1 引言

     　半導(dǎo)體激光器由于具有體積小、重量輕、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，誕生伊始一直是激光領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通信等眾多領(lǐng)域。但是由于自身量子阱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制，半導(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量與固定激光器、CO2激光器等傳統(tǒng)激光器相比較差，阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。近年來，隨著半導(dǎo)體材料外延生長技術(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)的飛速發(fā)展，特別是在直接半導(dǎo)體激光工業(yè)加工應(yīng)用以及大功率光纖激光器抽運(yùn)需求的推動(dòng)下，具有大功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光器飛速發(fā)展，為獲得高質(zhì)量、高性能的直接半導(dǎo)體激光加工(laser oem)設(shè)備以及高性能大功率光纖激光抽運(yùn)源提供了光源基礎(chǔ)。

 

　　2 大功率半導(dǎo)體激光器件最新進(jìn)展

    　作為半導(dǎo)體激光系統(tǒng)集成的基本單元，不同結(jié)構(gòu)與種類的半導(dǎo)體激光器件的性能提升直接推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的發(fā)展，其中最為主要的是半導(dǎo)體激光器件輸出光束發(fā)散角的降低以及輸出功率的不斷增加。

　　2.1 大功率半導(dǎo)體激光器件遠(yuǎn)場發(fā)散角控制

    　根據(jù)光束質(zhì)量的定義，以激光光束的光參數(shù)乘積（BPP）作為光束質(zhì)量的衡量指標(biāo)，激光光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角與BPP成正比，因此半導(dǎo)體激光器高功率輸出條件下遠(yuǎn)場發(fā)散角控制直接決定器件的光束質(zhì)量。從整體上看，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其遠(yuǎn)場光束嚴(yán)重不對稱?？燧S方向可認(rèn)為是基模輸出，光束質(zhì)量好，但發(fā)散角大，快軸發(fā)散角的壓縮可有效降低快軸準(zhǔn)直鏡的孔徑要求。慢軸方向?yàn)槎嗄］敵?，光束質(zhì)量差，該方向發(fā)散角的減小直接提高器件光束質(zhì)量，是高光束半導(dǎo)體激光器研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。#p#分頁標(biāo)題#e#

    　在快軸發(fā)散角控制方面，如何兼顧快軸發(fā)散角和電光效率的問題一直是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，盡管多家研究機(jī)構(gòu)相續(xù)獲得快軸發(fā)散角僅為3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光電效率及制備成本考慮，短期內(nèi)難以推廣實(shí)用。2010年初，德國費(fèi)迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Institute)的P. Crump等通過采用大光腔、低限制因子的方法獲得了30o快軸發(fā)散角（95%能量范圍），光電轉(zhuǎn)換效率為55%，基本達(dá)到實(shí)用化器件標(biāo)準(zhǔn)。而目前商用高功率半導(dǎo)體激光器件的快軸發(fā)散角也由原來的80o左右（95%能量范圍）降低到50o以下，大幅度降低了對快軸準(zhǔn)直鏡的數(shù)值孔徑要求。

    　在慢軸發(fā)散角控制方面，最近研究表明，除器件自身結(jié)構(gòu)外，驅(qū)動(dòng)電流密度與熱效應(yīng)共同影響半導(dǎo)體激光器慢軸發(fā)散角的大小，即長腔長單元器件的慢軸發(fā)散角最易控制，而在陣列器件中，隨著填充因子的增大，發(fā)光單元之間熱串?dāng)_的加劇會導(dǎo)致慢軸發(fā)散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制備獲得的5 mm腔長，9XX nm波段10 W商用器件，成功將慢軸發(fā)散角（95%能量范圍）由原來的10o～12o降低到7o左右；同年，德國Osram公司、美國相干公司制備陣列器件慢軸發(fā)散角（95%能量范圍）也達(dá)7o水平。

