千瓦-万瓦级半导体激光器的发展现状与挑战

千瓦-万瓦级半导体激光器的发展现状与挑战
1.优势及意义
半导体激光器的应用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。

在激光器里，由于半导体激光器拥有成本低，使用寿命长，电光转换效率高，体积小重量轻等的优势，小功率半导体激光器已经普遍运用于光通信和光存储等领域。

随着激光器广泛地运用于工业制造业军事航空显示娱乐及医疗等各个领域，随着输出功率，转化效率可靠性以及制造工艺的提高及成本降低，近年来对高功率高性能的半导体激光器需求也迅猛增长。

但大功率半导体激光器受光束质量限制，作为直接光源尚不能满足上述的应用需求。

因此，研制具有高功率输出高光束质量的半导体激光光源具有重要意义。

也是近年来半导体激光技术研究的重要方向之一。

2.1发展现状
高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展, 其标志是半导体激光器的输出功率显著增加, 国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,其实现方式多样化，德国laserline 公司基于叠阵合束已开发出多种型号的半导体激光加工光源, 实现了5kW的半导体激光输出, 光束质量达到40mm·mrad。

德国Limo公司采用线阵实现了1200W功率光参量积22 mm·mrda的激光输出。

TRUMPF 公司利用单管合束实现了3 kW的半导体激光输出, 光束质量达到30 mm·mrad。

其他如美国Trea Dioe公司，德国Dilas公司等研究机构也取得了较好的成果。

国内关于该技术的研究起步相对较晚,但是发展迅猛，目前为止已经有足够的进展，主要通过迭阵合束实现。

飞虹激光科技有限公司通过与北京工业大学合作研制成功世界第一台具有主动防止高功率激光反射的工业用高光束质量大功率直接半导体激光器。

目前所研制出的激光器的功率达到4000w，并且最近将突破6000w。

北京工业大学采用 8 个迭阵合束, 实现1050W功率、光参量12 mm·mrad 的激光输出。

西安矩光开发的激光系统在 150mm工作距处实现尺寸 3 mm×7mm 、功率3000W的激光输出。

电子十三所研制的激光迭阵实现了1600W 功率输出，快轴发散角准直到6mrda。

2.2实现技术
理论上，半导体激光器要获得功率扩展，发展千瓦万瓦级半导体激光器路线有三种，其优缺点如下表所示。

单发射腔垂直腔面发射阵列单巴条
特征多单管耦合，方式有光纤耦合及空间耦合单管垂直腔面发射，集成面
阵，小单位面阵集成为大面阵
以边发射单巴条
为基础，叠阵，面
阵形式
优点理论工艺相对简单可靠性高光束对称性好，可高度聚焦，
进入光纤耦合效率高。

有利于
大规模二维列阵散热能力相对较好，寿命长、可靠性高，技术成熟
缺点光束质量差，集成体积较大，也难以对该光束进行进一步
的整形来提高光亮度单管功率低，散热路径与发光
路径同一方向，热应力问题。

体积庞大，仍有很
大的提升空间。

获得千瓦-万瓦级的半导体激光器比较切实可行的技术路线是以百瓦级边发射腔单巴条高功率半导体激光器为基础，目前单巴条、多巴条的整形和耦合技术多样，技术成熟。

基于多叠阵的多波长或者偏振合束的方法达到进一步扩展耦合输出功率的目的。

可以使用多波长与偏振合束相结合的方法，也可以先采用多个叠阵进行多波长或偏振合束，再对合束后光束进行整形和耦合，仍然可以实现千瓦、万瓦级光纤耦合输出。

具体做法是首先对封装后的单巴条进行快轴准直，然后将此多个巴条串联或者并联组成带快轴准直的千瓦级单叠阵或水平阵列，再以此千瓦级为单元组成万瓦级一维叠阵，进而组成更高功率的万瓦级的二维叠阵即半导体激光面阵，经过光学整形后最后成为带光学整形模块的面阵系统。

