1.引言
T VSCjI BxQ,T@ 半導(dǎo)體激光器由于具有體積小、重量輕、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，誕生伊始一直是激光領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通信等眾多領(lǐng)域。但是由于自身量子阱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制，半導(dǎo)體
激光器的輸出
光束質(zhì)量與固體激光器、CO2激光器等傳統(tǒng)激光器相比較差，阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體激光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、高穩(wěn)定性封裝技術(shù)、高效散熱技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在直接半導(dǎo)體激光工業(yè)加工應(yīng)用以及大
功率光纖激光器抽運(yùn)需求的推動(dòng)下，具有大功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光器飛速發(fā)展，為獲得高質(zhì)量、高性能的直接半導(dǎo)體激光加工設(shè)備以及高性能大功率光纖激光抽運(yùn)源提供了
光源基礎(chǔ)。
Y"s8j=1m ^si[L52BZ 2.大功率半導(dǎo)體激光器件最新進(jìn)展
1:@ScHS utC^wA5U~ 作為半導(dǎo)體激光系統(tǒng)集成的基本單元，不同結(jié)構(gòu)與種類(lèi)的半導(dǎo)體激光器件的性能提升直接推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的發(fā)展，其中最為主要的是半導(dǎo)體激光器件輸出光束發(fā)散角的降低以及輸出功率的不斷增加。
s6_i> 9!X p+< 2.1.大功率半導(dǎo)體激光器件遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角控制
(mI590`f zh\"sxL 根據(jù)光束質(zhì)量的定義，以激光光束的光
參數(shù)乘積（BPP）作為光束質(zhì)量的衡量指標(biāo)，激光光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角與BPP成正比，因此半導(dǎo)體激光器高功率輸出條件下遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角控制直接決定器件的光束質(zhì)量。從整體上看，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其遠(yuǎn)場(chǎng)光束嚴(yán)重不對(duì)稱�？燧S方向可認(rèn)為是基模輸出，光束質(zhì)量好，但發(fā)散角大，快軸發(fā)散角的壓縮可有效降低快軸準(zhǔn)直鏡的孔徑要求。慢軸方向?yàn)槎嗄］敵�，光束質(zhì)量差，該方向發(fā)散角的減小直接提高器件光束質(zhì)量，是高光束半導(dǎo)體激光器研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。
^\J-LU|"B vv^y
V"0Y 在快軸發(fā)散角控制方面，如何兼顧快軸發(fā)散角和電光效率的問(wèn)題一直是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，盡管多家研究機(jī)構(gòu)相續(xù)獲得快軸發(fā)散角僅為3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光電效率及制備成本考慮，短期內(nèi)難以推廣實(shí)用。2010年初，德國(guó)費(fèi)迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Institute)的P. Crump等通過(guò)采用大光腔、低限制因子的方法獲得了30o快軸發(fā)散角（95%能量范圍），光電轉(zhuǎn)換效率為55%，基本達(dá)到實(shí)用化器件標(biāo)準(zhǔn)。而目前商用高功率半導(dǎo)體激光器件的快軸發(fā)散角也由原來(lái)的80o左右（95%能量范圍）降低到50o以下，大幅度降低了對(duì)快軸準(zhǔn)直鏡的數(shù)值孔徑要求。
`GCK %evLG G^ dzE/ : 在慢軸發(fā)散角控制方面，最近研究表明，除器件自身結(jié)構(gòu)外，驅(qū)動(dòng)電流密度與熱效應(yīng)共同影響半導(dǎo)體激光器慢軸發(fā)散角的大小，即長(zhǎng)腔長(zhǎng)單元器件的慢軸發(fā)散角最易控制，而在陣列器件中，隨著填充因子的增大，發(fā)光單元之間熱串?dāng)_的加劇會(huì)導(dǎo)致慢軸發(fā)散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制備獲得的5 mm腔長(zhǎng)，9XX nm波段10 W商用器件，成功將慢軸發(fā)散角（95%能量范圍）由原來(lái)的10o～12o降低到7o左右；同年，德國(guó)Osram公司、美國(guó)相干公司制備陣列器件慢軸發(fā)散角（95%能量范圍）也達(dá)7o水平。
),j6tq[ X*5 N&AJ 2.2.半導(dǎo)體激光標(biāo)準(zhǔn)厘米陣列發(fā)展現(xiàn)狀
f4+wP/n& W_ 3B L]^= 標(biāo)準(zhǔn)厘米陣列是為了獲得高功率輸出而在慢軸方向尺度為1 cm的襯底上橫向并聯(lián)集成多個(gè)半導(dǎo)體激光單元器件而獲得的半導(dǎo)體激光器件，長(zhǎng)期以來(lái)一直是大功率半導(dǎo)體激光器中最常用的高功率器件形式。伴隨著高質(zhì)量、低缺陷半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)及腔面鈍化技術(shù)的提高，現(xiàn)有CM Bar的腔長(zhǎng)由原來(lái)的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國(guó)光譜物理公司Hanxuan Li等制備的5 mm腔長(zhǎng)，填充因子為83%的半導(dǎo)體激光陣列，利用雙面微通道熱沉冷卻，在中心
