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大功率半导体激光器研发历程及现状分析

  微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出

     微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆(CM Bar Stack)输出光束经快、慢轴准直后,空间集成,快慢轴光束均匀化,然后聚焦耦合进入光纤(如图4)。目前,该结构可达NA=0.22,200μm芯径光纤单模块输出400W,该结构模块亮度较高,光学元件少,结构简单,但成本较高,而且必须采用去离子水作为冷却介质,使用维护要求高,同时由于在去离子水的侵蚀作用下微通道热沉寿命较短,如果不进行精细的冷却水管理,会导致该结构模块寿命仅为2万小时左右。

多个微通道冷却半导体激光堆集成光纤耦合输出模块结构

图4  多个微通道冷却半导体激光堆集成光纤耦合输出模块结构

        传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出

     多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤。目前,德国DILAS公司利用该思路获得了NA=0.22,200 μm芯径光纤单模块输出200 W;400μm芯径光纤单模块输出500 W,耦合效率约为80%。该类结构模块(如图5)尽管较其他几种结构相比亮度稍低,但具有光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等优点。

多个传导热沉封装半导体激光阵列集成模块结构 

图5  多个传导热沉封装半导体激光阵列集成模块结构

     在面向直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面,当材料加工对于半导体激光输出波长不敏感的情况下,除通过以上技术手段获得高功率高光束质量半导体激光输出外,还可通过波长合束技术与偏振合束技术,在输出光束质量不变的情况下,根据合束波长的个数而倍增输出功率。在该领域,德国的Laserline公司技术较为领先,采用微通道封装CM Bar Stack集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激光加工系统: 2000 W (BPP:20 mm?mrad),4000 W (BPP:30 mm?mrad),10000 W (BPP:100 mm?mrad)。国内北京工业大学激光工程研究院在半导体激光快慢轴光束质量均匀化方面获得突破,采用微通道冷却封装的CM Bar Stack集成结构于2008年获得了面向工业材料加工用的千瓦级半导体激光系统,BPP小于12 mm?mrad,超过了千瓦商用全固态激光器的光束质量。

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