大功率半導(dǎo)體激光器最新研究進展_圖文

1、收稿日期:2006-12-11.動態(tài)綜述大功率半導(dǎo)體激光器最新研究進展張靖, 劉剛明, 田坤, 廖柯(重慶光電技術(shù)研究所, 重慶摘要:。綜述了大功率半導(dǎo)體激光器最新研究進展, 、波長穩(wěn)定、拓展波長范圍等方面所取得的進步, , 并展望了其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:; 功率轉(zhuǎn)換效率; 波長穩(wěn)定; 擴展波長范圍中圖分類號:TN248. 4文獻標識碼:A 文章編號:1001-5868(2007 02-0151-05R ecent Progress of High Pow er Semiconductor LasersZHAN G Jing , L IU Gang 2ming , TIAN Kun , L IA

2、O Ke(Chongqing Optoelectronics R esearch Institute ,Chongqing 400060,CHN Abstract :High power semiconductor lasers have broad applications in t he fields of military and indust ry. The recent progress of high power semiconductor lasers are reviewed wit h focusing on reliability , power conversion ef

3、ficiency , wavelengt h stabilization and extended wavelengt h range. Direct applications of high power semiconductor lasers in t he field of material p rocessing are introduced.K ey w ords :high power semiconductor lasers ; power conversion efficiency ; wavelengt h stabilizatio n ; extended waveleng

4、t h range1引言由于具有極高的輸出功率和良好的光束質(zhì)量,在軍事應(yīng)用以及工業(yè)加工領(lǐng)域中, 二極管泵浦固態(tài)激光器已經(jīng)成為主流的大功率激光器系統(tǒng)。作為泵浦光源, 大功率半導(dǎo)體激光器是上述激光器系統(tǒng)中的核心元件。隨著研究的深入, 近年來大功率半導(dǎo)體激光器的性能得到了快速提升, 這在很大程度上促進了全固態(tài)激光器的發(fā)展。隨著大功率半導(dǎo)體激光器電光功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的提高, 人們也越來越多地嘗試將其直接應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域中, 以達到提高穩(wěn)定性、減小功率消耗和降低運行維護成本的目的。從上世紀80年代起, 人們就開始對大功率半導(dǎo)體激光器進行研究。隨著對其物理機制的深入了解以及半導(dǎo)體工藝的革新, 特別

5、是在材料生長技術(shù)上的突破, 大功率半導(dǎo)體激光器在輸出功率和可靠性方面都取得了巨大進步。到2000年, 單條器件輸出功率已經(jīng)超過100W , 功率轉(zhuǎn)換效率約為40%60%, 壽命長達10000h 。美國國防高技術(shù)研究計劃署(DARPA 于2003年啟動了超高效率半導(dǎo)體激光源項目(super high efficiency diode source , SH EDS , 目標是將功率轉(zhuǎn)換效率提升到80%以上。在此項目推動下, 最近3年中大功率半導(dǎo)體激光器的研究工作獲得了顯著的進步, 目前單條器件輸出功率已經(jīng)達到400W 以上, 功率轉(zhuǎn)換效率超過70%。本文將詳細介紹近年來國外研究人員在提升大功率半

6、導(dǎo)體激光器性能方面所做的研究工作, 例如:增強可靠性、提高功率轉(zhuǎn)換效率、實現(xiàn)波長穩(wěn)定以及拓展器件工作波長范圍; 然后討論大功率半導(dǎo)體激151半導(dǎo)體光電2007年4月第28卷第2期張靖等: 大功率半導(dǎo)體激光器最新研究進展光器直接應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域中所取得的進展以及發(fā)展趨勢。2大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)進展2. 1增強可靠性早期的808nm 大功率半導(dǎo)體激光器有源層采用接近匹配的Al GaAs 材料。盡管該材料易于生長, 但壽命實驗結(jié)果顯示, 采用該材料制作的器件存在長期可靠性的問題。人們通過深入研究, 發(fā)現(xiàn)Al GaAs :( Al GaAs 大功率工作情況下, 1;(2 在Al GaAs 100方

