长光所打破垄断:半导体激光器历程回顾及发展现状
在国内,最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步,如北京凯普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面,西安炬光科技公司在半导体激光芯片的封装方面均接近或达到了国际先进水平,北京工业大学在半导体激光器系统方面达到了国际先进水平。但是在半导体激光器的核心部件—半导体激光芯片的研制和生产方面,一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制,国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口,直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下,严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用,同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。可喜的是,随着当前我国化合物半导体器件,如LED、多节GaAs太阳能电池、红外热成像器等技术的不断应用和发展,化合物半导体器件的外延技术和封装技术将不断成熟,这些技术应用于同是化合物半导体器件的半导体激光器,大大促进半导体激光器件的国产化,从而推动半导体激光器这一高效、节能型激光器更广泛地运用于我国的工业、国防、科研等领域中。
二、国外半导体激光器领域一些进展
1、新型半导体激光器光束质量媲美光纤、CO2及固体激光器
美国TeraDiode公司开发出了一款超高亮度的千瓦量级直接半导体激光器。该激光器在COTS半导体激光器基础上采用新的合束与整形技术,使得输出光束的光束参量积达到了3.75mm-mrad,这一数值是迄今为止见诸报道的千瓦量级直接半导体激光器中最低的。采用单根芯径为50μm,数值孔径为0.15的光纤耦合输出时,在单一中心波长下该激光器的输出功率达到了2030W。这种尾纤输出的两千瓦直接半导体激光器具有与工业用光纤和CO2激光器相比拟的亮度,比现今最好的直接半导体激光器的输出光束亮度高十倍以上,适用于工业中的材料处理,包括金属薄片的切割和焊接。
考虑到TeraDiode公司现有的直接半导体激光技术,更高功率和亮度的直接半导体激光器将被制造出来。我们期望制造出功率达到4~6千瓦,BPP范围在4mm-mrad内的直接半导体激光器。这种激光器在高速金属切割领域有更广阔的应用。 使用WBC技术,当功率和温度变化时可以保持中心波长高度稳定。这种特性对固体激光器和光纤激光器的泵浦很重要。此外,对功率为1kW的尾纤耦合输出的泵浦激光器,其线宽可以控制在2~4nm。
最后,TeraDiode公司利用高亮度光束的合束与整形方法,可实现任何波长的二极管和半导体激光器的结合。半导体激光器中心波长选择能力与TeraDiode公司提供的超高亮度方法结合,所产生的新特性有更多新的应用。比如在遥感领域,使用波长超过1μm的人眼安全半导体激光器,而在高效材料加工领域,往往使用波长小于1μm的激光器,这是因为许多材料对较短波长的光吸收更强烈。这种波长选择特性不适用于其他类型的高亮度工业激光器。
2、日本开发出可直接加工的高功率蓝色半导体激光器
据岛津制作所在发布资料中介绍,2010年全球加工用激光器市场的规模为2500亿日元,预计2020年将扩大至5700亿日元。除了原来的碳酸气激光器之外,半导体激光激励的固体激光器及光纤激光器也在逐渐成为加工用激光器主流。把这些激光器的激励源——半导体激光器用于直接激光加工用途的“直接二极管激光器(DDL)”不仅体积小、电光转换效率高,而且还可通过大量生产来降低成本,因此作为新一代激光加工光源备受关注。
如果作为高功率半导体激光器的DDL能够对金属等吸收率高的可视光区域实现短波长化,并达到可获得高聚光密度的高亮度,那么,就不仅能适应加工材料的多样化发展趋势,还可用于微细加工领域,满足随着智能手机等电子产品的小型化而增长的此类加工需求。因此,岛津制作所预计DDL取代碳酸气激光器和固体激光器的速度将加快,到2020年,DDL的市场规模将扩大至500亿日元。
此次开发的蓝色DDL采用在kW级输出功率下也可高效灵活传输的光纤耦合型,耗电量只有绿光固体激光器的一半左右。因此可扩展配备DDL的激光加工设备及处理设备的可能性。 在这一背景下,岛津制作所以蓝光光盘播放机和投影仪等使用的GaN类半导体激光器为基础,运用以前积累的光学设备精密组装技术、高耐性涂装技术以及新开发的光复用技术,把金属吸收率高的短波长(450nm)光纤耦合型蓝色半导体激光器的亮度成功提高到了原来的16倍。此次,该公司在全球首次开发出了光斑尺寸微小、可用于微细加工用途的蓝色DDL。
3、夏普推出效率最高的红色半导体激光器
夏普公司在近年来一直十分投入开发微型投影机的激光二极管。近日,该公司发布了世界光转换效率最高的红色半导体激光器,型号为“GH0641FA2C”,其光转换效率达到33%。该产品振荡波长为640nm,通过优化材料组合和构造,提高了转换效率,在单模振荡红色半导体激光器中实现了业界最高的转换效率。该激光器计划主要用于车载用平视显示器及微型投影机等。
据悉,此款产品的最大光输出功率为150mW,阈值电流为55mA(标准)。光输出功率为150mW时,工作电流为182mA(标准),工作电压为2.5V(标准)。峰值振荡波长为642nm。光束发散角度为水平方向9度、垂直方向17度。样品价格(含税)为5000日元,从2013年1月31日开始样品供货,2013年3月29日开始量产,计划每月量产1万台。
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