　　2.2 半導(dǎo)體激光標(biāo)準(zhǔn)厘米陣列發(fā)展現(xiàn)狀

    　標(biāo)準(zhǔn)厘米陣列是為了獲得高功率輸出而在慢軸方向尺度為1 cm的襯底上橫向并聯(lián)集成多個(gè)半導(dǎo)體激光單元器件而獲得的半導(dǎo)體激光器件，長期以來一直是大功率半導(dǎo)體激光器中最常用的高功率器件形式。伴隨著高質(zhì)量、低缺陷半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)及腔面鈍化技術(shù)的提高，現(xiàn)有CM Bar的腔長由原來的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國光譜物理公司Hanxuan Li等制備的5 mm腔長，填充因子為83%的半導(dǎo)體激光陣列，利用雙面微通道熱沉冷卻，在中心波長分別為808 nm，940 nm，980 nm處獲得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室最高CM Bar連續(xù)功率輸出水平。此外，德國的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半導(dǎo)體激光供應(yīng)商也相續(xù)制備獲得千瓦級半導(dǎo)體激光陣列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明確指出，在現(xiàn)有技術(shù)條件下制備獲得1.5kW/bar陣列器件已不成問題。與此同時(shí)，具有高光束質(zhì)量的低填充因子CM Bar的功率也不斷提高，表1為德國Limo公司獲得具有不同填充因子CM Bar的BPP比較, 由表1結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫向尺寸一定的半導(dǎo)體激光陣列器件，在發(fā)散角相同的情況下，填充因子與BPP成正比，即填充因子越低，其光參數(shù)乘積越小，光束質(zhì)量越好。目前，9XX nm波段20%填充因子CM Bar連續(xù)輸出功率最高可達(dá)180 W/bar，快慢軸光束質(zhì)量對稱化后光參數(shù)乘積可達(dá)5.9 mm?mrad，商用器件可長期穩(wěn)定工作在80W以上；2.5%填充因子CM Bar連續(xù)輸出功率可達(dá)50 W/bar，快慢軸光束質(zhì)量對稱化后光參數(shù)乘積可達(dá)2.1mm?mrad，目前這種器件還處于研發(fā)中，需要進(jìn)一步提高其穩(wěn)定的輸出功率。然而，伴隨著CM Bar功率的不斷提高和高光束質(zhì)量要求下填充因子逐漸減小，一系列新的問題也隨之產(chǎn)生，特別是與之配套的低壓大電流恒流#p#分頁標(biāo)題#e#電源的高成本問題以及微通道熱沉散熱壽命短的問題逐漸顯現(xiàn)。

    　分析眾多超高功率CM Bar文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)功率測試均受制于電源最大電流的限制，而非CM Bar自身出射功率極限，而在工程運(yùn)用中，數(shù)伏電壓數(shù)百安電流的組合也會產(chǎn)生眾多實(shí)際問題。另一方面，超高功率CM Bar和具有高光束質(zhì)量的低填充因子CM Bar所產(chǎn)生的高熱流密度必須采用微通道熱沉散熱，而現(xiàn)有水冷微通道熱沉的散熱極限無疑也成為了CM Bar功率及光束質(zhì)量進(jìn)一步提高的最大障礙。近期針對CM Bar散熱問題開發(fā)的雙面微通道冷卻技術(shù)對熱阻的降低作用有限，就目前看來缺乏與CM Bar功率提升相適應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展性。此外，不可忽視的是，微通道熱沉相對較短的壽命一直是目前大功率半導(dǎo)體激光器的壽命瓶頸。而其他新型高效散熱技術(shù)如相變冷卻、噴霧冷卻以及微熱管技術(shù)由于其性能特點(diǎn)、成本以及結(jié)構(gòu)兼容性問題在短期內(nèi)難以真正實(shí)用于CM Bar散熱領(lǐng)域。鑒于以上兩方面的限制，近一兩年來，各大研究機(jī)構(gòu)及高功率半導(dǎo)體供應(yīng)商并不再一味追求提高CM Bar的輸出功率，而是逐漸將發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到具有大功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光單元器件和短陣列器件研制領(lǐng)域。

　　2.3 大功率半導(dǎo)體激光單元器件發(fā)展現(xiàn)狀

    　與CM Bar相比，半導(dǎo)體激光單元器件具有獨(dú)立的電、熱工作環(huán)境，避免了發(fā)光單元之間的熱串?dāng)_，使其在壽命、光束質(zhì)量方面與CM Bar相比具有明顯優(yōu)勢。此外單元器件驅(qū)動(dòng)電流低、多個(gè)串聯(lián)工作大幅度降低了對驅(qū)動(dòng)電源的要求。同時(shí)單元器件的發(fā)熱量相對較低，可直接采用傳導(dǎo)熱沉散熱，避免了微通道熱沉引入的壽命短的問題。而且獨(dú)立的熱工作環(huán)境使其可高功率密度工作，目前單元器件的有源區(qū)光功率線密度可達(dá)200 mW/μm以上，同時(shí)具有較窄的光譜寬度，而CM Bar有源區(qū)光功率線密度僅為50~85 mW/μm左右。特別是獨(dú)立的熱、電工作環(huán)境大幅度降低了器件的失效幾率，在高穩(wěn)定性金錫焊料封裝技術(shù)的支撐下，商用高功率單元器件壽命均達(dá)10萬小時(shí)以上，遠(yuǎn)高于CM Bar的壽命，有效降低了器件的使用成本。基于上述優(yōu)點(diǎn)，單元器件大有逐漸替代CM Bar成為高功率、高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光主流器件的趨勢。

