換效率已超過70%,預(yù)計(jì)在不久的將來,半導(dǎo)體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%以上。






  2.半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直


  激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié),由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小,其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量密度很高,這對(duì)芯片的封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。目前,國(guó)際上多采用銅熱沉、主動(dòng)冷卻方式、硬釬焊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的封裝,根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同,又可分為微通道熱沉封裝和傳導(dǎo)熱沉封裝。


  半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其光束的快軸方向發(fā)散角非常大,接近40°,而慢軸方向的發(fā)散角只有10°左右。為了使激光長(zhǎng)距離傳輸以便于后續(xù)光學(xué)處理,需要對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元尺寸較小,目前,國(guó)際上常用的準(zhǔn)直方法是微透鏡準(zhǔn)直。其中,快軸準(zhǔn)直鏡通常為數(shù)值孔徑較大的微柱非球面鏡,慢軸準(zhǔn)直鏡則是對(duì)應(yīng)于各個(gè)發(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后,快軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到8mrad,慢軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到30mrad。 




  3.半導(dǎo)體激光光束整形技術(shù)


  國(guó)際上普遍采用光參數(shù)乘積來描述半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量,光參數(shù)乘積定義為某個(gè)方向上的光斑半徑與該方向上遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角的乘積。光參數(shù)乘積的大小決定了激光的光束質(zhì)量,光參數(shù)乘積越小,光束質(zhì)量越好。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致,差別較大,為了得到空間上均勻的光束分布,需要對(duì)半導(dǎo)體激光器的光束進(jìn)行整形,即將快、慢軸的光參數(shù)乘積均勻化。國(guó)際上多采用光束分割重排的方法進(jìn)行光束整形,即先將慢軸的光束進(jìn)行分割,然后旋轉(zhuǎn)重排,減小慢軸方向的光斑尺寸,增加快軸方向的光斑尺寸,從而實(shí)現(xiàn)快、慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。目前已經(jīng)報(bào)道的快、慢軸光參數(shù)乘積均勻化的光束整形方法主要有:光纖束整形法、反射整形法、折射整形法、折反射整形法等。


  4.半導(dǎo)體激光器集成技術(shù)


  利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長(zhǎng)耦合等合束技術(shù)以及光束整形技術(shù),在增加半導(dǎo)體激光器輸出功率的同時(shí)得到高光束質(zhì)量的激光光束。目前,國(guó)外許多公司和研究所采用將多種耦合技術(shù)相結(jié)合的方法,都已實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)的功率輸出。德國(guó)Laserline公司商品化的直接輸出半導(dǎo)體激光器,其輸出功率可達(dá)10kW,光斑尺寸0.6mm×3mm,光束質(zhì)量60×300 mm•mrad,功率密度550kW/cm2;該公司的光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器已達(dá)到光纖末端連續(xù)輸出功率10kW,光纖直徑1mm,數(shù)值孔徑NA=0.2,光束質(zhì)量100mm•mrad,功率密度1MW/cm2。
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