7、向借助位錯攀升傳播, 2。從90年代開始, 兩種新的材料被應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器有源層中以提高可靠性, 分別是:In GaAlAs 3和In GaAsP 4。其中In GaAlAs 量子阱與波導(dǎo)層、包層之間存在較大的導(dǎo)帶差, 對注入電子有較強的限制能力, 溫度特性好; 但由于有源層中含Al , 腔面氧化對可靠性仍然有嚴重影響。真空解理鍍膜方法可以有效抑制腔面的氧化, 提高含Al 激光器的可靠性, 但需要比較昂貴的設(shè)備。近年來, 各種腔面鈍化技術(shù)被應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器的腔面鍍膜中。R. W. Lambert 等人5研究了不同腔面鈍化技術(shù)對于可靠性的影響, 實驗中采用了三種不同的鈍化方法:(

8、1 Ar 離子清洗并淀積Si 鈍化層; (2 硫化處理; (3 氮化處理并淀積Si 3N 4鈍化層。根據(jù)器件老化結(jié)果, 他們指出:方法(1 和方法(2 僅適合于無Al 或者低Al 含量激光器腔面鈍化, 而方法(3 可以有效延長高Al 含量激光器的壽命。C. Silfveniu 等人6利用俱生氮化物離子束外延方法(native nitride ion beam epitaxy , N 2IB E 進行腔面鈍化處理。該方法使用氮離子對解理腔面進行清洗和離子注入, 注入的氮離子與腔面懸鍵結(jié)合, 生成InN 、GaN 、AlN 等寬帶隙表層, 在降低表面態(tài)的同時減少了腔面吸收, 有利于增強高溫大電流注

9、入下激光器的可靠性。圖1是采用N 2IB E 工藝的激光器與僅使用增透/反射鍍膜的激光器在加速老化實驗中功率變化的比較。實驗結(jié)果顯示, 在90結(jié)溫和6080W 輸出功率工作情況下, 利用該鈍化方法制備的805nm 激光器每1000h 的功率變化小于0. 1%, 器件有很好的可靠性 。圖1N 2IB /反射鍍膜的大功率激大功率半導(dǎo)體激光器工作時的p n 結(jié)溫度對激光器性能影響很大:閾值電流隨溫度升高呈指數(shù)上升, 斜率效率隨溫度升高呈指數(shù)下降, 壽命隨溫度升高呈指數(shù)衰減。激光器p n 結(jié)溫度由工作過程中產(chǎn)生的熱量決定。例如一個功率轉(zhuǎn)換效率為50%的單條激光器, 如果輸出100W 光功率, 則相應(yīng)地

10、將有100W 電功率以熱損耗的形式散失。為了維持激光器工作在正常的p n 結(jié)溫度, 需要有效地移除熱損耗, 目前一個典型的制冷系統(tǒng)需要消耗3倍以上的能量來有效散熱。因此, 提高激光器的功率轉(zhuǎn)換效率對于降低散熱系統(tǒng)能耗、提高激光器光電特性以及延長激光器壽命非常重要。Alfalight 公司的R. Williamson 和M. Kanskar 研究了轉(zhuǎn)換效率為50%的970nm 單條大功率半導(dǎo)體激光器的能量消耗情況7, 指出工作過程中產(chǎn)生的多余熱量主要由以下幾個方面構(gòu)成:(1 閾值以下消耗, 這部分能量用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 也包括一部分非輻射復(fù)合過程, 約占總體消耗的6%; (2 載流子溢出消耗,

11、 電子和空穴不能有效地在量子阱中復(fù)合, 約占總體消耗的8%; (3 焦耳熱消耗, 由串聯(lián)的接觸電阻和體電阻決定, 約占總體消耗的16%; (4 內(nèi)建電場消耗, 由于異質(zhì)結(jié)材料界面處能帶不完全對準產(chǎn)生內(nèi)建電場, 約占總體消耗的6%; (5 吸收和散射消耗, 包括波導(dǎo)散射、自由載流子吸收等因素, 約占總體消耗的14%。大功率半導(dǎo)體激光器工作中能量消耗比例如圖2所示。半導(dǎo)體激光器的最大功率轉(zhuǎn)換效率可以由下式表示:p , max =ext V1-2s I th /V 0可以看到, 為了提高功率轉(zhuǎn)換效率, 應(yīng)當增加輸出斜率效率ext , 減小串聯(lián)電阻R s 、閾值電流I th 以及內(nèi)建電場V 0。從激光

