大功率半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用20423.ppt

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大功率半導(dǎo)體激光器及應(yīng)用 長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室馬曉輝 概述 一 激光二 半導(dǎo)體激光器三 大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展四 半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用五 半導(dǎo)體激光器市場及發(fā)展前景 一 激光 激光技術(shù) 計算機(jī)技術(shù) 原子能技術(shù) 生物技術(shù) 并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn) 是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具 與電子電力技術(shù) 自動化測控技術(shù)的完美結(jié)合 使激光技術(shù)能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活 1 激光的概念 激光 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation LASER 一詞是受激輻射光放大 1960年 美國物理學(xué)家梅曼 Maiman 在實驗室中做成了第一臺紅寶石 Al2O3 Cr 激光器 我國于1961年研制出第一臺激光器 長春光機(jī)所 長春光機(jī)學(xué)院 從此以后 激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展 引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化 CharlesH Townes 湯森 ArthurL Schawlow 肖洛夫 Maiman 梅曼 原子和能級 按量子力學(xué)理論 原子具有的能量是隨原子種類不同而不等的離散性數(shù)值 可以用電子的動能和勢能之和表達(dá) 原子能量的任何變化 吸收或輻射 都只能在某兩個定態(tài)之間進(jìn)行 原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷 三種類型的躍遷 吸收 自發(fā)輻射和受激輻射 光子的吸收 一個原子開始時處于基態(tài)E1 若不存在任何外來影響 它將保持狀態(tài)不變 如果有一個外來光子 能量為hv 與該原子發(fā)生相互作用 且hv E2 E1 其中 E2為原子的某一較高的能量狀態(tài) 激發(fā)態(tài) 則原子就有可能吸收這一光子 而被激發(fā)到高能態(tài)去 這一過程被稱之為吸收 只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時 光子才能被吸收 E1 E3 E2 hv E1 E3 E2 自發(fā)輻射 處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的 它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短 數(shù)量級約為10 8s 會自發(fā)地返回基態(tài)去 同時放出一個光子 這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程 叫做自發(fā)輻射 自發(fā)輻射的特點 這種過程與外界作用無關(guān) 各原子的輻射都是獨立地進(jìn)行 因而所發(fā)光子的頻率 初相 偏振態(tài) 傳播方向等都不同 不同光波列是不相干的 例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體 在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子 當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時 便放出五顏六色的光彩 受激輻射 激發(fā)態(tài)的原子 受到某一外來光子的作用 而且外來光子的能量恰好滿足hv E2 E1 原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1 同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子 這一過程被稱為受激輻射 2 產(chǎn)生激光的必要條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 選擇具有適當(dāng)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì) 在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件 光學(xué)諧振腔 選擇一個適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔 對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向 頻率等加以選擇 從而產(chǎn)生單向性 單色性 強(qiáng)度等極高的激光束 一定的閾值條件 外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件 以促成激光的產(chǎn)生 3 激光的特點 方向性好 激光是沿一條直線傳播 能量集中在其傳播方向上 其發(fā)散角很小 一般為10 5 10 8球面度 單色性強(qiáng) 從普通光源 如鈉燈 汞燈 氪燈等 得到的單色光的譜線寬度約為10 2納米 而氦氖激光器發(fā)射的632 8納米激光的譜線寬度只有10 9納米 亮度高 一臺普通的激光器的輸出亮度 比太陽表面的亮度大10億倍 