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千瓦-万瓦级半导体激光器的发展现状和挑战

导读: 本文以各种大功率半导体激光器产品为例,讨论并分析了以开放式半导体激光器或光纤输出为基础的各种可能实现千瓦-万瓦级半导体激光器的技术路线,总结了当前的进展和遇到的一些核心问题的解决办法,以及所面临的挑战。

  随着输出功率、转化效率、可靠性和制造工艺的提高以及成本的降低,半导体激光器越来越广泛地应用于工业、制造业、军事、航空、显示、娱乐以及医疗系统等各个领域。同时由于成本低,寿命和新应用的快速增加,今年来对于高功率和高性能的半导体激光器的需求也与日俱增,功率扩展已成为高性能半导体激光器发展的一个趋势。本文以各种大功率半导体激光器产品为例,讨论并分析了以开放式半导体激光器或光纤输出为基础的各种可能实现千瓦-万瓦级半导体激光器的技术路线,总结了当前的进展和遇到的一些核心问题的解决办法,以及所面临的挑战。

  1.千瓦-万瓦级半导体激光器的技术路线简介

  理论上,以单发射腔、单巴条和垂直腔面发射阵列(VCSEL-vertical-cavity,surface-emitting laser)为基本结构单元的3中技术路线均有可能获得功率扩展,从而发展千瓦-万瓦级半导体激光器。

  (1)单发射腔:

  基于单发射腔,有两种方式可以实现千瓦-万瓦级半导体激光器。图1a所示为多单管阵列光纤耦合,即每一个单管先经过光纤耦合,然后将所有的光纤输出的激光合束进光纤内。这个方法的优点是比较容易实现,因为工艺理论都相对简单,可靠性也高。但是缺点是亮度低,体积较大。图1b所示为多单管空间耦合方式。多个单管以某种方式(单波长耦合、偏振耦合或者多波长耦合)排列之后,各单元发光区的输出光束通过光学系统整形后,再汇聚耦合入光纤输出。这个方法的优点是可提供高亮度,不足之处是难度较大,设计、工艺都有难度,成本较高,输出功率可达到百瓦,但是,要获取千瓦以上则不太现实。

  (2)VCSE(vertical-cavity surface-emitting laser)垂直腔面发射阵列:

  传统的边发射优点是单管功率高,单需要钝化腔面以提高COD(Catastrophic Optical Damage),而且光束质量较差。相比而言,垂直腔面发射半导体激光器有其优点,例如可以提供高质量的光束,芯片采取层级集成。但是,其单管功率低,主要是因为发光路径和散热路径在同一方向,很难通过增大增益介质来提高功率。因此,要获得高功率,必须继承为面阵结构;然而,由于热应力的问题,面阵所能提供的光斑面积很难大于5mm*5mm,所能提供的功率也仅限于250W左右。所以可能的一个方式就是先将单管集成为小单位的面阵,再将许多小单位的面阵集成为大面阵,从而实现大功率的激光输出,其过程更多地要依赖于封装集成。所以,目前,以VCSEL阵列为基础实现千瓦-万瓦级半导体激光器仍然存在许多待解决的问题。

  (3)单巴条:

  以边发射单巴条为基础的多光束、多光纤合成和叠阵、面阵是当前发展千瓦-万瓦级半导体激光器的主要技术路线,也是目前实现千瓦-万瓦级半导体激光器最切实可行的方法。其中面阵技术已经被广泛应用于世界各发达国家的激光核聚变工程中。因此,本文将主要围绕这个技术路线展开分析。

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