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大功率半导体激光器研发历程及现状分析

  半导体激光器的光斑呈椭圆形, 这给应用带来了许多不便。为了改善这一性能, 人们除了在y方向做工作之外, 还在x方向寻求解决的办法, 例如在双异质结构中加一波导层, 成为大光腔激光器。为了进一步提高光功率, 人们在y方向上制作多个条形激光器, 构成所谓阵列。1978年, 贝尔实验室的D.R.Scifres等人首次研制成功了室温连续工作的锁相阵列半导体激光器。这种器件大大地提高了相干功率, 为高功率半导体激光器的研制开辟了一条新的途径。现在, 锁相阵列激光器的研究正处于高潮。把许多锁相阵列激光器合并在一起可构成激光棒, 一个1cm长的激光棒输出功率达到10W, 已有商品出售。再把若干个激光棒排列成二维阵列, 可以产生更高的功率。1993年推出了准连续输出峰值功率100W, 占空比为20%(平均功率20w)的1cm半导体激光器, 用这样的器件紧密形成的2cm2的阵列, 准连续输出功率达到5000W, 平均功率达200W。

  八十年代初, MOVCD和MBE等先进的生长工艺的发展, 使人们考虑设计更高级的半导体激光器。当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长差不多(-10nm)时, 一个新的物理现象发生了, 这就是所谓的量子尺寸效应, 这一效应带来了全新的半导体激光器—量子阱激光器(QWL)。

  从七十年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展。一类是以传递信息为目的的信息型激光器, 主要用于光纤通信、光存储、激光唱机等。这类激光器对功率的要求并不高,一般为几mW至十几mW, 但模式要好, 甚至要求动态单模, 寿命要长。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器, 它们主要用于固体激光泵浦等方面。

     二、大功率半导体激光器件最新进展

     作为半导体激光系统集成的基本单元,不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展,其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。

   大功率半导体激光器件远场发散角控制

     根据光束质量的定义,以激光光束的光参数乘积(BPP)作为光束质量的衡量指标,激光光束的远场发散角与BPP成正比,因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看,半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出,光束质量好,但发散角大,快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出,光束质量差,该方向发散角的减小直接提高器件光束质量,是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。

     在快轴发散角控制方面,如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点,尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3°,甚至1°的器件,但是基于功率、光电效率及制备成本考虑,短期内难以推广实用。2010年初,德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Institute)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30°快轴发散角(95%能量范围),光电转换效率为55%,基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80°左右(95%能量范围)降低到50°以下,大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。

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