半導(dǎo)體激光器的研究始于20世紀(jì)60年代。1962年，美國(guó)科學(xué)家Hall首次研制成功了第一代半導(dǎo)體激光器——低溫脈沖工作的GaAs同質(zhì)結(jié)激光器，由于只能在液氮溫度下脈沖工作，難于實(shí)用化，但它為半導(dǎo)體激光器的研制和開(kāi)發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。
從液氮溫度下到室溫下連續(xù)工作，從單異質(zhì)結(jié)到雙異質(zhì)結(jié)，半導(dǎo)體激光器逐漸邁入了新時(shí)期。再之后隨著能帶工程理論的引用，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的不斷問(wèn)世及發(fā)展，新制備出的量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器各方面的功能特性有了很大程度的提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率輸出。
在歐美等國(guó)大力研發(fā)的情況下，半導(dǎo)體激光器器件結(jié)構(gòu)理論的研究日益深入，材料制備工藝也逐漸成熟，尤其在材料外延生長(zhǎng)技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)和器件封裝等方面都實(shí)現(xiàn)了顯著的提高。因此，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用已遍及通信光源、光陀螺、光存儲(chǔ)以及激光雷達(dá)等方面。
本文從半導(dǎo)體激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性3個(gè)方面，總結(jié)了目前市場(chǎng)上的主流技術(shù)、技術(shù)最高值、代表廠商和產(chǎn)品，旨在供同行交流和參考。
半導(dǎo)體激光器的
輸出功率
目前國(guó)際上大功率半導(dǎo)體激光器的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式主要有單管、線陣、迭陣這3大類。而圍繞半導(dǎo)體激光器性能方面的提升首先考慮的通常是功率，其他指標(biāo)例如高轉(zhuǎn)化效率、高可靠性、高光束質(zhì)量都是在功率提升之后逐步改進(jìn)的，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率激光器整體功能特性的完善，方便其在各個(gè)領(lǐng)域中的更新?lián)Q代。
單管輸出功率
Alfalight公司在2010年采用SE-DFB技術(shù)研制成功的半導(dǎo)體激光單管連續(xù)輸出功率可達(dá)73 W，峰值脈沖功率超過(guò)300 W。
美國(guó)Axcel Photonics生產(chǎn)的808 mm的半導(dǎo)體激光器單管，腔長(zhǎng)2 mm，發(fā)光單元寬度為400 μm，連續(xù)輸出功率達(dá)到 29 W。
美國(guó)nLight公司生產(chǎn)的885 nm單管激光器，其峰值輸出功率超過(guò)25 W（額定功率12 W），轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60%。
德國(guó)Ferdinand-Braun-Institut生產(chǎn)的980 mm 的半導(dǎo)體激光單管，它的發(fā)光單元寬度為96 μm，連續(xù)輸出功率達(dá)到20 W，工作4000小時(shí)后無(wú)損壞。
激光器線陣輸出功率
由于單個(gè)半導(dǎo)體激光器的腔體發(fā)光面積較小,其輸出功率最高只能達(dá)到幾十瓦，因此要實(shí)現(xiàn)更高量級(jí)的激光輸出，通常采用陣列式構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光器單管的組合。可根據(jù)需要達(dá)到的功率要求將成千上百個(gè)單管平行排列，構(gòu)成一個(gè)Bar條，即線陣半導(dǎo)體激光器。
如表1所示，半導(dǎo)體激光線陣的輸出功率增加在10年增長(zhǎng)了近3倍。
表1 半導(dǎo)體激光器bar條輸出功率
美國(guó)Spectra-Physics的940 nm波長(zhǎng)單激光線陣結(jié)構(gòu)將65個(gè)填充因子為83%、腔長(zhǎng)5 mm、125 μm 條寬的激光單元以150 μm為間隔集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)厘米線陣上在水溫5℃單邊冷卻散熱的情況下可以達(dá)到640 W；而若采用雙邊冷卻散熱方式，連續(xù)功率可以實(shí)現(xiàn)1010 W的輸出。同時(shí)該激光線陣相同的結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)980 nm和808 nm分別實(shí)現(xiàn)功率950 W和800 W連續(xù)激光輸出。
