半导体激光器的发展.docVIP

大功率半導體激光器件必威体育精装版發展現狀分析 2010-10-12 20:20:34 點擊數： 63 半導體激光器由於具有體積小、重量輕、效率高等眾多優點，誕生伊始一直是激光領域的關注焦點，廣泛應用於工業、軍事、醫療、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化技術、腔麵鈍化技術、高穩定性封裝技術、高效散熱技術的飛速發展，特別是在直接半導體激光工業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必威体育精装版進展 　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展，其中最為主要的是半導體激光器件輸出光束發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，但發散角大，快軸發散角的壓縮可有效降低快軸準直鏡的孔徑要求。慢軸方向為多模輸出，光束質量差，該方向發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。 　在快軸發散角控製方麵，如何兼顧快軸發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獲得快軸發散角僅為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(Ferdinand-Braun-Institute)的P. Crump等通過采用大光腔、低限製因子的方法獲得了30o快軸發散角（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散角的大小，即長腔長單元器件的慢軸發散角最易控製，而在陣列器件中，隨著填充因子的增大，發光單元之間熱串擾的加劇會導致慢軸發散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司製備獲得的5 mm腔長，9XX nm波段10 W商用器件，成功將慢軸發散角（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1 cm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CM Bar的腔長由原來的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國光譜物理公司Hanxuan Li等製備的5 mm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808 nm，940 nm，980 nm處獲得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的當前實驗室最高CM Bar連續功率輸出水平。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製備獲得千瓦級半導體激光陣列，其中Oclaro公司的J.Müller等更是明確指出，在現有技術條件下製備獲得1.5kW/bar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CM Bar的功率也不斷提高，表1為德國Limo公司獲得具有不同填充因子CM Bar的BPP比較, 由表1結果發現橫向尺寸一定的半導體激光陣列器件，在發散角相同的情況下，填充因子與BPP成正比，即填充因子越低，其光參數乘積越小，光束質量越好。目前，9XX nm波段20%填充因子CM Bar連續輸出功率最高可達180 W/bar，快慢軸光束質量對稱化後光參數乘積可達5.9 mm?mrad，商用器件可長期穩定工作在80W以上；2.5%填充因子CM Bar連續輸出功率可達50 W/bar，快慢軸光束質量對稱化後光參數乘積可達2.1mm?mrad，目前這種