如下图所示：
3.当前核心问题及挑战
当前而言，发展千瓦-万瓦级开放式半导体激光器的核心问题是散热管理、热应力管理、光谱控制及光斑控制。

分别讨论如下：
1)热管理热应力管理：
随着注入电流的加大，产生的焦耳热引起结温上升，导致器件退化。

目前功率最大的半导体激光器总工作率不超过5万瓦。

设计这些器件的主要目标是在不牺牲半导体所固有的长寿命优势前提下使器件输出功率及亮度达到最大。

各类半导体激光器的寿命，输出波长，电流阙值及最大输出功率都极大地受工作温度的影响。

因此解决散热问题成为了研制千瓦万瓦级半导体的重中之重。

一般的散热方法是将半导体激光器芯片键合到热沉结构上, 用热电方法快速致冷散热。

高功率半导体激光器通常将管芯的P面键合到热沉上, 这是因为该面与有源区距离近( 几个微米),有利于导热。

近年来发展起来的微通道冷却技术, 有效地解决了高功率半导体激光器的散热问题, 根据Bowers和Mudawar定义,水力直径达0.01~1mm之间的通道称之为微通道。

通道内流过加压的水或其它冷却液,通过与微通道内壁面对流换热，能够快速地传递热量。

微通道热沉大大增加了换热面积，换热系数也高于常规通道对流换热系数。

因此，微通道技术具有更高的散热能力。

另一种比较有发展前途的散热技术是喷雾冷却，它具有传热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点。

喷雾冷却是借助高压气体或依赖工质本身压力使液体工质通过雾化喷嘴形成雾状气液两相流体, 强制喷射到发热表面, 从而实现有效换热的强化冷却技术。

冷液滴撞击到高温热表面后会形成一层液膜覆盖在表面上, 液膜层的存在会使发热表面的热量不能及时散发出去。

如果液膜层很薄, 热量就能通过液膜层传到表面, 使液滴蒸发将热量带走。

其传热表现为液膜层内热传导和气液界面处发生相变的复合换热。

下右图为喷雾冷却系统图。

2)光谱控制：
对于大功率半导体激光器阵列, 光谱宽度非常重要。

实际应用中通常需要窄光谱的半导体激光器产品,而半导体激光器阵列的一个缺点就是其光谱较宽, 波长随工作电流和热沉温度的变化而变化,如商业化半导体激光器阵列光谱的半峰全宽( FWHM) 通常为3 nm, 波长随温度变化率约为0.28nm/ K, 所以用大功率半导体激光器抽运固体激光器, 很容易造成半导体激光器的中心波长与固体激光器的吸收峰不匹配 , 从而降低固体激光器的效率, 而且激光器有源区介质吸收带之外的抽运源能量都被浪费而转化为热, 极大地影响固体激光器系统的尺寸、功率、光束质量和热管理。

导致半导体激光器叠阵光谱展宽主要有2个原因： 1) 本身组成激光器叠阵的各个巴条的中心波长、半峰宽不是完全一致； 2) 温度的不均匀性：在传导冷却和微通道液体制冷的结构中，尽管半导体激光器垂直叠阵的每一个巴条是同时冷却的，但是由于热串扰和水流不均匀，各巴条间仍然会存在温度的不均匀性。

以上这两点都会使叠阵的光谱发生展宽。

为了解决将巴条组成叠阵后光谱展宽的问题，一般从2个方面入手： 1) 巴条层级的光谱控制：通过合理的热管理和热应力管理，确保在封装成叠阵之前的巴条具有窄的光谱、一致的中心波长和半峰宽；2) 叠阵层级光谱控制：通过分析叠阵中各个巴条的热分布，并结合分析结果对光谱和波长的影响筛选出合适的巴条进行有序集成。

首先，对叠阵的温度分布进行模拟，各个巴条的温度随巴条位置呈线形增加的趋势，温度升高会导致巴条的发光波长发生红移，将各个巴条的光谱叠加之后会导致很宽的叠阵光谱。

如果在温度高的位置采用中心波长较小的巴条，在温度较低的位置采用中心波长较大的巴条，这样各个巴条的峰值波长比较接近，叠加后的光谱宽度会大大降低。

3)光斑控制：
半导体激光器在快慢轴方向光束质量相差很大快轴方向的光束质量较好, 接近衍射极限, 但是发散角很大,不利于半导体激光器巴条在垂直方向的堆叠, 需要使用快轴准直镜对快轴发散角进行压缩,降低快轴方向发散角; 慢轴方向光束质量差,需要慢轴准直镜对慢轴方向的光束进行准直,利用巴条的不发光区域, 尽可能地减小慢轴方向发散角。