激光器迭陣輸出功率
為了提高半導(dǎo)體激光器的功率輸出，一方面可將若干個(gè)單管激光器芯片集成，形成激光器Bar條。同時(shí)，還可以將多個(gè)Bar條堆疊起來(lái)形成二維面陣，激光器面陣的光功率可以達(dá)到幾十千瓦乃甚至幾百千瓦。
德國(guó)Laserline公司在激光器迭陣中采用了激光合束技術(shù)，許多款大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)投入商用，主要參數(shù)如表2所示。
表2 德國(guó)Laserline公司的半導(dǎo)體激光器
迭陣合束光源參數(shù)
德國(guó)Dilas公司通過(guò)采用11×8個(gè)單元（每個(gè)單元25個(gè)bar）的二維列陣結(jié)構(gòu)，制備了波長(zhǎng)為 941 nm，脈沖輸出功率為 264 kW的半導(dǎo)體激光器列陣。該公司的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、國(guó)防、醫(yī)療以及科研等各個(gè)領(lǐng)域。
半導(dǎo)體激光器的
效率
評(píng)價(jià)半導(dǎo)體激光器的一項(xiàng)指標(biāo)是電光轉(zhuǎn)換率。通常來(lái)講，進(jìn)入材料的那一部分能量都轉(zhuǎn)化為有用的光了，而剩余的大部分通常會(huì)以熱的形式殘留在設(shè)備中。對(duì)于一個(gè)給定的能量源來(lái)說(shuō)，高效率可以獲得更多的有用輸出，產(chǎn)生的廢熱也會(huì)更少，這就意味著可以使用更為環(huán)保經(jīng)濟(jì)的冷卻系統(tǒng)。
效率高的激光器設(shè)備產(chǎn)生較少?gòu)U熱的同時(shí)也意味著整個(gè)設(shè)備的溫度較低。而較低的工作溫度也保障了更長(zhǎng)的工作壽命，因?yàn)榘雽?dǎo)體組件的降解速率是會(huì)隨著溫度的上升以指數(shù)的形式升高的。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，更低的廢熱產(chǎn)生也意味著激光器可以輸出更高的功率。高質(zhì)量低缺陷的激光器可獲得的峰值功率是會(huì)受到熱效應(yīng)影響的，也就是說(shuō)它的峰值功率只會(huì)在給定的特定溫度才能實(shí)現(xiàn)。低廢熱的話意味著激光器可以在達(dá)到給定溫度之前盡可能提高輸出功率。
總而言之，半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率十分重要，尤其是在需要高輸出功率的工業(yè)、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)，半導(dǎo)體激光器在不斷追求高功率的同時(shí)也試圖在更加寬闊的波段領(lǐng)域?qū)で笸黄啤?/div>
表3列舉了市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的波長(zhǎng)在800-1000 nm的半導(dǎo)體激光器近年來(lái)的最高輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和工作溫度。
表3 半導(dǎo)體激光器Bar條輸出功率及轉(zhuǎn)化效率
半導(dǎo)體激光器的
可靠性
目前，隨著工業(yè)加工、國(guó)防安全等領(lǐng)域?qū)τ诎雽?dǎo)體激光器的功率要求日益提升，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展進(jìn)入了快車道，單管輸出功率已超千萬(wàn)，陣列式激光器的輸出功率亦水漲船高，同時(shí)電光轉(zhuǎn)化率也突破80%。但與此同時(shí)，激光器功率的急劇上升也會(huì)給其帶來(lái)可靠性水平的下降，造成工作壽命縮短。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于如何保證高功率的同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)其可靠性與壽命展開(kāi)了深入的研究工作。
在通信光存儲(chǔ)等領(lǐng)域，單管激光器的工作時(shí)間可超百萬(wàn)小時(shí)，而線陣半導(dǎo)體激光器的壽命則降低到1-3萬(wàn)小時(shí)，而多個(gè)bar條組成的半導(dǎo)體激光器陣列更是降低了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
考慮到整體激光器系統(tǒng)的體積，陣列中各個(gè)激光發(fā)射單元的排布較為緊密，帶來(lái)高功率激光輸出的同時(shí)也為系統(tǒng)的散熱帶來(lái)了諸多問(wèn)題，在連續(xù)大電流工作時(shí)，各個(gè)發(fā)光單元產(chǎn)生的熱量分別累計(jì)相互影響，從而產(chǎn)生熱量梯度，因此常常會(huì)造成燒孔、電熱燒毀和端面災(zāi)變性損傷。
