3 大功率高光束质量半导体激光器发展现状

    　半导体激光器件功率的增大与发散角的降低促进了大功率半导体激光器光束质量的迅速提高，直接体现在光纤激光器抽运源用单波长、光纤耦合输出半导体激光模块尾纤直径的减小以及出纤功率的不断增大。目前，该类单波长光纤耦合输出半导体激光模块根据其内部采用的半导体激光器件类型及其封装形式不同可分为以下几种具体形式。

　　3.1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出

    　在出纤功率要求不高的情况下，利用单管半导体激光器件可直接耦合进入光纤获得激光输出（如图1），该结构具有体积小、成本低、寿命长、技术成熟等优点，目前国外多家半导体激光器供应商均达到8~10W/module水平。该领域国内以北京凯普林光电技术公司较为领先，单模块出纤功率与国外水平基本相当。

图1  单个单元器件直接光纤耦合输出模块

    　在出纤功率要求较高的情况下，利用多个经快轴准直镜（FAC）准直的单元器件所发出的光束，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，然后聚焦耦合进光纤。2009年，美国Nlight公司利用该结构集成14个单元器件获得了NA=0.15，105 μm芯径光纤单模块输出100 W（如图2），耦合效率71%。该类结构模块具有体积小、亮度高、寿命长等优点，但内部光学元件多，装调难度大，成本高。

图2  多个单管半导体激光器件集成光纤耦合输出模块光路结构

　　3.2 半导体激光短阵列器件集成光纤耦合输出

    　利用多个经快轴准直镜准直后的短阵列器件所发出的光束，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，然后聚焦耦合进光纤。2007年，德国DILAS公司利用该结构（如图3）获得了NA=0.22，200 μm芯径光纤单模块输出500 W，耦合效率83%。该结构模块亮度高，寿命长，但光学元件多，装调集成难度大，成本高。

图3  多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构

　　3.3 微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出

    　微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆(CM Bar Stack)输出光束经快、慢轴准直后，空间集成，快慢轴光束均匀化，然后聚焦耦合进入光纤（如图4）。目前，该结构可达NA=0.22，200μm芯径光纤单模块输出400W，该结构模块亮度较高，光学元件少，结构简单，但成本较高，而且必须采用去离子水作为冷却介质，使用维护要求高，同时由于在去离子水的侵蚀作用下微通道热沉寿命较短，如果不进行精细的冷却水管理，会导致该结构模块寿命仅为2万小时左右。

图4  多个微通道冷却半导体激光堆集成光纤耦合输出模块结构

 3.4 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出

    　多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤。目前，德国DILAS公司利用该思路获得了NA=0.22，200 μm芯径光纤单模块输出200 W；400μm芯径光纤单模块输出500 W，耦合效率约为80%。该类结构模块（如图5）尽管较其他几种结构相比亮度稍低，但具有光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等优点。

图5  多个传导热沉封装半导体激光阵列集成模块结构

    　在面向直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面，当材料加工对于半导体激光输出波长不敏感的情况下，除通过以上技术手段获得高功率高光束质量半导体激光输出外，还可通过波长合束技术与偏振合束技术，在输出光束质量不变的情况下，根据合束波长的个数而倍增输出功率。在该领域，德国的Laserline公司技术较为领先，采用微通道封装CM Bar Stack集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激光加工系统: 2000 W (BPP:20 mm?mrad)，4000 W (BPP:30 mm?mrad)，10000 W (BPP:100 mm?mrad)。国内北京工业大学激光工程研究院在半导体激光快慢轴光束质量均匀化方面获得突破，采用微通道冷却封装的CM Bar Stack集成结构于2008年获得了面向工业材料加工用的千瓦级半导体激光系统，BPP小于12 mm?mrad，超过了千瓦商用全固态激光器的光束质量。

　　4 结语与展望

    　随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高，半导体激光器功率及光束质量飞速发展，促进了直接工业用半导体激光加工系统和高功率光纤激光器的发展。目前国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出功率5000 W级别已超过灯抽运固体激光器的光束质量，在1000 W级别已超过全固态激光器的光束质量。随着化合物半导体技术的进步，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高，将进一步扩展其工业应用范围。在高功率光纤激光器抽运源方面，光纤耦合输出的功率不断上升，光纤芯径和数值孔径不断降低，导致光纤激光器的抽运亮度不断提高，同时成本却不断下降，因此未来高功率光纤激光器的输出功率与光束质量也将不断地提高。可以预计，在未来工业激光加工中，特别是在金属激光加工领域，大功率半导体激光器主要应用在激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接领域，而大功率光纤激光器主要应用在光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接领域。

    　在国内，最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步，如北京凯普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面，西安炬光科技公司在半导体激光芯片的封装方面均接近或达到了国际先进水平，北京工业大学在半导体激光器系统方面达到了国际先进水平。但是在半导体激光器的核心部件—半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口，直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下，严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用，同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。可喜的是，随着当前我国化合物半导体器件，如#p#分页标题#e#LED、多节GaAs太阳能电池、红外热成像器等技术的不断应用和发展，化合物半导体器件的外延技术和封装技术将不断成熟，这些技术应用于同是化合物半导体器件的半导体激光器，大大促进半导体激光器件的国产化，从而推动半导体激光器这一高效、节能型激光器更广泛地运用于我国的工业、国防、科研等领域中。