如下表我们可以看到通过光学准直后光束质量有了很大的提升。

同时如果我们不对高功率半导体激光器输出光进行整形及控制，那么端面激射区高功率密度导致端面处晶体材料突发性光学损坏（COD），因此，为获得较好的输出光源，提高半导体激光光束质量，使之与闪光灯抽运的固体激光相媲美。

必须对半导体激光器进行光学整
形。

叠阵/面阵的光斑质量主要是由各巴条层级光斑的质量和从巴条到叠阵/面阵的封装工艺决定的。

目前对于光斑控制的主要方式为：光束整形的方法较多,主要分为两类, 一是非相干耦合,二是相干耦合。

非相干耦合主要是采用几何耦合的方法,不改变激光器本身的输出特性,对激光器的输出光束进行整形,有折射整形法、反射整形法以及折反射整形法等。

相干耦合主要是衍射整形法,如光谱合束,需要改变激光器本身的输出特性。

实现面阵半导体激光器的光学整形和耦合是获得千瓦-万瓦级光纤耦合输出功率和亮度的另一途径。

然而由于这种方法对光学系统设计、光学元件及测试方法都提出了更高的要求，而进一步获得千瓦-万瓦级高亮度输出光束面临的挑战有：
（1) 对多叠阵面阵光学整形耦合技术的挑战：由于多叠阵或大面阵半导体激光器光束尺寸远大于单巴条半导体激光器，光束质量更差，因此多叠阵及面阵的光学整形方法及光纤耦合技术是需要突破的首要技术难题。

此外，大功率耦合系统需要的可以承受反馈光损伤的特殊连接器的设计；
(2) 对光学元件加工的挑战：由于目前光学加工能力有限，无法加工出整形效果好、衍射效率高的光学元件，限制了大功率耦合技术的发展。

因此如何提高各类光学器件加工能力及加工精度，如高质量的光纤端面抛光技术、高衍射效率元件制备技术等是挑战之一；
(3) 对光学耦合器件的挑战：随着大功率半导体激光器的应用发展，要求耦合模块用于极端环境，如高振动、高冲击等环境。

目前采用的光学元件结合技术远远不能符合要求，因此采用先进的结合技术提高各器件的结合及优化光学耦合器件的制备工艺流程是得到高性能、高亮度耦合模块的关键。

4) 封装技术
千瓦-万瓦级半导体激光器叠阵和面阵系统一般相对价格比较昂贵，并且多用在重大工程项目和重要工业装备上，所以对其使用寿命和储存时间具有更高的要求。

为了减小热应力, 大部分商业化销售的传导冷却型激光器阵列在芯片焊接时选择铟焊料。

然而, 在半导体激光器封装过程中不可避免地会在贴片层形成一些小空洞, 这些小空洞会在铟的电迁移和电热迁移的作用下逐渐扩大。

而且铟在高温和低温潮湿的环境很容易氧化。

空洞的导热性很差, 在半导体激光器工作过程中会阻碍热量释放, 就可能引起半导体
激光器光谱展宽甚至迁移, 从而有可能由于温度过高而造成器件失效。

为彻底克服铟焊料氧化存在的隐患，发展全无铟化封装技术已经成为发展千瓦-万瓦级半导体激光器叠阵和面阵系统的关键技术，各国都在竞相发展该技术，目前已经有商业化的几十瓦无铟化的传导冷却高功率半导体激光器产品出现。

对于需要储存时间长的器件来说，必须采用全无铟化的封装技术，所制备的叠阵和面阵产品储存时间可以从使用铟焊料的仅有的3~5年提高至25年。

目前高平均功率的千瓦-万瓦级半导体激光器产品采用的宏通道液体冷却器使无铟化产品成为可能。

4总结
综上所述，近年来,大功率半导体激光器的研发取得了巨大的进步，但在散热光谱控制光斑控制，以及光学元件的工艺上我们仍旧面临着进一步发展高功率半导体激光器的要求。

但是在可预见的未来内，随着上述问题的逐步解决，千瓦万瓦级的半导体激光器商品化后必将普遍运用于各大领域。

让我们一起期待！。