大功率半导体激光器件最新发展现状分析 - 文章

大功率半导体激光器件最新发展现状分析

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1 引言

半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。

2 大功率半导体激光器件最新进展

作为半导体激光系统集成的基本单元，不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展，其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。

2.1 大功率半导体激光器件远场发散角控制

根据光束质量的定义，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标，激光光束的远场发散角与BPP成正比，因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。

在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点，尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光电效率及制备成本考虑，短期内难以推广实用。2010年初，德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Institute)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30o快轴发散角（95%能量范围），光电转换效率为55%，基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80o左右（95%能量范围）降低到50o以下，大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。

在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长，9XX nm波段10 W商用器件，成功将慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10o～12o降低到7o左右；同年，德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角（95%能量范围）也达7o水平。

2.2 半导体激光标准厘米阵列发展现状

标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件，长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高，现有CM Bar的腔长由原来的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长，填充因子为83%的半导体激光阵列，利用双面微通道热沉冷却，在中心波长分别为808 nm，940 nm，980 nm处获得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外，德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出，在现有技术条件下制备获得1.5kW/bar阵列器件已不成问题。与此同时，具有高光束质量的低填充因子CM Bar的功率也不断提高，表1为德国Limo公司获得具有不同填充因子CM Bar的BPP比较, 由表1结果发现横向尺寸一定的半导体激光阵列器件，在发散角相同的情况下，填充因子与BPP成正比，即填充因子越低，其光参数乘积越小，光束质量越好。目前，9XX nm波段20%填充因子CM Bar连续输出功率最高可达180 W/bar，快慢轴光束质量对称化后光参数乘积可达5.9 mm?mrad，商用器件可长期稳定工作在80W以上；2.5%填充因子CM Bar连续输出功率可达50 W/bar，快慢轴光束质量对称化后光参数乘积可达2.1mm?mrad，目前这种器件还处于研发中，需要进一步提高其稳定的输出功率。然而，伴随着CM Bar功率的不断提高和高光束质量要求下填充因子逐渐减小，一系列新的问题也随之产生，特别是与之配套的低压大电流恒流电源的高成本问题以及微通道热沉散热寿命短的问题逐渐显现。

分析众多超高功率CM Bar文献可以发现，多数功率测试均受制于电源最大电流的限制，而非CM Bar自身出射功率极限，而在工程运用中，数伏电压数百安电流的组合也会产生众多实际问题。另一方面，超高功率CM Bar和具有高光束质量的低填充因子CM Bar所产生的高热流密度必须采用微通道热沉散热，而现有水冷微通道热沉的散热极限无疑也成为了CM Bar功率及光束质量进一步提高的最大障碍。近期针对CM Bar散热问题开发的双面微通道冷却技术对热阻的降低作用有限，就目前看来缺乏与CM Bar功率提升相适应的可持续发展性。此外，不可忽视的是，微通道热沉相对较短的寿命一直是目前大功率半导体激光器的寿命瓶颈。而其他新型高效散热技术如相变冷却、喷雾冷却以及微热管技术由于其性能特点、成本以及结构兼容性问题在短期内难以真正实用于CM Bar散热领域。鉴于以上两方面的限制，近一两年来，各大研究机构及高功率半导体供应商并不再一味追求提高CM Bar的输出功率，而是逐渐将发展重点转移到具有大功率、高光束质量的半导体激光单元器件和短阵列器件研制领域。

2.3 大功率半导体激光单元器件发展现状

与CM Bar相比，半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命、光束质量方面与CM Bar相比具有明显优势。此外单元器件驱动电流低、多个串联工作大幅度降低了对驱动电源的要求。同时单元器件的发热量相对较低，可直接采用传导热沉散热，避免了微通道热沉引入的寿命短的问题。而且独立的热工作环境使其可高功率密度工作，目前单元器件的有源区光功率线密度可达200 mW/μm以上，同时具有较窄的光谱宽度，而CM Bar有源区光功率线密度仅为50~85 mW/μm左右。特别是独立的热、电工作环境大幅度降低了器件的失效几率，在高稳定性金锡焊料封装技术的支撑下，商用高功率单元器件寿命均达10万小时以上，远高于CM Bar的寿命，有效降低了器件的使用成本。基于上述优点，单元器件大有逐渐替代CM Bar成为高功率、高光束质量半导体激光主流器件的趋势。

