高功率半导体激光器的前沿技术、工业应用及发展前景

高功率半导体激光器的前沿技术、工业应用
及发展前景
摘要
半导体激光器广泛应用在通讯、计算机和消费电子行业。

这些激光器主要应用在需要提供毫瓦级能量的系统中。

然而，同时高功率半导体激光器已经达到千瓦级。

通过特殊的冷却技术和装备，又如组合光束和组成光束技术，高功率半导体激光器得以实现。

这样的系统并不是只作为电子管二极管新的高效率和高可靠性的泵源，同样在材料处理中作为直接的能量来源。

在这项应用中，高功率半导体激光器进入到了工业制造领域。

这篇文章描述了半导体激光器技术和应用。

德国国家研究计划“标准的半导体激光器工具”（MDS）在5年里集中研究了高功率半导体激光器，给出了关于未来的应用和新颖的应用的想法。

除了改进激光束质量，这个项目的目的还有实现灵活的激光束几何形状来配合不同的积木式组合应用。

1、绪论
早在1962年，就证明了在低温学温度下，在GaAs 或者GaAsP 激光二极管领域的激光效应，而且一些年后发展到在室温环境下实现AlGaAs/GaAs双异质结构。

在当时，无论如何可以肯定的是，在他们只能提供短时间的低能量却又价格昂贵时，没有人能预见到这些激光器能够在激光材料处理中发挥如此重要的作用。

然而，通过成功的晶体结构研究，详细的分析失效机理和相当多的制造工
艺的改进，激光二极管成功的进入通讯、消费电子和计算机市场。

并且占据了惊人的份额：在2000年，总共的半导体激光器市场达到了66亿US$；事实上半导体激光器大约占据了整个激光器的2/3市场。

然而，在这么高的数字中，只有1.3%（8500万$）是用在固态激光器的泵埔模块中，0.2%（1130万$）是直接用在材料处理。

同样的，如今在整个激光材料处理市场中（13.33亿$），半导体泵埔固态激光器占4.5%，半导体激光器直接应用的占0.9%。

然而，由于它们的小尺寸和质量轻的特点，使得它们更容易组合；由于它们的高效率和可靠性，使得它们运行成本低；半导体激光器在作为固态激光器的泵埔光源和作为材料处理的一种新的激光源中获得了广泛的关注。

2、半导体激光器的工艺技术
2.1半导体激光器的来源
从一个传统的，具有代表性元素组成半导体激光器的PN结中只能得到几个毫瓦的能量。

事实上，一个激光二极管是由一些列不同的掺杂质GaAlAs层按照复杂的次序组成。

这些掺杂层一般只有几个原子的厚度(如图1所示)。

光是从一个大概一个微米的层上发出的。

半导体激光器的基本组成有：N结由掺杂质的GaAs组成，在一个杂质含量极端低水平的特殊熔炉中长成。

这个结晶再由一个特殊的锯子切割成厚350μm和直径2到3英寸的圆片。

通过CVD处理和外延生长产生层结构。

通过接触层的沉积作用和构建，这个圆片被划破和小心的分成一个个独立的二极管。

然后在边缘处沉积出多层的镜面，这样一个谐振腔就成型了。

由于使用最具代表性的元素，只能萃取几个毫瓦的激光。

为了增加功率，几个这样的激光器被并排排列或者发射区域面积被延长成一个条纹（如图2所示）。

特
殊的光振荡区域的形状导致了特殊的光发射特征：在和PN结相同方向上有比较大的发散角（fast axis）；在另外一个轴向上发散角较小，但是有个宽的放射条纹（如图2所示）。

由于电学和光学的原因，这个条纹的宽度只能在2到300μm之间。

通过综合这几个原理到一个半导体器件中实现进一步的增加能量，这个器件的尺寸大约为10000 μm x 1000 μm x 115 μm（如图3a），其中1000 μm是谐振腔的长度。

