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 。

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