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大功率半导体激光器件最新发展现状分析

发布时间:2020-01-16 22:38:15

 1 引言

  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,半导体的输出光束质量与固体激光器、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. M ller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/ m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/ m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 m/125 m多模尾纤匹配的,发光单元条宽为90~100 m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 m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 m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 m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 m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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