在今天的高功率激光器中谐振腔能达到2mm。

这个部分被叫着“激光棒”。

图3b展示的就是这些激光棒的特殊发射特性。

在近场，每个个体发射的激光线可以很容易的辨别。

而且很显然，他们发射出不同的能量水平，这是由于半导体材料和复杂结构的制造误差。

在远场分布中可以清楚的看出，这束光在快轴方向几乎达到衍射极限而形成高斯分布。

然而正相反在慢轴方向，这束光是无规律的发散，更合适的说是光束质量很差。

事实上这个就是高功率激光二极管的一个主要局限性。

2.2 底托和冷却
即使这些激光条的光电转换效率能达到40-50%，当能量或者说电流进一部增加后，还是有相当大的热量需要通过很小的芯片脚散热，因此，激光棒需要安装在一个特殊的水冷散热片上，这个特殊的散热片能够带走多余的热量，从而保护这个激光条和镜面免受热量的破坏。

这个微通道冷却技术最初基于硅元素各向异性蚀刻术；如今这些散热片主要是用铜制造。

他们内部包含横截面是300 μm x 300 μm的微通道组成的网络。

冷却水就通过这些位于激光棒下面的微通道，这样可以最有效的冷却（如图4）。

通过一个冷却器的典型速率为0.5l/min；典型的热阻抗约为0.4K/W。

这样的冷却效率允许我们将激光器的电流提高到50A，或
者增加激光器的功率到40-50W，只要能保证激光器不受损，功率可以更高。

2.3 光束构成
在PN结方向（快轴）可以使用柱面透镜来补偿大的发散角。

这样激光棒在快轴方向可以提供几乎平行的光（如图5）。

通过使用微透镜排列实现在慢轴上的光准直，每一个微透镜对应一个发射条纹（如图6所示）。

从几何光学可以明显看出，发射器区域之间需要有足够的距离（‘pitch’）,这样可以在各个发射条纹重叠之前实现准直。

无论如何，对于更小“pitch”的激光棒有更复杂的解决方案，通过微棱镜或者镜子来偏转相邻发射区域的光条纹到不同的位面，然后再通过另外放置的棱镜组使光再次平行。

这样光交叠可以避免而且在慢轴上的光准直仍然是可行的。

显然的，只要这些光学原件的数量和个体光条纹的数量相符，这些技术可以改善光束的质量，然后每个发射器之间间隙造成的影响也得以消除。

然而，这项技术需要极端精确的光学元件和极端精确的组装，这是因为一个光发射条纹在200 μm内，pitch也大概是这个尺寸。

view)
如上所述，高功率半
导体激光棒发射出非常不
均匀的光束，在两个不同
的方向上光束质量也不一样（BPP，见2.4）。

这个事实可能在某些应用中产生问题，这是非常不想出现的，比如吧这个发射光耦合进圆形光纤中。

既然这样，我们用一些匹配的装置（棱镜或者镜面）把发射光线切割成几部分，然后再把它们重叠排列（如图7）来提高质量。

在重新排列后，这个光束在两个方向上的品质改变了：在慢轴BPP降低为原来的1/X（假设X为装置的数量），而快轴则增加了X倍。

因而，在已知光束在快轴和慢轴的品质时，能够计算出满足最佳symmetrisation（平衡性）的X。

2.4. 光束质量和特征
高能量激光器在材料处理方面的地位不仅仅受到能量或者功率的影响。

而是特别要看这么高的能量能否聚焦到一个非常小的点。

无论如何，这个聚焦直接受到物理的限制，这个物理限制直接依靠光束质量。

用来表示光束质量的数值被命名为BPP，这个数值和光束腰部半径和光束发散角的乘积成正比（如图8），这个数值的单位为mm mrad。

假设在不同的轴上（命名为x和y）有不同的特性，BPP需要分别计算：
可以通过下边的公式计算出BPP的平均值，但是这个数值没有真正的物理意义：
如图9草图所示半导体激光棒的位置：对于单个发射器慢轴上的BPP是由发射器宽度和发散角决定，一般约为5-20 mm mrad，然而在快轴上的BPP约为0.3-0.6 mm mrad （i.e.衍射极限几乎为M²= 1…2)。

