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3分钟看懂大功率半导体激光器!

工程师 来源:山东省科学院激光研究所 作者:陈绍婷、蒋丽媛 2020-10-27 16:24 次阅读

作者陈绍婷、蒋丽媛

半导体激光器一般具有质量轻、调制效率高、体积小等特点,在民用、军用、医疗等领域应用比较广泛。大功率半导体激光器的研究从20世纪80年代开始,从未停止,随着半导体技术与激光技术的不断发展,大功率也半导体激光器在功率输出、功率转换、可靠性等方面取得了比较大的进步。

1 大功率半导体激光器的基本概述

半导体激光器属于激光器的一种,主要是借助半导体物质,完成相应的激光工作,常被称之为激光二极管。不同半导体工作物质产生激光的过程存在一定差异,当前常用的半导体物质包括了InP(磷化铟)、CdS(硫化镉)、ZnS(硫化锌)、GaAs(砷化镓)等。按照半导体器件不同可以将半导体划分为单异质结、同质结、双异质结等。按照输出功率的不同可将半导体激光器分为小功率半导体激光器与大功率半导体激光器两种。半导体激光器的工作原理为在半导体价带与导带之间通过激励方式,实现空穴复合产生受激发射,在这一过程中由于激励导致的粒子数反转至关重要。

2 大功率半导体激光器的研究现状综述

大功率半导体激光器的研究现状主要从输出功率、转化效率和可靠性三个方面展开分析。

2.1 输出功率

随着技术的不断发展,大功率半导体激光器在输出功率方面已经取得了不错的成绩。以商用的此类激光器为例,一般商用大功率激光器波长主要在800~1100nm之间,在输出功率优化方面主要通过发光点个数与单管激光优化提升两方面。首先,发光点个数的进一步增加。设计人员通过优化激光器内部线阵与单管模组、迭阵、面阵等,进一步增加了激光器发光点的数量,进一步增强激光器输出功率。在线阵合束优化上,增加线阵数量,利用光学元件使得分立空间能量(激光)叠加,达到增加发光点的目的,此种方式简便易操作,应用最为广泛;在迭阵合束优化上,利用堆整形方法(平行平板)与迭阵合束技术相结合,转换激光加工方式,进一步实现激光的直接加工,达到优化输出的目的。

其次,单管激光优化。单管激光优化是提升半导体激光器输出功率的有效方式之一,设计人员通过改变芯片制备、芯片结构、腔面镀膜等技术,进一步优化输出功率(单管激光)促进激光器性能的提升。近些年单管激光器的输出功率(连续)最高达25W以上。

2.2 转化效率

除了输出效率之外,大功率半导体激光器的性能还与其转化效率有很大关系,提升半导体转换效率,减少半导体激光器废热产生,无疑可以提升能量利用率,延长激光器的使用寿命。

在半导体转化效率研究方面,各国重点在提升转化效率,先制定转化率目标,之后通过技术手段进行优化,当前激光器转化效率目标制定上各国研究目标大多在80%以上。在转化效率的优化上研究重点普遍集中在温度控制上,Alfalight公司通过对970nm单条大功率半导体激光器的转换率(50%)进行研究观察分析得出转化效率优化上可以从以下几方面入手:①载流子消耗控制,研究中由于载流子溢出导致消耗,占总体消耗的比例相对较高,大约8%左右,通过空穴和电子在量子阱中实现的复合效果有限,所以需要进一步控制载流子消耗。以提升激光器转化效率。②阈值下消耗控制,这部分消耗所占比例相对较高,需要进行控制,以优化粒子反转,提升转化效率。

2.3 可靠性

可靠性是半导体激光器优化的重点之一,与小功率半导体相比大功率半导体的可靠性优化还有很大的发展空间。大功率半导体激光器由于连续的大电流工作不得不面临烧孔、光丝效应等问题,解决这一类问题可有效提升大功率半导体可靠性。近年来研究者利用传热结构优化、封装技术改进、光斑尺寸增大、生长(晶体)质量提高等方法,进一步提升了大功率半导体的可靠性,延长大功率半导体使用寿命,将单管最长使用寿命延长到10万小时以上。

3 大功率半导体激光器光束质量探讨

大功率半导体激光器除了输出功率等优化外,近些年在激光束质量方面的研究也取得了很大进展,激光束质量得到进一步提升。研究者利用加工工艺与芯片结构的改进,加强了对激光束两侧控制,确保射出的激光束稳定单一,提升了激光束子的质量。研究者还利用WBC(外腔反馈光谱合束)技术,对大功率半导体激光器的合束光源进行改善,进一步提升了大功率半导体激光束质量。首先,半导体单管两侧模式限制。

Ledentsov等研究者提出一种新型的激光器结构,该种激光结构是基于带晶体波导(纵向光子)的新形式,改变对激光两侧控制,可以提升激光束两侧机关控制水平,使得激光束集中度更优质,改善激光器传统芯片光束质量差的现状,更新激光束芯片质量,进一步提升激光束质量。其次,空间合束技术的应用。大功率半导体激光器的研究者利用空间合束技术,来增加激光功率,提升激光单元光束质量,从而达到提升整体激光光束质量的目的。

4 结束语

未来大功率半导体激光器的应用会进一步加深,通过对大功率的研究,探索大功率半导体激光器优化的方式,促进大功率激光器技术推广与发展。相关研究人员可从输出功率、转化效率、可靠性、光束质量等方面全面优化技术应用,促进质量提升。

责任编辑:haq

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