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我国大功率半导体激光器发展之路

  ——自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质, 以电流注入作为激励方式的一种激光器。从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作, 由小功率型向高功率型转变, 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等270余种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。

  半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域, 已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点, 使得它目前在光电子领域中应用非常广泛, 已受到世界各国的高度重视。

  半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点,诞生伊始一直是激光领域的关注焦点,广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制,半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差,阻碍了其应用领域的拓展。近年来,随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展,特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下,具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展,为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。

  国内大功率半导体激光器研发历程概况

  国外早在20世纪90年代初就开始此项研究,已经取得很大进展。国内起步相对较晚,但是发展很快,主要研究单位包括中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、中电集团十三所、中科院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

  中科院半导体所等单位采用的是光纤捆绑耦合技术进行光束整形。先用一根光纤柱透镜进行快轴压缩,然后进入与发光区相对应的严格周期分布的光纤排,最后把输出的多根光纤捆成一束。这种方法可以简便地实现LD线阵输出光场的对称化,且光束经过一段距离的光纤传输后在输出截面上的强度得到均匀化,传输过程中的光能损失也很小,缺点是输出光纤芯径粗,亮度不高。

  2001年,吉林大学和长春光学精密机械学院用这种方法对10单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验,耦合效率为75%。2003年,中科院半导体所利用这种技术实现了60 W 的大功率输出,耦合效率为82% ,输出光纤为1.5 mm,数值孔径为0.11,现已实现小批量生产。

  中科院光电技术研究所采用微柱透镜快轴准直并引起光束微偏转、消色差的双胶合透镜偏转光束、闪耀光栅阵列反偏并校正光束的方法进行光束整形,整形效果较好,得到了快慢轴方向比较均衡的光束质量,并能耦合进芯径200 mm、数值孔径0.22的光纤,但是整个系统由折射和衍射器件共同构成,结构复杂,耦合效率不高。

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