对于半导体激光棒，发散角当然没有改变，但是这个发射器的宽度总和增加了这个完整的宽度必须在计算BPP时考虑进去，这就导致BPP数值大约为400 to 700 mm mrad。

光束的质量越好，这个光束能聚焦的越好。

当BPP减小时，光束的质量就增加了。

然而，同样有效功率也是表示高功率激光器可用性的重要参数，因为能量和光斑大小决定了能量密度，这个数值可以被计算。

通过聚焦激光棒可以达到最大的能量密度，它可以测量出来，能量密度B和能量P成正比而和BPP成反比：
因而，要制造一个有用的高功率半导体激光器，高功率和低BPP是必须的：可以在保持BPP的情况下增加功率或者在保持功率的情况下降低BPP。

下边就介
绍几个方法来提高高功率半导体激光器的光耀（brilliance）特征。

2.5 提高功率
为了进一步的增加功率，几个安装好的二极管条（如上边所述）可以堆叠在一起（如图10）。

电流通过二极管和散热片，散热片同时起到电极的作用；同时冷却液在并行的结构中流过。

可是很明显，通过堆积带有二极管条的散热片，光束质量降低了，然而两个轴方向的发散角没有变，而且在慢轴方向上的光腰也没有改变，在快轴方向上的‘光腰’变大了，大约是散热片厚度的N倍（N是堆积的数量）。

如果在激光条的前边加上快轴准直透镜，光束的发散图案就像是条纹的堆积。

在一个堆栈中单位的数量可以达到30个，这就意味着，一个堆栈可以产生1kW甚至更多的功率。

因为使用堆栈的数量是不受限制的，所以理论上能量也是不受限制的。

可是，并排使用越多的堆栈，光束的质量就越低：光耀在最好的情况下是不变的，但是通常情况下是降低的。

即使通过这样的途径增加功率，同时BPP也会迅速的增加。

2.6增加光耀
从2.4节和2.5节可以很明显的看出，对于高功率半导体激光器而言最关键的问题是，如何在增加功率的时候还能保持光束质量，反之亦然，如何提高光束质量，但是又能保持功率。

一个单独的半导体激光器，甚至是一个宽的条纹，可能仅仅有1W内的功率。

因而一个标准的高功率半导体激光器是由很多数量的低功率激光器无条理的组成！这就需要进行计算，如果光束质量，光束传播，聚焦光学等等被考虑。

2.6.1 空间多路技术
在一样的条件下，光束质量一定，通过下边的这个方法排列堆栈可以进一步的提高输出功率。

如图11所示，在一个堆栈的缝隙的有效截面中填充一到两个其它的堆栈：由堆栈1和3发射的光线被棱镜改变方向，堆栈2的光线可以通过棱镜组合的缝隙。

这样最终3个堆栈的光线传播到了同一个区域。

这就意味着，在这个实例中能量增加了3倍，同时BPP保持不变。

因而，从理论上讲光耀被增加了3倍。

在通过折射棱镜时能量可能有些损失，因此实际光耀的增加可能有些少。

显然，可以组合的堆栈数量取决于散热片的厚度和快轴准直后的光束高度（如图10）。

通常在工业设备中散热片的厚度在1到2mm之间，所以2个堆栈被组合。

2.6.2 偏振多路技术
在某种情况下，半导体激光棒发
射出的光是线性偏振的；而且组合的
堆栈也有可能是偏振组合：使用半波
片可以使其中一个堆栈偏振方向旋
转90°，如图12所示，通过使用偏振
滤波器可以把两个堆栈的光集合起
来理论上这项技术可以把光强增加
两倍。