相干性好 普通光源 如鈉燈 汞燈等 其相干長度只有幾個厘米 而激光的相干長度則可以達(dá)到幾十公里 比普通光源大幾個數(shù)量級 4 激光器的種類 按工作物質(zhì)的性質(zhì)分類氣體激光器 氦一氖氣體激光器 方向性好 單色性好 輸出功率和波長能控制得很穩(wěn)定 固體激光器 典型代表有Nd3 YAG 能量大 峰值功率高 結(jié)構(gòu)緊湊 牢固耐用等優(yōu)點 半導(dǎo)體激光器 以半導(dǎo)體為工作物質(zhì) 常用材料有GaAs InP等 具有小型 高效率 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點液體激光器 有機(jī)化合物液體 染料 和無機(jī)化合物液體激光器 波長可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣 可產(chǎn)生極短的超短脈沖 可獲得窄的譜線寬度 按工作方式區(qū)分連續(xù)型脈沖型 5 其它激光器 光纖激光器化學(xué)激光器氣動激光器色心激光器自由電子激光器單原子激光器X射線激光器 二 半導(dǎo)體激光器 1962年 美國 同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器 液氮溫度下脈沖工作 1967年 液相外延的方法制成單異質(zhì)結(jié)激光器 實現(xiàn)了在室溫下脈沖工作 1970年 美國的貝爾實驗室制成了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 實現(xiàn)了室溫連續(xù)工作 70年代以后 量子阱技術(shù) MBE MOCVD新型外延技術(shù) 量子阱激光器 閾值電流密度低 電光轉(zhuǎn)換效率高 輸出功率大 應(yīng)變量子阱 生長非晶格匹配的外延材料 拓寬了激光器波長范圍 1965年中國北中科院北京半導(dǎo)體所 激光二極管 1 半導(dǎo)體激光器的特性 轉(zhuǎn)換效率高 70 體積小 1mm3壽命長 可達(dá)數(shù)十萬小時輸出波長范圍廣 0 6 1 1um 2 3um 易調(diào)制 直接調(diào)制缺點 發(fā)散角大 光束質(zhì)量差 2 半導(dǎo)體激光器的分類 半導(dǎo)體激光器通?？梢园凑瞻雽?dǎo)體材料 發(fā)射波長 器件的結(jié)構(gòu) 輸出功率進(jìn)行分類 大功率半導(dǎo)體激光器的種類 單管 寬條形激光二極管Bar條 線列陣激光二極管疊層 面陣激光二極管 3 激光二極管工作原理 產(chǎn)生的激光條件受激輻射放大光學(xué)振蕩反饋激光的閾值條件 增益大于損耗半導(dǎo)體激光器的三個問題光增益諧振腔發(fā)光效率 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識 能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體能帶中電子和空穴的分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的材料選擇 能帶理論 晶體中原子能級分裂 晶體中的電子作共有化運動 所以電子不再屬于某一個原子 而是屬于整個晶體共有晶體中原子間相互作用 導(dǎo)致能級分裂 由于原子數(shù)目巨大 所以分裂的能級非常密集 認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的 即形成能帶半導(dǎo)體中電子的能級與金屬有本質(zhì)的區(qū)別 在半導(dǎo)體中原子和價電子間的相互作用使價電子分成被禁帶相隔的價帶和導(dǎo)帶 在金屬中 不同的能帶交疊形成一個有部分充滿電子的能帶 單晶Si的二維結(jié)構(gòu)和能帶圖 Li原子和金屬的能帶結(jié)構(gòu)圖 能帶中電子和空穴的分布 摻雜半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體 As Si 摻雜半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體 B Si n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體能帶圖 光的受激輻射 自發(fā)輻射和吸收對應(yīng)的躍遷 直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體 直接帶隙半導(dǎo)體躍遷幾率高 適合做有源區(qū)發(fā)光材料 如GaAs InP AlGaInAs 間接帶隙半導(dǎo)體電子躍遷時 始態(tài)和終態(tài)的波矢不同 必須有相應(yīng)的聲子參與吸收和發(fā)射以保持動量守恒 所以躍遷幾率低 如 Si Ge等 直接帶隙半導(dǎo)體能帶圖 電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶上 在價帶上就會產(chǎn)生一個空穴 電子 空穴對的輻射復(fù)合而產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器的光增益直接帶隙半導(dǎo)體更容易產(chǎn)生輻射 多數(shù)的三五族化合物半導(dǎo)體是直接帶隙半導(dǎo)體 半導(dǎo)體激光器的材料選擇 發(fā)射波長 半導(dǎo)體激光器的波長由禁帶寬度決定 晶體材料決定 晶格常數(shù)與襯底匹配 半導(dǎo)體激光器的三個問題 光增益 諧振腔 發(fā)光效率 3 1半導(dǎo)體中的光增益 激光二極管采用注入電流直接驅(qū)動 pn結(jié)加正向電壓 空穴將會向n型區(qū)移動 電子向p型區(qū)移動 在pn結(jié)處 電子和空學(xué)復(fù)合 產(chǎn)生光電子 注入的電荷密度1018 1019cm 3 產(chǎn)生的光子就會大于損失的光子 早期激光二極管采用的是GaAs同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 