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大功率半导体激光器研发历程及现状分析

     在慢轴发散角控制方面,最近研究表明,除器件自身结构外,驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小,即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制,而在阵列器件中,随着填充因子的增大,发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年,瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长,9XX nm波段10 W商用器件,成功将慢轴发散角(95%能量范围)由原来的10°~12°降低到7°左右;同年,德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角(95%能量范围)也达7°水平。

  半导体激光标准厘米阵列发展现状

     标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件,长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高,现有CM Bar的腔长由原来的0.6~1.0 mm增大到2.0~5.0mm,使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初,美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长,填充因子为83%的半导体激光阵列,利用双面微通道热沉冷却,在中心波长分别为808 nm,940 nm,980 nm处获得800 W/bar,1010W/bar,950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外,德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列,其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出,在现有技术条件下制备获得1.5kW/bar阵列器件已不成问题。与此同时,具有高光束质量的低填充因子CM Bar的功率也不断提高,表1为德国Limo公司获得具有不同填充因子CM Bar的BPP比较, 由表1结果发现横向尺寸一定的半导体激光阵列器件,在发散角相同的情况下,填充因子与BPP成正比,即填充因子越低,其光参数乘积越小,光束质量越好。目前,9XX nm波段20%填充因子CM Bar连续输出功率最高可达180 W/bar,快慢轴光束质量对称化后光参数乘积可达5.9 mm?mrad,商用器件可长期稳定工作在80W以上;2.5%填充因子CM Bar连续输出功率可达50 W/bar,快慢轴光束质量对称化后光参数乘积可达2.1mm?mrad,目前这种器件还处于研发中,需要进一步提高其稳定的输出功率。然而,伴随着CM Bar功率的不断提高和高光束质量要求下填充因子逐渐减小,一系列新的问题也随之产生,特别是与之配套的低压大电流恒流电源的高成本问题以及微通道热沉散热寿命短的问题逐渐显现。

     分析众多超高功率CM Bar文献可以发现,多数功率测试均受制于电源最大电流的限制,而非CM Bar自身出射功率极限,而在工程运用中,数伏电压数百安电流的组合也会产生众多实际问题。另一方面,超高功率CM Bar和具有高光束质量的低填充因子CM Bar所产生的高热流密度必须采用微通道热沉散热,而现有水冷微通道热沉的散热极限无疑也成为了CM Bar功率及光束质量进一步提高的最大障碍。近期针对CM Bar散热问题开发的双面微通道冷却技术对热阻的降低作用有限,就目前看来缺乏与CM Bar功率提升相适应的可持续发展性。此外,不可忽视的是,微通道热沉相对较短的寿命一直是目前大功率半导体激光器的寿命瓶颈。而其他新型高效散热技术如相变冷却、喷雾冷却以及微热管技术由于其性能特点、成本以及结构兼容性问题在短期内难以真正实用于CM Bar散热领域。鉴于以上两方面的限制,近一两年来,各大研究机构及高功率半导体供应商并不再一味追求提高CM Bar的输出功率,而是逐渐将发展重点转移到具有大功率、高光束质量的半导体激光单元器件和短阵列器件研制领域。

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