工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀
高功率和高光束質(zhì)量是材料加工用激光器的兩個基本要求。為了提高大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率，可以將十幾個或幾十個單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條，將多個巴條堆疊起來可形成激光器二維疊陣，激光器疊陣的光功率可以達(dá)到千瓦級甚至更高。但是隨著半導(dǎo)體激光器條數(shù)的增加，其光束質(zhì)量將會下降。另外，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致：快軸的光束質(zhì)量接近衍射極限，而慢軸的光束質(zhì)量卻比較差，這使得半導(dǎo)體激光器在工業(yè)應(yīng)用中受到了很大的限制。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、寬范圍的激光加工，激光器必須同時滿足高功率和高光束質(zhì)量。因此，現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器作為一個重要研究方向，以滿足要求更高激光功率密度的激光材料加工應(yīng)用的需求。
大功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)包括半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(shù)、半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直、激光光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。
1.半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(shù)
大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。首先，應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的采用，提高了大功率半導(dǎo)體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴(kuò)展了GaAs基材料系的發(fā)射波長覆蓋范圍。其次，采用無鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學(xué)災(zāi)變損傷光功率密度，從而提高了器件的輸出功率，并增加了器件的使用壽命。再者，采用寬波導(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu)增加了光束近場模式的尺寸，減小了輸出光功率密度，從而增加了輸出功率，并延長了器件壽命。目前，商品化的半導(dǎo)體激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到60%，實(shí)驗(yàn)室中的電光轉(zhuǎn)換效率已超過70%，預(yù)計在不久的將來，半導(dǎo)體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%以上。
2.半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直
激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié)，由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時產(chǎn)生的熱量密度很高，這對芯片的封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。目前，國際上多采用銅熱沉、主動冷卻方式、硬釬焊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的封裝，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同，又可分為微通道熱沉封裝和傳導(dǎo)熱沉封裝。
半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其光束的快軸方向發(fā)散角非常大，接近40°，而慢軸方向的發(fā)散角只有10°左右。為了使激光長距離傳輸以便于后續(xù)光學(xué)處理，需要對光束進(jìn)行準(zhǔn)直。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元尺寸較小，目前，國際上常用的準(zhǔn)直方法是微透鏡準(zhǔn)直。其中，快軸準(zhǔn)直鏡通常為數(shù)值孔徑較大的微柱非球面鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡則是對應(yīng)于各個發(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后，快軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到8mrad，慢軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到30mrad。
3.半導(dǎo)體激光光束整形技術(shù)
國際上普遍采用光參數(shù)乘積來描述半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，光參數(shù)乘積定義為某個方向上的光斑半徑與該方向上遠(yuǎn)場發(fā)散半角的乘積。光參數(shù)乘積的大小決定了激光的光束質(zhì)量，光參數(shù)乘積越小，光束質(zhì)量越好。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致，差別較大，為了得到空間上均勻的光束分布，需要對半導(dǎo)體激光器的光束進(jìn)行整形，即將快、慢軸的光參數(shù)乘積均勻化。國際上多采用光束分割重排的方法進(jìn)行光束整形，即先將慢軸的光束進(jìn)行分割，然后旋轉(zhuǎn)重排，減小慢軸方向的光斑尺寸，增加快軸方向的光斑尺寸，從而實(shí)現(xiàn)快、慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。目前已經(jīng)報道的快、慢軸光參數(shù)乘積均勻化的光束整形方法主要有：光纖束整形法、反射整形法、折射整形法、折反射整形法等。
4.半導(dǎo)體激光器集成技術(shù)
利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長耦合等合束技術(shù)以及光束整形技術(shù)，在增加半導(dǎo)體激光器輸出功率的同時得到高光束質(zhì)量的激光光束。目前，國外許多公司和研究所采用將多種耦合技術(shù)相結(jié)合的方法，都已實(shí)現(xiàn)了千瓦級的功率輸出。德國Laserline公司商品化的直接輸出半導(dǎo)體激光器，其輸出功率可達(dá)10kW，光斑尺寸0.6mm×3mm，光束質(zhì)量60×300 mm•mrad，功率密度550kW/cm2；該公司的光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器已達(dá)到光纖末端連續(xù)輸出功率10kW，光纖直徑1mm，數(shù)值孔徑NA=0.2，光束質(zhì)量100mm•mrad，功率密度1MW/cm2。