有源層的厚度由擴(kuò)散長度決定 一般為2 m 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管的結(jié)構(gòu) 量子阱結(jié)構(gòu) 單量子阱結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代的激光二極管 有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu) 厚度約為10nm 多量子阱結(jié)構(gòu) 量子阱作為有源區(qū)的幾點優(yōu)勢 量子阱外帶隙大 注入載流子被限制在QW區(qū)域產(chǎn)生反轉(zhuǎn) 由于量子阱很薄 注入電流密度比同質(zhì)結(jié)減少了1000倍 載流子被有效的捕捉進(jìn)量子阱中 使其沒必要將摻雜物質(zhì)摻雜到靠近結(jié)處 輻射復(fù)合的效率超過90 好的材料能達(dá)到接近100 低摻雜導(dǎo)致了很低的內(nèi)部損失 因此QW結(jié)構(gòu)使長腔激光器有很高的外部效率 增加腔長來減少熱效應(yīng)和串聯(lián)電阻 量子阱厚度為10nm 這樣的薄層允許材料的晶格常數(shù)GaAs有一些失配 將Ga的一部分換成In 波長將會達(dá)到1100nm 引入的張力進(jìn)一步提高了態(tài)密度的分布 閾值電流密度大概為200A cm2 將As換成P 波長范圍可擴(kuò)展到730nm 幾種波長激光二極管的材料組份 3 2光學(xué)諧振腔 3 2 1垂直波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 垂直結(jié)構(gòu) 也就是外延層結(jié)構(gòu) 包括光波導(dǎo)和采用量子阱的PN結(jié) 波導(dǎo)的設(shè)計利用了折射率n隨禁帶寬度變化這一特點 禁帶寬度增加折射率降低 QW被鑲嵌在高折射率材料的核心區(qū) 蓋層的折射率比核心區(qū)要低 AlAs 折射率為2 9 禁帶寬度2 9eV GaAs 折射率為3 5 禁帶寬度1 4eV 分別限制異質(zhì)結(jié) SCH 垂直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 對于大功率 高效率激光二極管 波導(dǎo)的設(shè)計就是對幾個不利因素的優(yōu)化 對于TM模 限制因子 光束的強(qiáng)限制因子導(dǎo)致了大的腔面載荷和大的光束發(fā)散層結(jié)構(gòu)影響串聯(lián)電阻和熱阻 好的墻插效率和熱穩(wěn)定性需要對薄層結(jié)構(gòu)的光波進(jìn)行優(yōu)化 810nm外延結(jié)構(gòu)圖 有源層是一個張應(yīng)力GaAsP量子阱結(jié)構(gòu) 厚度為15nm 芯層由Al0 45Ga0 65As組成 蓋層為70 的AlAs 隨著芯層的厚度增加光束發(fā)散角和腔面承受的功率密度會而急劇減小 LOC為大光學(xué)腔 增加腔長可以彌補(bǔ)由于低限制因子對增益的影響 獲得高效率激光器 3 2 2橫 側(cè) 向波導(dǎo) 層結(jié)構(gòu)給出了有效折射率的值 這個值接近芯層折射率 任何一個對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)折射率的影響都會改變有效折射率 側(cè)向有效折射率發(fā)生變化 波導(dǎo)就類似于垂直結(jié)構(gòu) 與通常的波導(dǎo)相似形成了芯層和蓋層 對于大功率激光二極管器 產(chǎn)生一個弱波導(dǎo) 弱波導(dǎo)有更大的基模尺寸 更低的腔面載荷和更高的輸出功率 寬條形激光器 有效折射率隨注入電流增加降低 串聯(lián)電阻和非輻射復(fù)合影響 層結(jié)構(gòu)的溫度上升 使折射率上升 這兩種效應(yīng)都可改變有效折射率 數(shù)值為10 4 10 3 在閾值處 載流子的影響占主要作用 產(chǎn)生了由于折射率退化而產(chǎn)生的反波導(dǎo)效應(yīng) 反波導(dǎo)導(dǎo)致了光學(xué)損失 在閾值附近效率有輕微下降 在閾值之上 激光器熱效應(yīng)的影響占主要地位 在電流注入?yún)^(qū)的折射率更高 使得激光器有標(biāo)準(zhǔn)的折射率導(dǎo)引 效率稍有提高 但激光發(fā)散角也稍有增長 折射率導(dǎo)引激光器 IndexguideLD 強(qiáng)折射率導(dǎo)引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器 BH LD 弱折射率導(dǎo)引激光器 脊波導(dǎo)激光器 RWG LD 改變側(cè)向的層結(jié)構(gòu) 使有效折射率產(chǎn)生變化 其中最容易的辦法是在P面刻蝕蓋層 將一部分波導(dǎo)層腐蝕 選擇低折射率材料代替 如Al2O3或Si3N4 有效折射率將減小 在大功率器件中此結(jié)構(gòu)常被采用作為模式選擇過濾器 4 發(fā)光效率 F P激光器的轉(zhuǎn)換效率 插頭效率 i內(nèi)量子效率 受非輻射復(fù)合和載流子泄露影響 第二部分是輸出耦合和總的諧振腔損耗的關(guān)系第三部分代表了獲得注入電流必要電壓和的實際電壓的關(guān)系 包括了由芯片內(nèi) 外部串聯(lián)電阻引起的附加電壓 第四相描述激光器的工作電流超過閾值電流 5 制造技術(shù) 基本的半導(dǎo)體激光器由晶體襯底上的有源層 注入電流的金屬電極 和兩個腔面面構(gòu)成的諧振腔組成 制造激光器需要以下步驟在襯底上進(jìn)行外延生長表面圖形制作 形成絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)解理和腔面鍍膜形成諧振腔將芯片固定在熱沉上 5 1外延生長技術(shù) 對大功率激光二極管來說半導(dǎo)體三五族外延生長 尤其是GaAs生長至關(guān)重要 外延生長方法液相外延 優(yōu)點是很容易生長很厚的外延層 氣相外延 MOCVD 可精確控制元素組分和沉積厚度分子束外延 MBE MOCVD MOVPE