可是实际上可能只有1.7到1.9
倍，主要是由于每个半导体激光棒的偏振不可能是100%，偏振角度一般在95%到98%，所以这个不完整的偏振和在偏振滤波器中的损失降低了总功率。

然而这项技术已经是商用半导体激光器系统中的标准规格。

2.6.3 波长多路技术
通常情况的用于材料处理的高功率激光器并不要求精密的波长直到一个波
长有限范围（e.g. λ
–
max
≤ 200 nm)需要被
λ
min
考虑，因为在通常情况
下，在这个波长范围
了，金属的光学特性不
会发生很大的改变。

从
另一个方面讲，可以通
过操纵量子井的结构
精确的裁剪半导体激
光器的发射光波长。

这就提供了另外一个可行的方法来增加大功率半导体激光器系统的光耀：如草图13所示，通过选择几个不同发射光波长和波长选择滤波器，可以将几个堆栈进一步的组合在同一个光路上。

这种增加光耀的技术的潜能主要依靠：可用激光棒具有几个不同的波长而且选择合适波长滤波器。

今天，主要有3个波长是有效的，使用数量大并且效率高，波长是808 nm, 940 nm 和980 nm；主要是因为在泵浦固态激光器中这些波长的需求量大。

然而直接应用的高功率半导体激光器的需求数量仍然很低。

无论如何，更多的波长在研究中，而且在不久的将来会大量用于商业和有更好的品质。

当然在光学元件中还是会产生损失，比如波长滤波器。

这项技术潜在的能力是提高光斑4到5倍；现今商业上主要使用两种波长的高功率半导体激光器：808 nm 和940 nm.
2.6.4 光束重新整合与填充缝隙
如图7所示，使用曲面棱镜或者镜面将发射光线切成几个部分，而且这些部分被
移到没有被填充的缝隙中（就和2.6.1章节所述的空间多路技术一样），发射区域的慢轴的光腰降低为x-1 （x为光束被分割的数量）。

因此，理论上光耀可以增加√x倍。

很显然，当使用了这项技术后，在2.6.1中叙述的空间多路技术就不能再使用了。

2.6.5 固态激光器的泵浦
众所周知，半导体激光器被广泛的用于固态激光器的泵浦。

这些激光器能提供高功率和高质量的激光束，因而从上下承接的关系，用半导体激光器泵浦固态激光器的光耀的增加可以被认为是增加光耀的一个方法。

由于这个改变只需要一步而且这一步能够使光耀增加一个甚至是2个数量级（如图19），相对前边2.6.1 到2.6.4中阐述的“多路技术”，这个方法可以被认为是很有吸引力的选择。

然而，对于半导体泵浦激光棒的光对光转化效率在30%内，通过使用多级放大技术可以将效率提高到70%到80%，但是同时光束质量不能够保持。

新型固态激光器（如圆盘激光器）能够改进转换效率达到50%，甚至比棒型激光器有更好的光束质量，可以改善泵浦固态激光器中产生间接光耀增加的情况。

现在半导体激光器的成本要比半导体泵浦固态激光器要少，但是如果作出高光耀和高功率半导体激光器的预测，这些还需要谨慎关注。

2.6.6 半导体激光器的光耀增加
正如在本章开始所提及，高功率半导体激光器光束的品质的局限性是由棒条本身造成的，它影响了
光束在慢轴上的品质。

因而，很显然半导体激
光条本身功率的提高和光束质量的改进是另外一种增加高功率半导体激光器光耀的方法。

如何提高功率一直在被研究，50到70W是当今的技术发展水平。

在实验室中，一个单独的激光棒能够达到267W。

在最近的3到5年，宽条纹激光棒的BPP值得到了改进。

几个新的概念正在研究中，用作改善慢轴上的光束质量，比如锥形激光器（如图14），Z-laser和其它。

在MDS工程中的结构设计，单个发射器在慢轴上光束质量已经能和锥形激光器媲美，达到了M²=2（两倍的衍射极限）。

然而，这些新的激光概念还必须具有高功率水平，高效率和长寿命，只有这样它们才能真正的在商业上得到工业应用。

2.6.7 增加光耀——摘要
下表1概述了增加光耀的不同方法，各参数定义如下：
N P 堆栈的数目（堆积一个堆栈使用的激光条数）；
η
= P out / P in 表示功率损耗(P in是从所有堆栈获取的功率，P out 是应用光耀增P
加技术后的功率) ；
F B 通过使用不同方法增加光耀的因子。