在此背景下，单元器件近年来得到了迅速发展，尤其在高功率光纤激光器对高亮度半导体激光光纤耦合抽运模块需求推动下，与105 μm/125 μm多模尾纤匹配的，发光单元条宽为90～100 μm的单元器件在功率和光束质量方面均大幅度提升。目前，多个研究小组制备该结构9XX nm波段单元器件连续输出功率均达20~25 W/emitter水平；同结构8XX nm波段器件连续输出功率也超过了12W/emitter。而在商用器件方面，IPG公司、Oclaro公司、JDSU公司等多个大功率半导体激光器件供应商制备90~100 μm条宽9XX nm波段单元器件均能连续稳定工作在10W/emitter以上，多个单管合成可获得100 W以上的光纤耦合输出。

2.4 大功率半导体激光短阵列器件发展现状

尽管半导体激光单元器件功率提高很快，但单个器件输出功率较CM Bar仍有较大差距，为了满足不同功率运用需求，一种新型大功率半导体激光器件—半导体激光短阵列得以出现并迅速发展。短阵列器件是在同一芯片衬底上集成数个单元器件而获得，它实际是CM Bar与单元器件在结构上的折衷优化，驱动电流、寿命以及腔面输出光功率密度、光谱宽度等指标均介于CM Bar和单元器件两者之间，兼顾了CM Bar与单元器件各自优点。同样是考虑到高光束质量及与光纤激光器抽运源的需求，短阵列器件的发展主要集中在100 μm条宽的低填充因子器件方面。2009年，德国Osram与DILAS公司合作利用包含5个100 μm条宽、4 mm腔长980 nm发光单元的短阵列器件(填充因子10%)获得连续输出功率大于80 W，光电转换效率高于60%，其内部发光单元功率16W/emitter，接近了单元器件的光功率密度水平，值得一提的是该器件在寿命测试中展现出了类似单元器件的寿命特性，当短阵列器件内部单个发光单元失效后，整个器件并未烧毁而仅表现为功率下降。鉴于短阵列器件优良的功率及寿命特性，目前正迅速推广应用于高光束质量大功率半导体激光器及光纤耦合输出抽运模块中，目前该类以100 μm发光单元为基础的9 XX nm波段商用器件可长期稳定在8 W/emitter，而808 nm器件也达5 W/emitter水平。

表1 不同结构CM Bar光参数乘积
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3 大功率高光束质量半导体激光器发展现状

半导体激光器件功率的增大与发散角的降低促进了大功率半导体激光器光束质量的迅速提高，直接体现在光纤激光器抽运源用单波长、光纤耦合输出半导体激光模块尾纤直径的减小以及出纤功率的不断增大。目前，该类单波长光纤耦合输出半导体激光模块根据其内部采用的半导体激光器件类型及其封装形式不同可分为以下几种具体形式。

3.1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出

在出纤功率要求不高的情况下，利用单管半导体激光器件可直接耦合进入光纤获得激光输出（如图1），该结构具有体积小、成本低、寿命长、技术成熟等优点，目前国外多家半导体激光器供应商均达到8~10W/module水平。该领域国内以北京凯普林光电技术公司较为领先，单模块出纤功率与国外水平基本相当。

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图1 单个单元器件直接光纤耦合输出模块

在出纤功率要求较高的情况下，利用多个经快轴准直镜（FAC）准直的单元器件所发出的光束，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，然后聚焦耦合进光纤。2009年，美国Nlight公司利用该结构集成14个单元器件获得了NA=0.15，105 μm芯径光纤单模块输出100 W（如图2），耦合效率71%。该类结构模块具有体积小、亮度高、寿命长等优点，但内部光学元件多，装调难度大，成本高。