MOVPE metal organicvaporphaseepitaxy 襯底由裝片位置A移動到生長位置B 在生長過程中 金屬有機(jī)化合物和氫化物進(jìn)入反應(yīng)室 這些物質(zhì)分解并沉積在熱的基底上 沉積溫度通常在600 800 CMOVPE的生產(chǎn)規(guī)模大也是其優(yōu)勢之一 材料的危險和工藝的復(fù)雜是MOVPE的缺陷 MBE MBE是制造相同器件的另一種方法 與MOVPE不同 MBE采用不同元素的分子束 不采用氣體形式 因此 除了對組分 沉積速率和層厚度有良好的控制以外 MBE可提高外延片的純度 MBE的不足之處是設(shè)備的成本和層均勻與分子束相互依賴限制了大規(guī)模生產(chǎn) 大功率半導(dǎo)體激光器對外延的要求 精確控制摻雜水平精確控制每層的元素組分每層的雜質(zhì)得到精確限制控制生長層的能力 從單原子層到幾微米 在生長條件下有改變化合物組分的能力有好的可重復(fù)性和均勻性 5 2 器件工藝 光刻 在半導(dǎo)體層上的刻槽限制電流橫向擴(kuò)散和防止在垂直于傳播方向上產(chǎn)生激光 淀積絕緣層 限制電流注入?yún)^(qū)金屬化 形成P型 N型的金屬接觸 解理 構(gòu)成了諧振腔 光刻 介質(zhì)膜的沉積 介質(zhì)膜經(jīng)常用PECVD plasma enhancedchemicalvapordeposition等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 方法進(jìn)行沉積 金屬化 金屬區(qū)必須滿足 有效將電流注入到半導(dǎo)體中在整個接觸面積上有很好的電流擴(kuò)散良好的導(dǎo)熱性 可以很好地將器件產(chǎn)生的廢熱排除與周圍封裝有穩(wěn)定的機(jī)械接觸 P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu 5 3 腔面鍍膜 腔面膜必須滿足以下性質(zhì) 穩(wěn)定的化學(xué)和機(jī)械特性好的粘附性機(jī)械應(yīng)力較低在激射波長處有較高的透明度光學(xué)特性可調(diào) 5 4 封裝 芯片的封裝主要是將芯片高質(zhì)量地裝配在熱沉上 同時保證有效的電接觸和熱接觸 高功率半導(dǎo)體激光器的封裝 有效降低芯片工作時廢熱的積累 提高激光器的輸出功率和工作壽命 芯片焊接技術(shù)高效冷卻技術(shù)組裝技術(shù) 芯片焊接技術(shù) 銦焊工藝 銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移的問題 影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性 AuSn焊工藝金錫焊料不能像銦焊料那樣有效地釋放熱應(yīng)力 巴條和熱沉之間增加了熱膨脹系數(shù)匹配的緩沖層 不同焊料封裝激光器加速壽命測試對比曲線 高效冷卻技術(shù) 傳導(dǎo)冷卻膨脹系數(shù)匹配微通道熱沉 組裝技術(shù) 水平封裝陣列垂直封裝陣列 6 半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù) 一種新型的封裝形式改善光束質(zhì)量便于應(yīng)用光纖耦合器件的優(yōu)點體積小 重量輕 亮度高等 可繞性好 孔徑小 損耗低及改善光場分布 應(yīng)用領(lǐng)域通訊 醫(yī)療 材料處理 泵浦固體激光器 激光測距 激光制導(dǎo) 激光夜視等 大功率半導(dǎo)體激光器的光束特點 輸出光束極不對稱輸出光束存在很大像散 光纖耦合技術(shù) 根據(jù)光束的數(shù)量的不同分為 單光束耦合 利用單發(fā)射區(qū)激光器與光纖耦合的技術(shù)稱作單光束耦合技術(shù) 多光束耦合 采用利用多只單發(fā)射區(qū)激光器激光束合束后耦合進(jìn)光纖輸出的技術(shù)稱作多光束耦合技術(shù) 6 1單光束耦合 單光束耦合系統(tǒng)可以分為兩類 直接耦合 光纖直接耦合與光纖微透鏡直接耦合 間接耦合 采用分立的小型或微型光學(xué)元件構(gòu)成的間接耦合 6 1 1直接耦合 1 LD與多模光纖的直接耦合 a 平行于pn結(jié)平面 b 垂直于pn結(jié)平面 直接耦合示意圖 耦合效率理論計算曲線 影響耦合效率的因素 調(diào)整精度 光纖端面的加工精度等工藝因素 激光器的近場寬度 光纖的數(shù)值孔徑 在發(fā)光區(qū)不變的情況下 光纖數(shù)值孔徑的減小耦合效率迅速降低 大功率LD在垂直于pn方向的近場寬度很小 因此LD與多模光纖的直接耦合效率較低 2 光纖微透鏡直接耦合 采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大小和形狀的微透鏡 直接對向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面 使半導(dǎo)體激光器的光束高效耦合進(jìn)光纖中 常用的光纖微透鏡形式有半球形 圓錐形 錐端球面形 橢雙曲面形 楔形等 特點 光纖微透鏡的尺寸不大于光纖直徑 相比分立微光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)耦合系統(tǒng) 光纖微透鏡直接耦合有著靈活方便 易于集成封裝 制作效率高等優(yōu)點 廣泛應(yīng)用于光纖與光源 放大器 DWDM模塊 泵浦光源等耦合中 典型的透鏡光纖耦合系統(tǒng) 透鏡光纖的加工方法 a 蝕刻法 b 熔拉法 c 研磨拋光法 d 激光切削法 研磨法加工的光纖微透鏡實例 6 1 2間接耦合 由分立微光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)耦合系統(tǒng) 球透鏡柱透鏡自聚焦透鏡雙曲面透鏡組合透鏡特點是可以最大限度地降低反射損耗 消除像差的影響 改善光束非圓對稱性 實現(xiàn)高效率的耦合 1 微柱透鏡的光纖耦合 利用圓柱微透鏡對半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦提高光纖耦合效率通常采用一段大數(shù)值孔徑的光纖代替圓柱微透鏡 