3 大功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀
半導(dǎo)體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進(jìn)了大功率半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的迅速提高,直接體現(xiàn)在光纖激光器抽運源用單波長、光纖耦合輸出半導(dǎo)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(dǎo)體激光模塊根據(jù)其內(nèi)部采用的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器件可直接耦合進(jìn)入光纖獲得激光輸出(如圖1),該結(jié)構(gòu)具有體積小、成本低、壽命長、技術(shù)成熟等優(yōu)點,目前國外多家半導(dǎo)體激光器供應(yīng)商均達(dá)到8~10W/module水平。該領(lǐng)域國內(nèi)以北京凱普林光電技術(shù)公司較為領(lǐng)先,單模塊出纖功率與國外水平基本相當(dāng)。
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(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)準(zhǔn)直的單元器件所發(fā)出的光束,在快軸方向上緊密排列,經(jīng)偏振合束,然后聚焦耦合進(jìn)光纖。2009年,美國Nlight公司利用該結(jié)構(gòu)集成14個單元器件獲得了NA=0.15,105 μm芯徑光纖單模塊輸出100 W(如圖2),耦合效率71%。該類結(jié)構(gòu)模塊具有體積小、亮度高、壽命長等優(yōu)點,但內(nèi)部光學(xué)元件多,裝調(diào)難度大,成本高。
圖2 多個單管半導(dǎo)體激光器件集成光纖耦合輸出模塊光路結(jié)構(gòu)
3.2 半導(dǎo)體激光短陣列器件集成光纖耦合輸出
利用多個經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的短陣列器件所發(fā)出的光束,在快軸方向上緊密排列,經(jīng)偏振合束,然后聚焦耦合進(jìn)光纖。2007年,德國DILAS公司利用該結(jié)構(gòu)(如圖3)獲得了NA=0.22,200 μm芯徑光纖單模塊輸出500 W,耦合效率83%。該結(jié)構(gòu)模塊亮度高,壽命長,但光學(xué)元件多,裝調(diào)集成難度大,成本高。
圖3 多個短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結(jié)構(gòu)
3.3 微通道熱沉封裝結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光陣列堆光纖耦合輸出
微通道熱沉封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光陣列堆(CM Bar Stack)輸出光束經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直后,空間集成,快慢軸光束均勻化,然后聚焦耦合進(jìn)入光纖(如圖4)。目前,該結(jié)構(gòu)可達(dá)NA=0.22,200μm芯徑光纖單模塊輸出400W,該結(jié)構(gòu)模塊亮度較高,光學(xué)元件少,結(jié)構(gòu)簡單,但成本較高,而且必須采用去離子水作為冷卻介質(zhì),使用維護(hù)要求高,同時由于在去離子水的侵蝕作用下微通道熱沉壽命較短,如果不進(jìn)行精細(xì)的冷卻水管理,會導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)模塊壽命僅為2萬小時左右。
圖4 多個微通道冷卻半導(dǎo)體激光堆集成光纖耦合輸出模塊結(jié)構(gòu)
3.4 傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合輸出
多個傳導(dǎo)熱沉封裝結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光陣列輸出光束經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直后空間集成后直接通過聚焦耦合系統(tǒng)進(jìn)入光纖。目前,德國DILAS公司利用該思路獲得了NA=0.22,200 μm芯徑光纖單模塊輸出200 W;400μm芯徑光纖單模塊輸出500 W,耦合效率約為80%。該類結(jié)構(gòu)模塊(如圖5)盡管較其他幾種結(jié)構(gòu)相比亮度稍低,但具有光學(xué)元件少、結(jié)構(gòu)簡單、壽命較長、免維護(hù)、成本低等優(yōu)點。
圖5 多個傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列集成模塊結(jié)構(gòu)