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图2 多个单管半导体激光器件集成光纤耦合输出模块光路结构

3.2 半导体激光短阵列器件集成光纤耦合输出

利用多个经快轴准直镜准直后的短阵列器件所发出的光束，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，然后聚焦耦合进光纤。2007年，德国DILAS公司利用该结构（如图3）获得了NA=0.22，200 μm芯径光纤单模块输出500 W，耦合效率83%。该结构模块亮度高，寿命长，但光学元件多，装调集成难度大，成本高。

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图3 多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构

3.3 微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出

微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆(CM Bar Stack)输出光束经快、慢轴准直后，空间集成，快慢轴光束均匀化，然后聚焦耦合进入光纤（如图4）。目前，该结构可达NA=0.22，200μm芯径光纤单模块输出400W，该结构模块亮度较高，光学元件少，结构简单，但成本较高，而且必须采用去离子水作为冷却介质，使用维护要求高，同时由于在去离子水的侵蚀作用下微通道热沉寿命较短，如果不进行精细的冷却水管理，会导致该结构模块寿命仅为2万小时左右。

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图4 多个微通道冷却半导体激光堆集成光纤耦合输出模块结构

3.4 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出

多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤。目前，德国DILAS公司利用该思路获得了NA=0.22，200 μm芯径光纤单模块输出200 W；400μm芯径光纤单模块输出500 W，耦合效率约为80%。该类结构模块（如图5）尽管较其他几种结构相比亮度稍低，但具有光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等优点。

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图5 多个传导热沉封装半导体激光阵列集成模块结构

在面向直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面，当材料加工对于半导体激光输出波长不敏感的情况下，除通过以上技术手段获得高功率高光束质量半导体激光输出外，还可通过波长合束技术与偏振合束技术，在输出光束质量不变的情况下，根据合束波长的个数而倍增输出功率。在该领域，德国的Laserline公司技术较为领先，采用微通道封装CM Bar Stack集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激光加工系统: 2000 W (BPP:20 mm·mrad)，4000 W (BPP:30 mm·mrad)，10000 W (BPP:100 mm·mrad)。国内北京工业大学激光工程研究院在半导体激光快慢轴光束质量均匀化方面获得突破，采用微通道冷却封装的CM Bar Stack集成结构于2008年获得了面向工业材料加工用的千瓦级半导体激光系统，BPP小于12 mm·mrad，超过了千瓦商用全固态激光器的光束质量。

4 结语与展望

随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高，半导体激光器功率及光束质量飞速发展，促进了直接工业用半导体激光加工系统和高功率光纤激光器的发展。目前国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出功率5000 W级别已超过灯抽运固体激光器的光束质量，在1000 W级别已超过全固态激光器的光束质量。随着化合物半导体技术的进步，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高，将进一步扩展其工业应用范围。在高功率光纤激光器抽运源方面，光纤耦合输出的功率不断上升，光纤芯径和数值孔径不断降低，导致光纤激光器的抽运亮度不断提高，同时成本却不断下降，因此未来高功率光纤激光器的输出功率与光束质量也将不断地提高。可以预计，在未来工业激光加工中，特别是在金属激光加工领域，大功率半导体激光器主要应用在激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接领域，而大功率光纤激光器主要应用在光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接领域。

在国内，最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步，如北京凯普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面，西安炬光科技公司在半导体激光芯片的封装方面均接近或达到了国际先进水平，北京工业大学在半导体激光器系统方面达到了国际先进水平。但是在半导体激光器的核心部件—半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口，直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下，严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用，同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。可喜的是，随着当前我国化合物半导体器件，如LED、多节GaAs太阳能电池、红外热成像器等技术的不断应用和发展，化合物半导体器件的外延技术和封装技术将不断成熟，这些技术应用于同是化合物半导体器件的半导体激光器，大大促进半导体激光器件的国产化，从而推动半导体激光器这一高效、节能型激光器更广泛地运用于我国的工业、国防、科研等领域中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2010)


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