制作簡單 成本低廉 利用圓柱透鏡光纖耦合原理示意圖 2 自聚焦透鏡光纖耦合 自聚焦透鏡GrinLens 又稱為梯度變折射率透鏡 是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡 具有聚焦和成像功能 利用自聚焦透鏡光纖耦合原理示意圖 3 雙曲面微透鏡的光纖耦合 為了提高耦合效率不僅需要對LD輸出光束快軸方向進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直 有時還需要對慢軸方向準(zhǔn)直聚焦 一種具有雙曲率半徑結(jié)構(gòu)的微透鏡 可對半導(dǎo)體激光器輸出光束的快軸和慢軸同時聚焦 并與多模光纖耦合 雙曲面透鏡結(jié)構(gòu)示意圖 雙曲面透鏡耦合原理 4 組合透鏡光纖耦合 利用組合透鏡光纖耦合示意圖 各種耦合方法的比較 自聚焦透鏡和圓柱透鏡結(jié)構(gòu)最簡單 調(diào)整方便 但耦合效率相對比較低 組合透鏡方法效率比較高 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 調(diào)整比較困難 雙曲面透鏡法 結(jié)構(gòu)簡單調(diào)整方便 耦合效率高 其缺點是雙曲面透鏡制作比較困難 成本高 6 2多光束光纖耦合技術(shù) 將多個激光二極管或激光二極管陣列的輸出光束耦合進(jìn)光纖中 多光束耦合技術(shù) 基于激光二極管列陣的多光束耦合技術(shù)基于多只單管串聯(lián)的多光束耦合技術(shù) 6 2 1基于激光二極管列陣的多光束耦合 由于激光二極管列陣上的發(fā)光單元本身發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對稱 并且在平行pn結(jié)方向上集成了數(shù)十個發(fā)光單元 激光二極管列陣的輸出光束在垂直pn結(jié)方向 快軸方向 的光束質(zhì)量因子和平行pn結(jié)方向 慢軸方向 的光束質(zhì)量因子相差很大 因此 必須采用光束整形技術(shù)對光束進(jìn)行對稱化處理 光纖列陣耦合方法微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法 1 光纖列陣耦合方法 光纖列陣耦合方法是通過微光學(xué)系統(tǒng)將激光器列陣各發(fā)光單元與數(shù)目相同的光纖列陣一一對準(zhǔn) 耦合 在光纖另一端集束輸出 特點 光纖列陣耦合方式中 光纖列陣需要精密排列 排列周期應(yīng)等于激光二極管列陣的單元周期 因此需要加工特殊設(shè)計的精密V形槽或U形槽列陣 用以排列固定光纖列陣 優(yōu)點 耦合光纖系統(tǒng)相對簡單 成本低 缺點 光纖束直徑較大 功率密度較低 2 微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法 微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法是通過微光學(xué)系統(tǒng) 微透鏡 微棱鏡列陣等 對光束進(jìn)行整形 變換 再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中 常用耦合方法 微透鏡陣列耦合微棱鏡列陣耦合階梯式微型反射鏡耦合 光纖耦合微透鏡光學(xué)組件 德國LIMO公司生產(chǎn)的BTS和HOC透鏡組 BTS結(jié)構(gòu)示意圖 微棱鏡列陣耦合 階梯式微型反射鏡耦合 特點 這些方法通過微透鏡 微棱鏡列陣等 對光束進(jìn)行整形 變換 將列陣器件中各發(fā)光單元的輸出光束變換為平行光束 再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中 然而 像微棱鏡 微階梯平面鏡等光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試都比較復(fù)雜 實際應(yīng)用比較困難 高功率光纖耦合模塊 6 2 2基于多只單管串聯(lián)的多光束耦合技術(shù) 采用多光束耦合技術(shù)的另一條技術(shù)途徑就是利用多只單管芯器件串聯(lián) 通過光學(xué)系統(tǒng)將多路光束合束并耦合到單根纖中輸出 采用這種方法輸出光纖芯徑 亮度高 光束質(zhì)量好 由于采用串聯(lián)工作的方式 因此工作電流比較小 一般幾個安培 供電和散熱比較容易 通過小型化設(shè)計的光纖耦合模塊適合應(yīng)用于特殊環(huán)境下的野外工作 特別是在激光駕束制導(dǎo) 激光夜視等軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 多光束合束方式 從理論上講 所有的非相干多光束合束 根據(jù)所遵循的基本物理原則主要有三種方式 空間合束偏振合束波長合束 半導(dǎo)體激光器多束合成示意圖 三 大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展 半導(dǎo)體激光器特點 體積小 壽命長 高效率 應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè) 軍事 醫(yī)療 通訊 大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)取得的突破 超高峰值功率超高電光效率低發(fā)散角高亮度高特征溫度窄譜線寬度高可靠性波長穩(wěn)定基橫模工作等 成熟的半導(dǎo)體材料外延技術(shù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化腔面鈍化技術(shù)高效的冷卻和封裝技術(shù) 國內(nèi)外現(xiàn)狀 美國掌握核心技術(shù) 德國擁有應(yīng)用市場 美國 Coherent IMC SDL HPD Spectrum Physics德國 OSRAM JOLD Frauhorf法國 THALES日本 SANYO SONY俄國 ATC波長 630nm 1550nm功率 1W 