光耀增加的方法N PηP F B 增加激光棒的亮度和功率--- --- 3 (10)
堆栈（n 个激光棒）(10… 30) 1 --- 空间多路技术2…30,9…0,951,8…2,8
偏振多路技术 2 0,9…0,951,8…1,9
波长多路技术2…50,85…0,951,7…4,7
图 15: 典型的用于材料处理高功率半
3. 高功率半导体激光系统
3.1 商用二极管系统
利用冷却系统、衬垫系统和光束构成以及在第二章提到的耦
合技术，可以组装出功率达到几
kW 的半导体激光器系统。

如图15
展示的一个实例；图中展示的是
3kW 的半导体激光器系统。

这个
激光头的尺寸只有580 mm (包括光学系统) x 180 mm x 155 mm ，而且重量只有15 kg 。

当然，还需增加电源和冷却器；无论如何，由于具有了高效率，它们还是比传统激光器要小的多。

这个系统能够在工作距离为42mm （f = 66 mm ）的地方产生1,3 mm x 1,3 mm 的聚焦点 (1/e²-标准) ，如果使用更长焦距的镜片可以得到更大的聚焦点。

这个高功率半导体激光器的代表性的光束剖面图为：慢轴方向为一个矩形顶部加上一个帽状轮廓；而快轴方向则是一个高斯分布 。

图17a 展示了一个实际测量的光束剖面图。

因为这些光束质量得以改善并且使用了光束重组技术，这些单元已经能够耦合进光纤。

这些耦合单元可以很轻松的与激光头组合，这样激光能量就可以由一个1.5 mm dia.， 0.35 N.A.的光纤传导到工作台。

如果使用了光纤，可以在焦平面上得到一个高功率、破面是圆形的、顶部是帽形激光束。

在具有代表性的最小使用空间多路技术进行光束重组
1 0,8…0,85 1,3…1,7 泵浦固态激光器
--- 0,3...0,5 20 (50)
表 1: 增加光耀的方法概要
的工作头，在准直镜和物镜的焦距比率为1：1；因而光斑尺寸能达到1.5mm。

无论如何，为了配合不用应用的光斑尺寸，其他的比率也可以使用。

这样可以更好的发散，就如同要小心的把握对高功率半导体激光器的好奇心一样：如上所述，由于许多独立的激光源被不连贯的接合到一起，所以标准的激光方法不能简单的转移到这些激光上！如图18所示。

3.2 与传统激光器比较
从应用观点来看，其中光束质量和能量决定了可用性和应用领域。

因此，依据早期P.Loosen的建议，图19展示了半导体激光器输出光束质量（BPP）与不同类型的的固体激光器和CO2激光器的比较。

典型的半导体激光器光束质量的宽幅基于是直接半导体激光应用还是光纤耦合半导体激光器。

它反映了现在市场上可用的激光器的领域。

这个图标还清楚的示范出当今半导体激光器的光束质量
还是比已成熟的CO2激光器和Nd:YAG 激光器差，当然这主要是因为在一个Bar条甚至一个堆栈中激光器不连贯的结合（如第二章所述）。