    　在此背景下，單元器件近年來得到了迅速發(fā)展，尤其在高功率光纖激光器對高#p#分頁標(biāo)題#e#亮度半導(dǎo)體激光光纖耦合抽運(yùn)模塊需求推動(dòng)下，與105 μm/125 μm多模尾纖匹配的，發(fā)光單元條寬為90～100 μm的單元器件在功率和光束質(zhì)量方面均大幅度提升。目前，多個(gè)研究小組制備該結(jié)構(gòu)9XX nm波段單元器件連續(xù)輸出功率均達(dá)20~25 W/emitter水平；同結(jié)構(gòu)8XX nm波段器件連續(xù)輸出功率也超過了12W/emitter。而在商用器件方面，IPG公司、Oclaro公司、JDSU公司等多個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器件供應(yīng)商制備90~100 μm條寬9XX nm波段單元器件均能連續(xù)穩(wěn)定工作在10W/emitter以上，多個(gè)單管合成可獲得100 W以上的光纖耦合輸出。

　　2.4 大功率半導(dǎo)體激光短陣列器件發(fā)展現(xiàn)狀

    　盡管半導(dǎo)體激光單元器件功率提高很快，但單個(gè)器件輸出功率較CM Bar仍有較大差距，為了滿足不同功率運(yùn)用需求，一種新型大功率半導(dǎo)體激光器件—半導(dǎo)體激光短陣列得以出現(xiàn)并迅速發(fā)展。短陣列器件是在同一芯片襯底上集成數(shù)個(gè)單元器件而獲得，它實(shí)際是CM Bar與單元器件在結(jié)構(gòu)上的折衷優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)電流、壽命以及腔面輸出光功率密度、光譜寬度等指標(biāo)均介于CM Bar和單元器件兩者之間，兼顧了CM Bar與單元器件各自優(yōu)點(diǎn)。同樣是考慮到高光束質(zhì)量及與光纖激光器抽運(yùn)源的需求，短陣列器件的發(fā)展主要集中在100 μm條寬的低填充因子器件方面。2009年，德國Osram與DILAS公司合作利用包含5個(gè)100 μm條寬、4 mm腔長980 nm發(fā)光單元的短陣列器件(填充因子10%)獲得連續(xù)輸出功率大于80 W，光電轉(zhuǎn)換效率高于60%，其內(nèi)部發(fā)光單元功率16W/emitter，接近了單元器件的光功率密度水平，值得一提的是該器件在壽命測試中展現(xiàn)出了類似單元器件的壽命特性，當(dāng)短陣列器件內(nèi)部單個(gè)發(fā)光單元失效后，整個(gè)器件并未燒毀而僅表現(xiàn)為功率下降。鑒于短陣列器件優(yōu)良的功率及壽命特性，目前正迅速推廣應(yīng)用于高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器及光纖耦合輸出抽運(yùn)模塊中，目前該類以100 μm發(fā)光單元為基礎(chǔ)的9 XX nm波段商用器件可長期穩(wěn)定在8 W/emitter，而808 nm器件也達(dá)5 W/emitter水平。

 表1 不同結(jié)構(gòu)CM Bar光參數(shù)乘積#p#分頁標(biāo)題#e#

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、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、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前國外多家半導(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，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)簡單、壽命較長、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)材料加工對于半導(dǎo)體激光輸出波長不敏感的情況下，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)合束波長的個(gè)數(shù)而倍增輸出功率。在該領(lǐng)域，德國的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)百瓦至萬瓦級高功率、高光束質(zhì)量激光加工(laser oem)系統(tǒng): 2000 W (BPP:20 mm?mrad)，4000 W (BPP:30 mm?mrad)，10000 W (BPP:100 mm?mrad)。國內(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。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　4 結(jié)語與展望

    　隨著半導(dǎo)體材料外延生長技術(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(laser oem)系統(tǒng)和高功率光纖激光器的發(fā)展。目前國際上直接工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器在輸出功率5000 W級別已超過燈抽運(yùn)固體激光器的光束質(zhì)量，在1000 W級別已超過全固態(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(laser oem)中，特別是在金屬激光加工(laser oem)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，一直受外延生長技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制，國產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命方面較之國外先進(jìn)水平尚有較大差距。這導(dǎo)致國內(nèi)實(shí)用化高功率、長壽命半導(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)體激光器在我國的推廣應(yīng)用，同時(shí)也限制了我國高功率光纖激光器的研制和開發(fā)?？上驳氖?，隨著當(dāng)前我國化合物半導(dǎo)體器件，如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)用于我國的工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域中。#p#分頁標(biāo)題#e#