10KW國內(nèi)核心技術(shù)比較落后 應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速北半 長春光機(jī)所 長春理工大學(xué) 電子13所 北工大等 1 激光二極管芯片技術(shù) 應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)被廣泛采用 降低器件的閾值電流密度和擴(kuò)展GaAs基材料系的波長覆蓋范圍 采用無鋁有源區(qū)提高端面光學(xué)災(zāi)變損傷光功率密度寬波導(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu) 增加輸出功率 光束發(fā)散角 改善器件的光束質(zhì)量 采用非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)減小器件的光損耗提高電光轉(zhuǎn)換效率 高質(zhì)量 低缺陷外延技術(shù) 增加腔長 提高輸出功率 腔面鈍化技術(shù)介質(zhì)膜鈍化技術(shù)非吸收窗口技術(shù)真空解理技術(shù) 2 遠(yuǎn)場發(fā)散角控制技術(shù) 對于半導(dǎo)體激光器 以激光光束的光參數(shù)乘積 BPP 作為光束質(zhì)量的衡量指標(biāo)快軸發(fā)散角大光腔 低限制因子的方法獲得低發(fā)散角 實用化器件30 50 慢軸發(fā)散角器件結(jié)構(gòu) 驅(qū)動電流密度與熱效應(yīng)共同影響慢軸發(fā)散角 長腔長單元器件的慢軸發(fā)散角最易控制 慢軸發(fā)散角 95 能量范圍 由原來的10 12 降低到7 左右 3 高溫特性 部分能量轉(zhuǎn)換成 廢熱 使節(jié)溫升高 閾值升高斜效率下降轉(zhuǎn)換效率降低 量子阱增益下降 載流子泄漏和俄歇復(fù)合增加 為了保持輸出功率不變 加大驅(qū)動電流 產(chǎn)生更多的 廢熱 節(jié)溫進(jìn)一步上升 TheLasertelCompanyhaspresentedthedevelopmentofhigh temperature8xx nmdiodelaserbarsfordiodelaserlong pulse 10milliseconds pumpingwithinahigh temperature 130 C environmentwithoutanycooling Fanetal 2011 4 標(biāo)準(zhǔn)Bar條陣列發(fā)展現(xiàn)狀 伴隨著高質(zhì)量 低缺陷半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)及腔面鈍化技術(shù)的提高 現(xiàn)有Bar的腔長由原來的0 6 1 0mm增大到2 0 5 0mm 使得Bar輸出功率大幅度提高 2008年初 美國光譜物理公司 5mm腔長 填充因子為83 雙面微通道熱沉冷卻 當(dāng)前實驗室最高Bar連續(xù)功率輸出水平 808nm 800W bar940nm 1010W bar980nm 950W bar德國的JENOPTIK公司 瑞士的Oclaro公司等也相續(xù)制備獲得千瓦級半導(dǎo)體激光陣列 在現(xiàn)有技術(shù)條件下制備獲得1 5kW bar陣列器件已不成問題 制約因素 低壓大電流恒流電源的高成本問題 在工程運用中 數(shù)伏電壓數(shù)百安電流的組合會產(chǎn)生眾多實際問題微通道熱沉散熱壽命短的問題新型高效散熱技術(shù)如相變冷卻 噴霧冷卻以及微熱管技術(shù)由于其性能特點 成本以及結(jié)構(gòu)兼容性問題在短期內(nèi)難以真正實用于Bar散熱領(lǐng)域 不再一味追求提高Bar的輸出功率 逐漸將發(fā)展重點轉(zhuǎn)移到大功率 高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光單元器件和短陣列器件研制 5 單元器件發(fā)展現(xiàn)狀 半導(dǎo)體激光單元器件具有獨立的電 熱工作環(huán)境 避免了發(fā)光單元之間的熱串?dāng)_ 使其在壽命 光束質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢 驅(qū)動電流低 降低了對驅(qū)動電源的要求發(fā)熱量相對較低 傳導(dǎo)熱沉散熱 提高可靠性 IPG JDSU公司等90 100 m條寬單管器件9XXnm波段 連續(xù)輸出20 25W emitter 8XXnm波段 連續(xù)輸出12W emitter 壽命大于10萬小時 6 短陣列器件發(fā)展現(xiàn)狀 短陣列器件 mini bar 是在同一芯片襯底上集成數(shù)個單元器件而獲得 它實際是Bar與單元器件在結(jié)構(gòu)上的折衷優(yōu)化 2009年 德國Osram與DILAS公司合作 利用5個100 m條寬 4mm腔長980nm發(fā)光單元的短陣列器件 填充因子10 CW功率大于80W 轉(zhuǎn)換效率高于60 發(fā)光單元功率16W emitter 壽命與單元器件相當(dāng) 7 高亮度光纖耦合模塊 半導(dǎo)體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進(jìn)了大功率半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的迅速提高 直接體現(xiàn)在光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光模塊尾纖直徑的減小以及出纖功率的不斷增大 根據(jù)其內(nèi)部采用的半導(dǎo)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半導(dǎo)體激光單元器件集成光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光短陣列器件集成光纖耦合輸出微通道熱沉封裝結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光陣列堆光纖耦合輸出傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合輸出 