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陕西经济人物候选人刘兴胜的“激光创业梦”

    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。

  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。

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