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大功率半导体激光器研发历程及现状分析

  大功率半导体激光单元器件发展现状

     与CM Bar相比,半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境,避免了发光单元之间的热串扰,使其在寿命、光束质量方面与CM Bar相比具有明显优势。此外单元器件驱动电流低、多个串联工作大幅度降低了对驱动电源的要求。同时单元器件的发热量相对较低,可直接采用传导热沉散热,避免了微通道热沉引入的寿命短的问题。而且独立的热工作环境使其可高功率密度工作,目前单元器件的有源区光功率线密度可达200 mW/μm以上,同时具有较窄的光谱宽度,而CM Bar有源区光功率线密度仅为50~85 mW/μm左右。特别是独立的热、电工作环境大幅度降低了器件的失效几率,在高稳定性金锡焊料封装技术的支撑下,商用高功率单元器件寿命均达10万小时以上,远高于CM Bar的寿命,有效降低了器件的使用成本。基于上述优点,单元器件大有逐渐替代CM Bar成为高功率、高光束质量半导体激光主流器件的趋势。

     在此背景下,单元器件近年来得到了迅速发展,尤其在高功率光纤激光器对高亮度半导体激光光纤耦合抽运模块需求推动下,与105 μm/125 μm多模尾纤匹配的,发光单元条宽为90~100 μm的单元器件在功率和光束质量方面均大幅度提升。目前,多个研究小组制备该结构9XX nm波段单元器件连续输出功率均达20~25 W/emitter水平;同结构8XX nm波段器件连续输出功率也超过了12W/emitter。而在商用器件方面,IPG公司、Oclaro公司、JDSU公司等多个大功率半导体激光器件供应商制备90~100 μm条宽9XX nm波段单元器件均能连续稳定工作在10W/emitter以上,多个单管合成可获得100 W以上的光纤耦合输出。

   大功率半导体激光短阵列器件发展现状

     尽管半导体激光单元器件功率提高很快,但单个器件输出功率较CM Bar仍有较大差距,为了满足不同功率运用需求,一种新型大功率半导体激光器件—半导体激光短阵列得以出现并迅速发展。短阵列器件是在同一芯片衬底上集成数个单元器件而获得,它实际是CM Bar与单元器件在结构上的折衷优化,驱动电流、寿命以及腔面输出光功率密度、光谱宽度等指标均介于CM Bar和单元器件两者之间,兼顾了CM Bar与单元器件各自优点。同样是考虑到高光束质量及与光纤激光器抽运源的需求,短阵列器件的发展主要集中在100 μm条宽的低填充因子器件方面。2009年,德国Osram与DILAS公司合作利用包含5个100 μm条宽、4 mm腔长980 nm发光单元的短阵列器件(填充因子10%)获得连续输出功率大于80 W,光电转换效率高于60%,其内部发光单元功率16W/emitter,接近了单元器件的光功率密度水平,值得一提的是该器件在寿命测试中展现出了类似单元器件的寿命特性,当短阵列器件内部单个发光单元失效后,整个器件并未烧毁而仅表现为功率下降。鉴于短阵列器件优良的功率及寿命特性,目前正迅速推广应用于高光束质量大功率半导体激光器及光纤耦合输出抽运模块中,目前该类以100 μm发光单元为基础的9 XX nm波段商用器件可长期稳定在8 W/emitter,而808 nm器件也达5 W/emitter水平。

 表1 不同结构CM Bar光参数乘积

 表1 不同结构CM Bar光参数乘积

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