激光器，像激光打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)等等激光設(shè)備都離不開他。以前我們探討過(guò)：半導(dǎo)體激光器各方面發(fā)展，并多次提到半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用，今天我們就來(lái)看一下近年來(lái)大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀：
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(lái)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(lái)，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(guò)70%，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，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(lái)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(guò)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。
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