无论如何，如果高功率激光条的出现以及光束构成和结合技术的进一步的改进，进一步的降低BPP到红线以下还是有可能的。

4. 二极管激光器的工业应用
由于较差的光
束质量的影响，在传
统高功率激光市场
中（比如切割和高速
深度焊接）高功率半
导体激光器还没有
什么行情。

(即使最近有深度焊接的示例)。

无论如何，如图20所示，现在对光束功率和光束质量的典型要求，相对图19所示的半导体激光器的光束质量，高功率半导体激光器有很大的应用潜力。

然而，在3.2节中提到的新激光器肯定能够改进在深度焊接中的应用。

早在几年前，Nd:YAG 和CO
激光器已经证明能够使用在半导体激光器使
2
用界线上边的应用中，但是由于技术和成本的因素，不能够深入应用到制造业。

激光器相当，甚至更低，而且已经当今高功率半导体激光器的投资费用和CO
2
比Nd:YAG激光器低很多。

运营成本也比传统激光器低很多，主要因为半导体激光器的效率高（典型的效率在30%，甚至更高），而且因为这些二极管几乎终身不用维护。

随着半导体激光棒的寿命的增加，运营成本可望得到相当可观的降低。

因为除了贬值，单从成本考虑，更换二极管是运营成本的最大的部分。

Last but not least,不只是半导体激光头的尺寸小，还基于电光转换效率很高，而且还由于电源和冷却器的尺寸也小，使得半导体激光器在传统激光器的光束质量不是很有必要的应用中是非常有吸引力的工具。

4.1 在厨房水池制造中使用半导体激光器做感应焊
高功率半导体激光器最初的应用是生产有理想焊
缝的厨房用水池，图22是一个焊缝的完整的横截面。

使用半导体激光器代替TIG焊接可以相当大的节约扫尾工作：只有抛光是必要的，但是几乎不需要碾磨或者维修。

这个事实对降低成本有利，即使投资2.5kW 的半导体激光器要比TIG焊接机器高。

这项应用还用到了半导体激光器另外一个特长：如图22所示，激光器可以直接安装在机械手上，机械手引导激光以1m/min的速度通过焊缝上方，这就使得不需要使用复杂的光束导向设备。

这项应用已经进入制造业三年了，并获得了成功。

4.2 硬焊
硬焊在汽车车身制造技术和电子元器件的密闭封装上有越来越多的应用。

在ROFIN-SINAR的应用实验室中，成功的进行了使用1mm直径的CuSi硬焊料焊接镀Zn的钢板（0.9mm）的实验。

如图23，实验获得了非常平滑的焊缝。

如果使用2.5kW功率，硬焊的速度为2-4m/min，但是这个速度与个别缝隙对硬钎料填充的要求有很大关系。

使用高功率半导体激光器至少可以获得与使用NdYAG 激光器同样的结果，但是成本却更低。

4.3 淬水
在3.1节提到，高功率半导体激光器的光束在一个方向上剖面是矩形上面加
个大礼帽的轮廓，另一个方向和高斯相似。

这使得半导体激光器特别适合表面硬
激光器相比，这些激光器的波长更短（一般为808nm、化应用。

加之，与CO
2
940nm），这样更容易被吸收，而且增加吸收的覆料就没有必要使用了。

由于半导体激光器具有更高的效率以及上文提到的特点，使得高功率半导体激光器对于淬水是非常有效的、可靠的和有成本效率的工具。

高功率半导体激光器在制造应用上一个显著的实例是对扭转弹簧的淬水。

这种弹簧用在汽车门的铰链部分。

高功率半导体激光器不仅仅提供了理想的光束尺寸和强度分布，同样也是淬水中最有成本效率的方法。

如图24a所示，扭转弹簧需要在大于170°时，在一个10mm的长度上实现深度为0.2到0.4mm的硬化。

使用两个激光器（夹角为120°）的装置扫描这10mm的长度，可以实现均匀的硬化（图24c）。

通过使用两个温度计记录温度的过程控制可以保证对于每个零件的处理质量。

4.4 覆层
高功率半导体激光器在表明处理上有重要的应用，如沉积耐磨层或者耐磨层修复。

广泛使用和成功的方法是在硬质材料上的沉积，例如，通过在激光加热区。