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3 大功率高光束質量半導體激光器發展現狀

    　半導體激光器件功率的增大與發散角的降低促進了大功率半導體激光器光束質量的迅速提高，直接體現在光纖激光器抽運源用單波長、光纖耦合輸出半導體激光模塊尾纖直徑的減小以及出纖功率的不斷增大。目前，該類單波長光纖耦合輸出半導體激光模塊根據其內部采用的半導體激光器件類型及其封裝形式不同可分為以下幾種具體形式。

　　3.1 半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出

    　在出纖功率要求不高的情況下，利用單管半導體激光器件可直接耦合進入光纖獲得激光輸出（如圖1），該結構具有體積小、成本低、壽命長、技術成熟等優點，目前國外多家半導體激光器供應商均達到8~10W/module水平。該領域國內以北京凱普林光電技術公司較為領先，單模塊出纖功率與國外水平基本相當。

圖1  單個單元器件直接光纖耦合輸出模塊

    　在出纖功率要求較高的情況下，利用多個經快軸準直鏡（FAC）準直的單元器件所發出的光束，在快軸方向上緊密排列，經偏振合束，然后聚焦耦合進光纖。2009年，美國Nlight公司利用該結構集成14個單元器件獲得了NA=0.15，105 μm芯徑光纖單模塊輸出100 W（如圖2），耦合效率71%。該類結構模塊具有體積小、亮度高、壽命長等優點，但內部光學元件多，裝調難度大，成本高。

圖2  多個單管半導體激光器件集成光纖耦合輸出模塊光路結構

　　3.2 半導體激光短陣列器件集成光纖耦合輸出

    　利用多個經快軸準直鏡準直后的短陣列器件所發出的光束，在快軸方向上緊密排列，經偏振合束，然后聚焦耦合進光纖。2007年，德國DILAS公司利用該結構（如圖3）獲得了NA=0.22，200 μm芯徑光纖單模塊輸出500 W，耦合效率83%。該結構模塊亮度高，壽命長，但光學元件多，裝調集成難度大，成本高。

圖3  多個短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結構

　　3.3 微通道熱沉封裝結構半導體激光陣列堆光纖耦合輸出

    　微通道熱沉封裝結構的半導體激光陣列堆(CM Bar Stack)輸出光束經快、慢軸準直后，空間集成，快慢軸光束均勻化，然后聚焦耦合進入光纖（如圖4）。目前，該結構可達NA=0.22，200μm芯徑光纖單模塊輸出400W，該結構模塊亮度較高，光學元件少，結構簡單，但成本較高，而且必須采用去離子水作為冷卻介質，使用維護要求高，同時由于在去離子水的侵蝕作用下微通道熱沉壽命較短，如果不進行精細的冷卻水管理，會導致該結構模塊壽命僅為2萬小時左右。

圖4  多個微通道冷卻半導體激光堆集成光纖耦合輸出模塊結構

 3.4 傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合輸出

    　多個傳導熱沉封裝結構半導體激光陣列輸出光束經快、慢軸準直后空間集成后直接通過聚焦耦合系統進入光纖。目前，德國DILAS公司利用該思路獲得了NA=0.22，200 μm芯徑光纖單模塊輸出200 W；400μm芯徑光纖單模塊輸出500 W，耦合效率約為80%。該類結構模塊（如圖5）盡管較其他幾種結構相比亮度稍低，但具有光學元件少、結構簡單、壽命較長、免維護、成本低等優點。

圖5  多個傳導熱沉封裝半導體激光陣列集成模塊結構

    　在面向直接工業應用的高功率高光束質量半導體激光器方面，當材料加工對于半導體激光輸出波長不敏感的情況下，除通過以上技術手段獲得高功率高光束質量半導體激光輸出外，還可通過波長合束技術與偏振合束技術，在輸出光束質量不變的情況下，根據合束波長的個數而倍增輸出功率。在該領域，德國的Laserline公司技術較為領先，采用微通道封裝CM Bar Stack集成獲得從數百瓦至萬瓦級高功率、高光束質量激光加工系統: 2000 W (BPP:20 mm?mrad)，4000 W (BPP:30 mm?mrad)，10000 W (BPP:100 mm?mrad)。國內北京工業大學激光工程研究院在半導體激光快慢軸光束質量均勻化方面獲得突破，采用微通道冷卻封裝的CM Bar Stack集成結構于2008年獲得了面向工業材料加工用的千瓦級半導體激光系統，BPP小于12 mm?mrad，超過了千瓦商用全固態激光器的光束質量。

　　4 結語與展望

    　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。可以預計，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。

    　在國內，最近幾年高功率、高光束質量大功率半導體激光器相關領域方面也取得了長足的進步，如北京凱普林光電公司在單個單元器件的光纖耦合方面，西安炬光科技公司在半導體激光芯片的封裝方面均接近或達到了國際先進水平，北京工業大學在半導體激光器系統方面達到了國際先進水平。但是在半導體激光器的核心部件—半導體激光芯片的研制和生產方面，一直受外延生長技術、腔面鈍化技術以及器件制作工藝水平的限制，國產半導體激光器件的功率、壽命方面較之國外先進水平尚有較大差距。這導致國內實用化高功率、長壽命半導體激光芯片主要依賴于進口，直接導致我國半導體激光器系統的價格居高不下，嚴重影響了大功率半導體激光器在我國的推廣應用，同時也限制了我國高功率光纖激光器的研制和開發。可喜的是，隨著當前我國化合物半導體器件，如#p#分頁標題#e#LED、多節GaAs太陽能電池、紅外熱成像器等技術的不斷應用和發展，化合物半導體器件的外延技術和封裝技術將不斷成熟，這些技術應用于同是化合物半導體器件的半導體激光器，大大促進半導體激光器件的國產化，從而推動半導體激光器這一高效、節能型激光器更廣泛地運用于我國的工業、國防、科研等領域中。