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(yùn)源用單波長(zhǎng)、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(zhǎng)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(zhǎng)、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)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(guó)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(guó)外水平基本相當(dāng)。

圖1  單個(gè)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(gè)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(guó)Nlight公司利用該結(jié)構(gòu)集成14個(gè)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但內(nèi)部光學(xué)元件多，裝調(diào)難度大，成本高。

圖2  多個(gè)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(gè)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(guó)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(zhǎng)，但光學(xué)元件多，裝調(diào)集成難度大，成本高。

圖3  多個(gè)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(jiǎn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)模塊壽命僅為2萬小時(shí)左右。

圖4  多個(gè)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(gè)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(guó)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(jiǎn)單、壽命較長(zhǎng)、免維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖5  多個(gè)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(duì)于半導(dǎo)體激光輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的個(gè)數(shù)而倍增輸出功率。在該領(lǐng)域，德國(guó)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(jí)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(guó)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(jí)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(zhǎng)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(guó)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(jí)別已超過燈抽運(yùn)固體激光器的光束質(zhì)量，在1000 W級(jí)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(yùn)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(yùn)亮度不斷提高，同時(shí)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(jì)，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(guó)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(zhǎng)足的進(jìn)步，如北京凱普林光電公司在單個(gè)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(guó)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(guó)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(zhǎng)技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命方面較之國(guó)外先進(jìn)水平尚有較大差距。這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)實(shí)用化高功率、長(zhǎng)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(guó)半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的價(jià)格居高不下，嚴(yán)重影響了大功率半導(dǎo)體激光器在我國(guó)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也限制了我國(guó)高功率光纖激光器的研制和開發(fā)?？上驳氖牵S著當(dāng)前我國(guó)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(guó)產(chǎn)化，從而推動(dòng)半導(dǎo)體激光器這一高效、節(jié)能型激光器更廣泛地運(yùn)用于我國(guó)的工業(yè)、國(guó)防、科研等領(lǐng)域中。