7 1半導(dǎo)體激光單元器件集成光纖耦合輸出 單管半導(dǎo)體激光器件直接耦合進(jìn)入光纖體積小 成本低 壽命長 技術(shù)成熟 8 10W module利用多個單元器件 合束 聚焦耦合進(jìn)光纖2009年 美國Nlight 14個單元器件 NA 0 15 105 m芯徑光纖 輸出100W 耦合效率71 7 2短陣列器件集成光纖耦合輸出 利用多個短陣列器件 在快軸方向上緊密排列 經(jīng)偏振合束 聚焦耦合進(jìn)光纖 2007年 德國DILAS公司 NA 0 22 200 m芯徑光纖 輸出500W 耦合效率83 多個短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結(jié)構(gòu) 7 3微通道熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列堆光纖耦合 微通道熱沉封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光陣列堆經(jīng)快 慢軸準(zhǔn)直 空間集成 快慢軸光束均勻化 然后聚焦耦合進(jìn)入光纖NA 0 22 200 m芯徑光纖單模塊輸出400W亮度較高 光學(xué)元件少 結(jié)構(gòu)簡單 但成本較高 使用維護(hù)要求高 壽命較短 7 5傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合 多個傳導(dǎo)熱沉封裝結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光陣列輸出光束經(jīng)快 慢軸準(zhǔn)直后空間集成后直接通過聚焦耦合系統(tǒng)進(jìn)入光纖 德國DILAS公司 NA 0 22 200 m芯徑光纖 輸出200W 400 m芯徑光纖 輸出500W 耦合效率約為80 光學(xué)元件少 結(jié)構(gòu)簡單 壽命較長 免維護(hù) 成本低等 在直接工業(yè)應(yīng)用的高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器方面 通過波長合束技術(shù)與偏振合束技術(shù) 在輸出光束質(zhì)量不變的情況下 根據(jù)合束波長的個數(shù)而倍增輸出功率 德國的Laserline公司技術(shù)較為領(lǐng)先 采用微通道封裝BarStack集成獲得從數(shù)百瓦至萬瓦級高功率 高光束質(zhì)量激光加工系統(tǒng) 2000W BPP 20mm mrad 4000W BPP 30mm mrad 10000W BPP 100mm mrad 8 高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器 四 半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用 主要應(yīng)用領(lǐng)域 1 通信與光儲存 2 材料加工 4 泵浦光源 5 激光醫(yī)療及美容 光通信 光纖通訊領(lǐng)域是半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的最大市場1 3um和1 55um的InGaAsP InP半導(dǎo)體激光器是通訊用半導(dǎo)體激光器光源0 98um和1 48umLD是摻鉺光纖放大器的泵浦源 摻鉺光纖放大器可用作光發(fā)射機(jī)的功率放大 線路放大 無再生中繼 接收機(jī)的前置放大等 光信息存儲 紅光半導(dǎo)體激光器 目前最大的應(yīng)用是光信息的存取 如用于CD VCD DVD讀寫光頭 條形碼掃描是目前最大的市場 藍(lán) 綠光波段的半導(dǎo)體激光器 高容量信息存儲全彩色顯示對潛通信 材料加工 激光熔覆對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進(jìn)行表面熱處理或局部熔覆 重要應(yīng)用 用于激光熔覆與表面熱處理的半導(dǎo)體激光器功率 1 6kW光束質(zhì)量 100 400mm mrad光斑大小 2 2mm2用半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢電光效率高材料吸收率高使用維護(hù)費用低光斑形狀為矩形光強(qiáng)分布均勻等 廣泛應(yīng)用于電力 石化 冶金 鋼鐵 機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域 不同熔覆方法的比較 材料加工 半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用汽車工業(yè)精密點焊熱傳導(dǎo)焊接管道的軸向焊接 用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)體激光器 焊接材料的厚度為0 1 2 5mm功率為300 3000W 光束質(zhì)量為40 150mm mrad 光斑大小為0 4 1 5mm 大功率半導(dǎo)體激光器焊接的優(yōu)點熱量輸入低 零件的扭曲變形小可進(jìn)行高速焊接 焊縫光滑美觀非常適合工業(yè)焊接的不同需要 它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法 泵浦光源 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器 DPSSL 是大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域 作為泵浦光源 半導(dǎo)體激光器有著其它光源不可取代的優(yōu)越性 激光醫(yī)療及美容 大功率半導(dǎo)體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應(yīng)用 如激光手術(shù)刀 光能治療 激光針灸 