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國內外半導體激光器發展歷程及現狀

時間: 2019-06-03 | 編輯: 200 | 閱讀:200次

一、國內大功率半導體激光器研發歷程概況

國外早在20世紀90年代初就開始大功率半導體激光器研究,已經取得很大進展。國內起步相對較晚,但是發展很快,主要研究單位包括中科院半導體所、上海光機所、長春光機所、清華大學、中電集團十三所、中科院光電技術研究所和西安電子科技大學等。

中科院半導體所等單位采用的是光纖捆綁耦合技術進行光束整形。先用一根光纖柱透鏡進行快軸壓縮,然后進入與發光區相對應的嚴格周期分布的光纖排,最后把輸出的多根光纖捆成一束。這種方法可以簡便地實現LD線陣輸出光場的對稱化,且光束經過一段距離的光纖傳輸后在輸出截面上的強度得到均勻化,傳輸過程中的光能損失也很小,缺點是輸出光纖芯徑粗,亮度不高。

2001年,吉林大學和長春光學精密機械學院用這種方法對10單元線陣半導體激光器條進行了光纖耦合實驗,耦合效率為75%。2003年,中科院半導體所利用這種技術實現了60 W 的大功率輸出,耦合效率為82%,輸出光纖為1.5 mm,數值孔徑為0.11,現已實現小批量生產。

中科院光電技術研究所采用微柱透鏡快軸準直并引起光束微偏轉、消色差的雙膠合透鏡偏轉光束、閃耀光柵陣列反偏并校正光束的方法進行光束整形,整形效果較好,得到了快慢軸方向比較均衡的光束質量,并能耦合進芯徑200 mm、數值孔徑0.22的光纖,但是整個系統由折射和衍射器件共同構成,結構復雜,耦合效率不高。

清華大學采用等腰直角棱鏡組方法,整形系統由兩套錯位緊密排列的等腰直角棱鏡組組合而成。對808 nm輸出功率40 w 的半導體激光器列陣進行了光束整形,整形系統的功率效率為90%。整形前的慢軸、快軸光束質量參數比值為2499,整形后為0.77。

武漢凌云科技光電有限責任公司采用折射整形法,在被整形線陣半導體激光器傳播方向上依次放置兩組互相垂直的、分別由M 片光學玻璃板片緊密排列構成的折射棱鏡堆,進行光束的重排,實現快慢軸方向光束質量均勻化。目前該公司可以提供30 W、400 m的耦合輸出系統。

中科院上海光學精密機械研究所采用折反射整形法,利用一組繞自身底棱旋轉45°的微片棱鏡堆,使得線陣半導體激光器發出的光在慢軸方向被N個微棱鏡切割成N段,每一段光束在對應的微棱鏡中經過幾次內全反射后偏轉90°,實現了慢軸光束在快軸方向的重排。利用此技術,實現了600 mm 光纖輸出,系統的總效率達到52%。

中電集團十三所采用偏振復合技術,首先兩個線陣半導體激光器分別進行快軸準直和光束整形變換,將其中一路光束利用半波片改變其偏振態,使其與另一路光束偏振度正交,這樣再經過偏振合束器,兩路光就整合到一路,且光束質量不變,達到提高光亮度的目的。利用此技術,實現了兩個808 nm線陣半導體激光器耦合進芯徑400 μm,數值孔徑0.22的石英光纖,整個系統耦合效率為60% ,功率密度48000 W/cm2 。

中國科學院半導體研究所早在2002年就報道了通過光纖排捆綁耦合進行光束整形的技術。半導體激光器線列陣的輸出光束首先用多模光纖進行快軸壓縮,然后一對一的耦合進精密排列的光纖列陣中,最后在輸出端捆成一束,實現了l5 w 的激光輸出,耦合效率為75%。該方法結構簡單、耦合效率高、成本低、調節簡單、利于產品化生產。2003年研制成功了一對線列陣半導體激光器60 w 功率光纖耦合輸出器件,總耦合效率82%,出光口徑為1.5 mm,數值孔徑0.1l。2004年5月又實現了單條線列陣半導體激光器30 W 功率光纖耦合輸出,出光口徑為1.07 mm,數值孔徑0.1l。光電子器件國家工程中心的光纖排捆綁耦合整形器件已實現小批量生產。

隨著半導體材料外延生長技術、半導體激光波導結構優化技術、腔面鈍化技術、高穩定性封裝技術、高效散熱技術水平的不斷提高,半導體激光器功率及光束質量飛速發展,促進了直接工業用半導體激光加工系統和高功率光纖激光器的發展。目前國際上直接工業用大功率半導體激光器在輸出功率5000 W級別已超過燈抽運固體激光器的光束質量,在1000 W級別已超過全固態激光器的光束質量。隨著化合物半導體技術的進步,工業用大功率半導體激光器的輸出功率和光束質量將進一步提高,將進一步擴展其工業應用范圍。在高功率光纖激光器抽運源方面,光纖耦合輸出的功率不斷上升,光纖芯徑和數值孔徑不斷降低,導致光纖激光器的抽運亮度不斷提高,同時成本卻不斷下降,因此未來高功率光纖激光器的輸出功率與光束質量也將不斷地提高??梢灶A計,在未來工業激光加工中,特別是在金屬激光加工領域,大功率半導體激光器主要應用在激光表面處理、激光熔覆和近距離激光焊接領域,而大功率光纖激光器主要應用在光束質量要求更高的激光切割和遠程激光焊接領域。

文章標題: 國內外半導體激光器發展歷程及現狀
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