波長(zhǎng)分別為808 nm，940 nm，980 nm處獲得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室最高CM Bar連續(xù)功率輸出水平。此外，德國(guó)的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半導(dǎo)體激光供應(yīng)商也相續(xù)制備獲得千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光陣列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明確指出，在現(xiàn)有技術(shù)條件下制備獲得1.5kW/bar陣列器件已不成問(wèn)題。與此同時(shí)，具有高光束質(zhì)量的低填充因子CM Bar的功率也不斷提高，表1為德國(guó)Limo公司獲得具有不同填充因子CM Bar的BPP比較, 由表1結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫向尺寸一定的半導(dǎo)體激光陣列器件，在發(fā)散角相同的情況下，填充因子與BPP成正比，即填充因子越低，其光參數(shù)乘積越小，光束質(zhì)量越好。目前，9XX nm波段20%填充因子CM Bar連續(xù)輸出功率最高可達(dá)180 W/bar，快慢軸光束質(zhì)量對(duì)稱化后光參數(shù)乘積可達(dá)5.9 mm?mrad，商用器件可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作在80W以上；2.5%填充因子CM Bar連續(xù)輸出功率可達(dá)50 W/bar，快慢軸光束質(zhì)量對(duì)稱化后光參數(shù)乘積可達(dá)2.1mm?mrad，目前這種器件還處于研發(fā)中，需要進(jìn)一步提高其穩(wěn)定的輸出功率。然而，伴隨著CM Bar功率的不斷提高和高光束質(zhì)量要求下填充因子逐漸減小，一系列新的問(wèn)題也隨之產(chǎn)生，特別是與之配套的低壓大電流恒流電源的高成本問(wèn)題以及微通道熱沉散熱壽命短的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。
?gvu
E1 _RZ"WA^[ 分析眾多超高功率CM Bar文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)功率測(cè)試均受制于電源最大電流的限制，而非CM Bar自身出射功率極限，而在工程運(yùn)用中，數(shù)伏電壓數(shù)百安電流的組合也會(huì)產(chǎn)生眾多實(shí)際問(wèn)題。另一方面，超高功率CM Bar和具有高光束質(zhì)量的低填充因子CM Bar所產(chǎn)生的高熱流密度必須采用微通道熱沉散熱，而現(xiàn)有水冷微通道熱沉的散熱極限無(wú)疑也成為了CM Bar功率及光束質(zhì)量進(jìn)一步提高的最大障礙。近期針對(duì)CM Bar散熱問(wèn)題開(kāi)發(fā)的雙面微通道冷卻技術(shù)對(duì)熱阻的降低作用有限，就目前看來(lái)缺乏與CM Bar功率提升相適應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展性。此外，不可忽視的是，微通道熱沉相對(duì)較短的壽命一直是目前大功率半導(dǎo)體激光器的壽命瓶頸。而其他新型高效散熱技術(shù)如相變冷卻、噴霧冷卻以及微熱管技術(shù)由于其性能特點(diǎn)、成本以及結(jié)構(gòu)兼容性問(wèn)題在短期內(nèi)難以真正實(shí)用于CM Bar散熱領(lǐng)域。鑒于以上兩方面的限制，近一兩年來(lái)，各大研究機(jī)構(gòu)及高功率半導(dǎo)體供應(yīng)商并不再一味追求提高CM Bar的輸出功率，而是逐漸將發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到具有大功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光單元器件和短陣列器件研制領(lǐng)域。
|m@>AbR5dk %Lh+W<; 2.3.大功率半導(dǎo)體激光單元器件發(fā)展現(xiàn)狀
l]&x~ K} .4$F~!aj9 與CM Bar相比，半導(dǎo)體激光單元器件具有獨(dú)立的電、熱工作環(huán)境，避免了發(fā)光單元之間的熱串?dāng)_，使其在壽命、光束質(zhì)量方面與CM Bar相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外單元器件驅(qū)動(dòng)電流低、多個(gè)串聯(lián)工作大幅度降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求。同時(shí)單元器件的發(fā)熱量相對(duì)較低，可直接采用傳導(dǎo)熱沉散熱，避免了微通道熱沉引入的壽命短的問(wèn)題。而且獨(dú)立的熱工作環(huán)境使其可高功率密度工作，目前單元器件的有源區(qū)光功率線密度可達(dá)200 mW/μm以上，同時(shí)具有較窄的光譜寬度，而CM Bar有源區(qū)光功率線密度僅為50~85 mW/μm左右。特別是獨(dú)立的熱、電工作環(huán)境大幅度降低了器件的失效幾率，在高穩(wěn)定性金錫焊料封裝技術(shù)的支撐下，商用高功率單元器件壽命均達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上，遠(yuǎn)高于CM Bar的壽命，有效降低了器件的使用成本�；谏鲜鰞�(yōu)點(diǎn)，單元器件大有逐漸替代CM Bar成為高功率、高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光主流器件的趨勢(shì)。
)