與此同時(shí)，各單元緊密的排列在提升了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的同時(shí)，也對(duì)激光器件的整體封裝技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。由于封裝工藝不到位引起的焊料空洞、引線脫落等都對(duì)激光器的可靠性帶來(lái)巨大的潛在影響。
解決這些問(wèn)題一般通過(guò)以下方法:
提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量、改進(jìn)制備工藝和封裝技術(shù)、增大光斑尺寸、優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)和散熱方法等。
近年來(lái)，由于半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率的提高以及封裝散熱工程的改進(jìn)，半導(dǎo)體激光器單管報(bào)道的最長(zhǎng)壽命很多已達(dá)到十萬(wàn)小時(shí)以上，線陣的可靠性也有了非常明顯的提高。半導(dǎo)體激光器高的電光轉(zhuǎn)換率可能會(huì)在重量、空間以及電能吃緊的領(lǐng)域產(chǎn)生新的用途。高的電光轉(zhuǎn)換效率可以降低內(nèi)部工作溫度也因此會(huì)減輕折射率分布產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
全固態(tài)激光器
近來(lái)發(fā)展迅速
全固態(tài)激光器全稱為半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)的固態(tài)激光器，是以半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體激光器陣列作為抽運(yùn)源，摻入金屬離子的晶體或玻璃基質(zhì)作為增益介質(zhì)的激光器裝置。因此，從某種意義上來(lái)講，全固態(tài)激光器綜合了半導(dǎo)體激光器和固體激光器兩者的優(yōu)點(diǎn)。
基于其自身的優(yōu)勢(shì)以及巨大的市場(chǎng)潛力，在歐美等國(guó)的努力研發(fā)下，輔之以相干合成和熱容技術(shù)，目前全固態(tài)激光器輸出平均功率均已超過(guò)萬(wàn)瓦，可用于工業(yè)加工和國(guó)防安全領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)于全固態(tài)激光器的研究受限于早期大功率激光器抽運(yùn)源禁運(yùn)，起步較晚，但近來(lái)發(fā)展迅速。
半導(dǎo)體抽運(yùn)堿金屬
蒸汽激光器
半導(dǎo)體抽運(yùn)堿金屬蒸汽激光器（DPAL）屬于非全固態(tài)激光器，工作物質(zhì)為堿金屬原子飽和蒸汽，與氣體激光器一樣，通過(guò)外層價(jià)電子能級(jí)躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)激光輸出，由于集合了氣體和固體激光器的長(zhǎng)處，系統(tǒng)散熱好、轉(zhuǎn)換效率高，市場(chǎng)應(yīng)用前景巨大。
目前，人們對(duì)DPAL的功率定標(biāo)放大能力開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究，并于近期成功實(shí)現(xiàn)了高效的千瓦級(jí)連續(xù)輸出，正處于功率提升的關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期。
國(guó)內(nèi)對(duì)于半導(dǎo)體抽運(yùn)堿金屬蒸汽激光器的研究大多還處于理論研究階段，浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)以及深圳大學(xué)都開(kāi)展了相關(guān)方面的研究工作。而國(guó)防科技大學(xué)在2009年首次完成了半導(dǎo)體抽運(yùn)銣蒸汽激光器的出光實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)內(nèi)對(duì)于該領(lǐng)域研究的一項(xiàng)重大突破。
總結(jié)
目前各類激光器的發(fā)展水平迅速，其中商業(yè)應(yīng)用較為廣泛的大功率激光器型號(hào)如表4所述。
表4 各類商用大功率激光器發(fā)展水平
激光領(lǐng)域已經(jīng)為人類結(jié)出許多碩大的科研果實(shí)。然而，眾多新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品接連問(wèn)世的同時(shí)，各類激光器的性能也存在著或多或少的不足與缺陷，大功率激光器的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用還面臨著諸多難題。
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