大功率半导体激光器的阵列化技术

激光与光电子学进展 2001 年第 8 期 (总第 428 期)
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大功率半导体激光器的阵列化技术
1 引言
激光二极管随着大功率化发展, 除通信 及信息记录外, 还在打印和显示、材料加工、 医疗等许多领域使用。 最近大功率激光二极 管的件数和论文数急剧增加, 在市场上销售 大功率激光二极管的生产厂家数量增加、从 产品的水平也可看到飞跃发展的大功率化、 大规模化。
发了发光面积 10 mm ×418 mm 的大规模的 803 nm 激光二极管阵列。效率为 012% 时最 大功率为 100 kW 以上, 最大功率密度达到 2175 kW cm 2。
表 1 样品目录中选出的 807 nm 附近连续波激光二极管条和激光二极管阵列特性
每条输出功率 转换效率
阈值电流
工作电流
激光二极管条的冷却技术有热容量大的 散热器放散热量的被动冷却和流动冷却水带 走容器里热能的主动冷却。 在平均功率密度
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高的二元激光二极管阵列中主动冷却必不可 少, 各种水冷容器已有报导, 构造上大致可分 像图 3 那样用热传递法水冷二元激光二极管 阵列背面来冷却激光二极管条和冷却水在激
堆积条数 堆积层高度 输出功率
(W )
(% )
(A )
(A )50ຫໍສະໝຸດ 1959(mm )
密度 (W cm 2)
25
1175
286
40
42
17
54
25
≥35
< 12
40
25
1175
229
30
117
147
20
40
7
25
12
116
118
20
43
27
12
40
45
10
46
30
42
9
38
30
> 35
表 2 样品目录中选出的 807 nm 附近准连续波激光二极管条和激光二极管阵列特性
散, 因而提高了冷却特性。报导说每台冷却器 在 012 l m in 的流量时热阻抗为 014～ 016 K W 。图 7 是喷流冷却方式水冷容器的概念 图。冷却水从下部横向流入, 通过设在激光二 极管条正下方的孔喷水来冷却。 为提高热交 换, 在水喷到处设计成凹凸形, 其热阻抗是 0143 K W , 其它详情不明。还有报导说使用 有孔的金属得到 0119 k W 的阻抗。 312 二维激光二极管阵列
表 1 是从各公司样本及产品说明书中选 出、在 807 nm 附近的连续波二维激光二极 管阵列和激光二极管条的数据。 记载堆积层 数的是二维激光二极管阵列的数据。 光功率 密度通过每根激光二极管条的光功率除以堆 积密度来大致求得。 表 1 的数据还包括小部 分旧数据和初步结果。
表 2 汇总 807 nm 附近准连续波二维激
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光二极管阵列和激光二极管条的数据。 数据 的出处和表 1 的相同。 为了提高最大功率密 度, 堆积间距需变小。近来已开发激励N d 玻 璃板上堆积 25 层×40 排、共用 1000 根的激 光二极管条的大规模激光二极管阵列, 还开
特殊场合多个激光二极管条不是介于受 热器间而是直接重叠构造的激光二极管阵列 也有报道。从 916 mm ×019 mm 的发光面积 输出最大光功率 1 kW 、808 mm 的准连续激 光, 最大功率密度达 10 kW cm 2。 因为激光 二极管条放热困难, 标准驱动条件限于效率 013%～ 014% , 最大脉冲宽度 400～ 500 Λs。 最近还有报导说, 差向异构体晶片层构造中 激光二极管层由多段组成, 3 段构成的激光 二极管条效率 20% , 得到准连续波功率 200 W , 寿命也在 103 小时左右。 311 激光二极管条的冷却技术
用 10 根到数十根激光条堆积起来的激 光二极管阵列已有销售, 经过复数配列, 这种 激光二极管阵列可以实现更大规模的二维激 光二极管阵列。 图 8 是市售的一种激光二极 管阵列。 这种阵列堆积 12 根激光条, 可得到 480 W 的连续波功率。
图 7 采用小孔喷水的冷却器组件, (a) 侧视图; (b) 顶视图
作为大功率半导体激光阵列化技术, 本 文对激光二极管阵列的构造、激光二极管阵 列的冷却技术、已知激光二极管阵列性能等 作介绍。
2 大功率半导体激光阵列
使用最多的激光二极管阵列的构造如图
收稿日期: 2000—12—08
1、把宽展条幅激光二极管作为整体阵列化激 光棒 (激光二极管棒) 幅度通常 1 cm 左右。对 于激光二极管棒全体, 条幅区间占有比例 (= 条宽×条数×激光二极管棒宽) 称为“占空因 数”或“充填密度”。激光二极管棒的功率受到 射出端面的不可逆光学损伤和热饱和限制。 而且, 连续波激光二极管棒从抑制热的发生 密 度 意 义 上 说, 占 空 因 数 很 多 是 30%～ 50%。 另一方面数百微秒的脉冲幅中驱动连 续波激光二极管棒, 为得到 100 W 级的高峰 值功率, 占空因数都设计在 75% 以上。