脫毛和除發(fā) 不同波長大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用 軍事應(yīng)用 1 激光雷達(dá) 2 激光制導(dǎo) 3 激光測距 4 激光引信 激光雷達(dá) 激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 具有極高的角分辨率 距離分辨率 速度分辨率高 測速范圍廣 能獲得目標(biāo)的多種圖像 抗干擾能力強(qiáng) 比微波雷達(dá)的體積和重量小等激光跟蹤 激光測速 激光掃描成像 激光多普勒成像等技術(shù)利用直接調(diào)制激光二極管技術(shù)的無掃描成像雷達(dá)具有極大地軍事應(yīng)用前景 激光制導(dǎo) 駕束制導(dǎo) 大功率半導(dǎo)體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈 經(jīng)空間編碼的激光光束直接指向目標(biāo) 導(dǎo)彈的彈尾接收器接收激光束中的編碼信號修正導(dǎo)彈的飛行軌跡直至擊中目標(biāo) 激光半主動制導(dǎo)激光主動制導(dǎo) 激光測距 采用直接調(diào)制的脈沖半導(dǎo)體激光器可用于激光測距 目前測距1公里的半導(dǎo)體激光測距機(jī)已經(jīng)商品化 測距精度達(dá)幾厘米 激光引信 半導(dǎo)體激光器是唯一能用于彈上引信的激光器 激光近炸引信可以準(zhǔn)確地確定起爆點 使彈頭適時起爆 激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈的頭部 五 半導(dǎo)體激光器市場及發(fā)展 材料加工 用于電子行業(yè)和汽車工業(yè)等制造業(yè)的半導(dǎo)體激光器表現(xiàn)強(qiáng)勁 2012年的材料加工市場需求將會適度增長 用于眼科和外科手術(shù)的激光器仍需求強(qiáng)勁 但美容設(shè)備激光器銷量會衰退 總體呈上升趨勢 醫(yī)療 用于基礎(chǔ)研究和軍事方面的激光器仍然有適度增長 尤其在中紅外對抗測距及激光雷達(dá)方面 軍事應(yīng)用 主干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的光通信需求繼續(xù)增大 尤其是40G到100G收發(fā)器 光纖到戶和主動光纜 在硬盤上使用激光器將容量提升一至兩代 通信與光儲存 新波長及其應(yīng)用 405 440nm GaN 目前其應(yīng)用主要是低功率應(yīng)用 如405nm波長在藍(lán)光DVD中的應(yīng)用 輸出功率幾瓦的半導(dǎo)體激光器可用于以下領(lǐng)域 絲網(wǎng)印刷中的環(huán)氧樹脂固化印刷與半導(dǎo)體行業(yè)中的光刻摻鐠 Pr 晶體和光纖的泵浦 630 690nm 該波段范圍內(nèi)的低功率產(chǎn)品通常用于指示器和DVD基于砷化鎵 GaAs 晶體上的銦鎵鋁磷 InGaAlP 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器巴條 能夠?qū)崿F(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器 其在630nm的輸出功率可達(dá)幾瓦 在680nm的輸出功率最高約達(dá)20W 這些波長可用于光動力治療 PDT 泵浦摻鉻釔鋁石榴石晶體固體激光器以產(chǎn)生超短脈沖 照明 全息以及顯示等諸多領(lǐng)域 808 976nm 主要用于固體激光器材料的泵浦除了泵浦固體激光器外 半導(dǎo)體激光器還能用于泵浦氣體激光器 這也是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域 半導(dǎo)體激光器能夠泵浦基于銣 泵浦波長794 8nm 或銫 泵浦波長780nm或852nm 的堿性蒸汽激光器 彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng) 1064nm波長的半導(dǎo)體激光器可取代現(xiàn)有的Nd YAG激光器 1210nm波長 其可用于激光輔助吸脂 這種技術(shù)就是所謂的破壞脂肪細(xì)胞 并且同時收緊皮膚 1320 1380nm 基于InP晶體 波段的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以用于醫(yī)療領(lǐng)域1470nm是半導(dǎo)體激光器的一個常見波長 其最初主要用于光通信領(lǐng)域 在醫(yī)療設(shè)備制造中用于白色聚合物的塑料焊接 飛機(jī)前方的湍流探測 泵浦摻鉺晶體 實現(xiàn)2 m范圍的激光波長 1550nm和1650nm波長磷化銦 InP 的半導(dǎo)體激光器 主要用于照明用途或紅外線干擾措施 IRCM 距離選通激光成像 總結(jié) 國內(nèi) 最近幾年高功率 高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器相關(guān)領(lǐng)域方面也取得了長足的進(jìn)步 但是在半導(dǎo)體激光器的核心部件 半導(dǎo)體激光芯片的研制和生產(chǎn)方面 一直受外延生長技術(shù) 腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制 國產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率 壽命方面較之國外先進(jìn)水平尚有較大差距 隨著LED 多節(jié)GaAs太陽能電池 紅外熱成像器等技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展 化合物半導(dǎo)體器件的外延技術(shù)和封裝技術(shù)將不斷成熟 大大促進(jìn)半導(dǎo)體激光器件的國產(chǎn)化 從而推動半導(dǎo)體激光器這一高效 節(jié)能型激光器更廣泛地運用于我國的工業(yè) 國防 科研等領(lǐng)域中 謝謝 2012年3月長春