在面向直接工業(yè)應(yīng)用的高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器方面,當(dāng)材料加工對于半導(dǎo)體激光輸出波長不敏感的情況下,除通過以上技術(shù)手段獲得高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光輸出外,還可通過波長合束技術(shù)與偏振合束技術(shù),在輸出光束質(zhì)量不變的情況下,根據(jù)合束波長的個數(shù)而倍增輸出功率。在該領(lǐng)域,德國的Laserline公司技術(shù)較為領(lǐng)先,采用微通道封裝CM Bar Stack集成獲得從數(shù)百瓦至萬瓦級高功率、高光束質(zhì)量激光加工系統(tǒng): 2000 W (BPP:20 mm?mrad),4000 W (BPP:30 mm?mrad),10000 W (BPP:100 mm?mrad)。國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院在半導(dǎo)體激光快慢軸光束質(zhì)量均勻化方面獲得突破,采用微通道冷卻封裝的CM Bar Stack集成結(jié)構(gòu)于2008年獲得了面向工業(yè)材料加工用的千瓦級半導(dǎo)體激光系統(tǒng),BPP小于12 mm?mrad,超過了千瓦商用全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量。
4 結(jié)語與展望
隨著半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)、半導(dǎo)體激光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、高穩(wěn)定性封裝技術(shù)、高效散熱技術(shù)水平的不斷提高,半導(dǎo)體激光器功率及光束質(zhì)量飛速發(fā)展,促進(jìn)了直接工業(yè)用半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)和高功率光纖激光器的發(fā)展。目前國際上直接工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器在輸出功率5000 W級別已超過燈抽運固體激光器的光束質(zhì)量,在1000 W級別已超過全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量。隨著化合物半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量將進(jìn)一步提高,將進(jìn)一步擴(kuò)展其工業(yè)應(yīng)用范圍。在高功率光纖激光器抽運源方面,光纖耦合輸出的功率不斷上升,光纖芯徑和數(shù)值孔徑不斷降低,導(dǎo)致光纖激光器的抽運亮度不斷提高,同時成本卻不斷下降,因此未來高功率光纖激光器的輸出功率與光束質(zhì)量也將不斷地提高??梢灶A(yù)計,在未來工業(yè)激光加工中,特別是在金屬激光加工領(lǐng)域,大功率半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在激光表面處理、激光熔覆和近距離激光焊接領(lǐng)域,而大功率光纖激光器主要應(yīng)用在光束質(zhì)量要求更高的激光切割和遠(yuǎn)程激光焊接領(lǐng)域。
在國內(nèi),最近幾年高功率、高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器相關(guān)領(lǐng)域方面也取得了長足的進(jìn)步,如北京凱普林光電公司在單個單元器件的光纖耦合方面,西安炬光科技公司在半導(dǎo)體激光芯片的封裝方面均接近或達(dá)到了國際先進(jìn)水平,北京工業(yè)大學(xué)在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但是在半導(dǎo)體激光器的核心部件—半導(dǎo)體激光芯片的研制和生產(chǎn)方面,一直受外延生長技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制,國產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命方面較之國外先進(jìn)水平尚有較大差距。這導(dǎo)致國內(nèi)實用化高功率、長壽命半導(dǎo)體激光芯片主要依賴于進(jìn)口,直接導(dǎo)致我國半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的價格居高不下,嚴(yán)重影響了大功率半導(dǎo)體激光器在我國的推廣應(yīng)用,同時也限制了我國高功率光纖激光器的研制和開發(fā)??上驳氖?,隨著當(dāng)前我國化合物半導(dǎo)體器件,如#p#分頁標(biāo)題#e#LED、多節(jié)GaAs太陽能電池、紅外熱成像器等技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展,化合物半導(dǎo)體器件的外延技術(shù)和封裝技術(shù)將不斷成熟,這些技術(shù)應(yīng)用于同是化合物半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體激光器,大大促進(jìn)半導(dǎo)體激光器件的國產(chǎn)化,從而推動半導(dǎo)體激光器這一高效、節(jié)能型激光器更廣泛地運用于我國的工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域中。
轉(zhuǎn)載請注明出處。