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售。准连续波时峰值功率达 100W , 而且这些 激光二极管阵列中, 各发射器发射的辐射相 位并非一致, 但用于固体激光激励等场合不 成问题。 前面装有圆筒状微型透镜的激光二 极管条也有销售。
一方面, 在同一基板上缩小了条幅区波 导的间隔, 使相邻波导的光电界位相一致, 在 时间、空间上保持一定位相关系, 这种激光二 极管阵列称作锁相激光列阵。由N 个导波路 组成阵列的场合, 在弱结合场含有 N 个阵列 方式; 强结合的场合, 各波导即使满足了基本 方式, 由于允许一次方式, 可有 2N 个阵列方 式存在。N 个方式中, 波导间的位相一致状 态的方式和成为 0°位相方式时能得到的几 乎是单峰的远场花样。另一方面, 相同波导间 远场花样的位相相差 180°, 称为 180°位相方 式, 远场花样表示出双峰。通常的 ROW 构造 阵列中, 180°位相方式容易振荡。为了实现单 峰辐射, 在波导区域提高实效折射率。如图 2 所示, 已开发 N 个波导间隔 s 进行配列时, 0° 位相方式的平行方向广角近似在幅度 N × s 的光隙上回折光的广角 (ΚN s) 造成。 但是 报道的广角很多是它的 2～ 3 倍, 这是复数阵 列方式重迭造成的。
图 4 微通道冷却组件。(a) 插入的硼硅酸盐玻 璃夹在两个蚀刻的硅片、多管层与微通道 层间; (b) 将以激光切割出的五个铜层花 样组合在一起
图 5 含有三层微通道冷却组件的剖面图
需的流速下降, 压力损失也减少, 对于对重量 和体积限制很严格的装置来说是有利的。 热 阻抗的报导是每 1 cm 宽的激光二极管条都
最近, 激光二极管棒的性能急速提高。对 于 807 nm 连续波激光二极管棒, 功率在 40 ～ 60 W , 转换效率可提高到 40%～ 60% , 可 期待寿命也达到 104 小时。
图 1 1 cm 宽的单片激光二极管阵列、激光条简 图
图 2 锁相反波导二极管激光阵列截面简图
940 nm 和 980 nm 激光二极管条同 807 nm 相比, 具有同等乃至更好的性能, 915 nm 激光二极管条报导有连续波 180 W 的最大 功率, 连续波 60 W 的激光二极管条也有销
实现高平均功率强度, 需要高密度配列 高效率准连续波的激光二极管条。 由于激光
二极管密度高发热量也高, 光功率的热饱和 和激光二极管棒的升温所造成的劣化尤成问 题。 必需条件是把激光二极管棒装在放热好 ( 热阻抗低) 的受热器上, 要想法研究各种冷 却方式。 例如激光二极管棒的光功率为连续 波 40 W , 光转换效率为 40% 时, 激光二极管 棒约产生 60 W 的焦耳热。 为抑制光功率的 热饱和, 防止因激光二极管条的温度上升造 成寿命下降, 激光二极管棒的的温度上升需 控制在 30°C 以下, 要求 015 K W 以下的热 阻抗。 实现低热阻抗的受热器通常需要将激 光二极管条的配列间距增大, 通常按 1～ 2 mm 的间距配列。 最近激光二极管条和冷却 技术不断进步, 平均功率强度为 200～ 300 W cm 2 二元激光二极管阵列已有销售。
但是采用细槽的水冷容器制作成本高, 最近还在尝试以不同的构造来得到同样的冷 却特性。图 6 是用三块铜板, 仅采用普通的化 学侵蚀形成后贴合构成的水冷容器, 上面铜 板的背面形成和下面铜板相同图案的沟。 设 在上下铜板沟间的跨接, 增强了三块铜板的 热结合, 激光二极管条产生的热量很容易扩
图 8 市售迭加激光二极管阵列。从此种 12 层迭 加激光条产生的连续波功率为 480 W
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图 6 冷却器组件的三个铜层, 以常规化学蚀刻 方式做出花样, 顶层与底层具有同样的小 槽, 但其位置在相反侧
在 014～ 015 K W 左 右, 可 分 别 按 1 mm , 117 mm 间距组合, 组合后可实现二元激光 二极管阵列。 图 6 的容器在冷却水的压力损 失进一步减少, 最佳性能的冷却器流量为 112 l m in 等多种条件下, 对于幅宽 10 mm × 孔长 016 mm、占空因数 50% 的激光二极管 条而言, 其热阻抗为 0126 K W 。
面示意图。 在细槽部设有 40 Λm 间隔、宽 20 Λm ×高 150 Λm 的槽。 与以往把冷却水冲在 壁上等方法相比, 实现同样厚度的境界层所
图 3 多条激光二极管阵列的冷却技术 1。(a) 预 装条在共用散热器上堆迭; (b) 将激光条 直接装到散热器上
光二极管条正下方流动。背面冷却如图 3 (b) 所示, 在散热器板上设有沟槽, 其间安装激光 二极管条, 这种构造也已有报导。背面冷却的 特点是可以获得小型化容器, 从发光面看几 乎没有镜框那样的非发光部, 可实现激光二 极管阵列。为了有效地与冷却水进行热交换, 也有采用在冷却水侧设置许多细槽和密集的 柱状突起物的散热板。 为了能实现最小热阻 抗, 采用直下水冷构造, 典型报导实例有利用 各向异性卷边细槽和冷却水进行热交换, 如 图 4 (a) 的构造; 以及用激光切割成形的细 槽进行冷却水的热交换, 如图 4 (b) 的构造。 根据采用细槽和冷却水进行热交换中成为支 配热阻抗的主要原因, 境界层很薄, 称为薄层 流。 图 5 是这种模式下图 4 (a) 所示容器断