高功率激光器的工艺市场前景及应用

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，然后再通过另外放臵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。

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臵（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为装臵的数量），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 。

view )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臵：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。