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工業用大功率半導體激光器發展現狀


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    高功率和高光束質量是材料加工用激光器的兩個基本要求。為了提高大功率半導體激光器的輸出功率,可以將十幾個或幾十個單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條,將多個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到千瓦級甚至更高。但是隨著半導體激光器條數的增加,其光束質量將會下降。另外,半導體激光器結構的特殊性決定了其快、慢軸光束質量不一致:快軸的光束質量接近衍射極限,而慢軸的光束質量卻比較差,這使得半導體激光器在工業應用中受到了很大的限制。要實現高質量、寬范圍的激光加工,激光器必須同時滿足高功率和高光束質量。因此,現在發達國家均將研究開發新型高功率、高光束質量的大功率半導體激光器作為一個重要研究方向,以滿足要求更高激光功率密度的激光材料加工應用的需求。

  大功率半導體激光器的關鍵技術包括半導體激光芯片外延生長技術、半導體激光芯片的封裝和光學準直、激光光束整形技術和激光器集成技術。


  1.半導體激光芯片外延生長技術

  大功率半導體激光器的發展與其外延芯片結構的研究設計緊密相關。近年來,美、德等國家在此方面投入巨大,并取得了重大進展,處于世界領先地位。首先,應變量子阱結構的采用,提高了大功率半導體激光器的光電性能,降低了器件的閾值電流密度,并擴展了GaAs基材料系的發射波長覆蓋范圍。其次,采用無鋁有源區提高了激光芯片端面光學災變損傷光功率密度,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,采用寬波導大光腔結構增加了光束近場模式的尺寸,減小了輸出光功率密度,從而增加了輸出功率,并延長了器件壽命。目前,商品化的半導體激光芯片的電光轉換效率已達到60%,實驗室中的電光轉換效率已超過70%,預計在不久的將來,半導體激光器芯片的電光轉換效率能達到85%以上。


  2。半導體激光芯片的封裝和光學準直

  激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導體激光器的重要環節,由于大功率半導體激光器的輸出功率高、發光面積小,其工作時產生的熱量密度很高,這對芯片的封裝結構和工藝提出了更高要求。目前,國際上多采用銅熱沉、主動冷卻方式、硬釬焊技術來實現大功率半導體激光器陣列的封裝,根據封裝結構的不同,又可分為微通道熱沉封裝和傳導熱沉封裝。

  半導體激光器的特殊結構導致其光束的快軸方向發散角非常大,接近40°,而慢軸方向的發散角只有10°左右。為了使激光長距離傳輸以便于后續光學處理,需要對光束進行準直。由于半導體激光器發光單元尺寸較小,目前,國際上常用的準直方法是微透鏡準直。其中,快軸準直鏡通常為數值孔徑較大的微柱非球面鏡,慢軸準直鏡則是對應于各個發光單元的微柱透鏡。經過快慢軸準直后,快軸方向的發散角可以達到8mrad,慢軸方向的發散角可以達到30mrad。

  3.半導體激光光束整形技術

  國際上普遍采用光參數乘積來描述半導體激光器的光束質量,光參數乘積定義為某個方向上的光斑半徑與該方向上遠場發散半角的乘積。光參數乘積的大小決定了激光的光束質量,光參數乘積越小,光束質量越好。因為半導體激光器結構的特殊性決定了其快、慢軸光束質量不一致,差別較大,為了得到空間上均勻的光束分布,需要對半導體激光器的光束進行整形,即將快、慢軸的光參數乘積均勻化。國際上多采用光束分割重排的方法進行光束整形,即先將慢軸的光束進行分割,然后旋轉重排,減小慢軸方向的光斑尺寸,增加快軸方向的光斑尺寸,從而實現快、慢軸光參數乘積的均勻化。目前已經報道的快、慢軸光參數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.半導體激光器集成技術

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

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