12、器結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮, 量子阱層引251 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 28No. 2Apr. 2007 入應(yīng)變可以降低閾值電流; 提高溫度穩(wěn)定性可以在較高工作結(jié)溫下保證高的斜率效率; 優(yōu)化摻雜形貌可以減小串聯(lián)電阻和內(nèi)建電場; 優(yōu)化光限制因子可以減少自由載流子吸收, 從而減小閾值電流和提高斜率效率。M. Kanskar 等人8優(yōu)化了970nm 激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計, 通過細致調(diào)整摻雜形貌, 他們在10熱沉溫度下獲得了73%的功率轉(zhuǎn)換效率。P. Crump 等人9也制備了10熱沉溫度下功率轉(zhuǎn)換效率達到76%的975nm 大功率半導(dǎo)體激光器, 該器件-50

13、低溫工作條件下, 85%。 圖2大功率半導(dǎo)體激光器工作能量消耗示意圖2. 3波長穩(wěn)定 某些全固態(tài)激光器(例如鉺鐿共摻Y(jié)A G 激光器 要求泵浦源有很好的波長穩(wěn)定性以及較窄的譜線寬度。FP 腔結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體激光器通常具有約23nm 的譜線寬度, 峰值波長隨溫度變化系數(shù)約為0. 3nm/K , 不能滿足上述應(yīng)用要求。近年來, 研究人員采用多種方式將光柵引入激光器結(jié)構(gòu)中, 成功地實現(xiàn)了波長穩(wěn)定和譜寬壓縮。根據(jù)光柵在激光器結(jié)構(gòu)中的位置, 這些方式可劃分為兩類:光柵獨立于激光器管芯的外腔結(jié)構(gòu), 例如使用體Bragg 光柵(volume Bragg grating ,VB G 的外腔激光器; 光柵刻寫

14、于激光器管芯上的內(nèi)置結(jié)構(gòu), 例如分布Bragg 反射(DBR 激光器。2. 3. 1使用VB G 的外腔結(jié)構(gòu) 體Bragg 光柵是在光敏玻璃材料中形成的折射率周期變化的多層平面結(jié)構(gòu), 可以通過全息曝光方法寫入, 它對光柵周期確定的波長具有反射濾波作用。B. L. Volodin 等人10將體Bragg 光柵作為波長穩(wěn)定元件引入到激光器中形成外腔結(jié)構(gòu), 如圖3所示, 其中微透鏡用來實現(xiàn)光束的快軸準直。使用該外腔結(jié)構(gòu)制作的大功率半導(dǎo)體激光器, 譜線寬度約為0. 20. 4nm , 峰值波長隨溫度變化系數(shù)約為0. 01nm/K。2公司的R. M. Lammert 等人11使用具有DBR 的表面發(fā)射結(jié)

15、構(gòu)實現(xiàn)波長穩(wěn)定, 如圖4所示。在該結(jié)構(gòu)中, 激光器后端面的DBR 反射器是利用全息干涉曝光方法制作的, 具有波長選擇功能, 用來實現(xiàn)波長穩(wěn)定和譜寬壓縮。激光器腔處于水平方向, 通過濕法腐蝕形成的45°角全反射鏡將激光導(dǎo)引到垂直表面發(fā)射。該結(jié)構(gòu)的一個巨大優(yōu)勢是可以使用標準半導(dǎo)體工藝制備大功率激光器二維陣列, 無需復(fù)雜的解理、鍍膜、測試、組裝過程, 同時二維陣列可以使用一個具有良好可靠性的大通道水冷熱沉散熱, 減輕了致冷器失效導(dǎo)致的可靠性問題。采用該結(jié)構(gòu)制作的大功率激光器陣列譜線寬度為0. 9nm , 峰值波長隨溫度變化系數(shù)為0. 08nm/K 。使用10×22的二維表面發(fā)射激

16、光器列陣, Quintessence 公司獲得了300W 的輸出光功率, 其電流2功率特性如圖5所示, 最大輸出功率受到熱飽和限制。圖4具有內(nèi)置分布反射Bragg光柵的表面發(fā)射激光器圖510×22二維表面發(fā)射激光器陣列的電流2功率特性351 2. 4拓展工作波長范圍大功率半導(dǎo)體激光器早期主要應(yīng)用于固態(tài)泵浦激光器中, 波長集中在7801064nm 。近年來, 研究人員利用不同材料體系開發(fā)大功率半導(dǎo)體激光器, 將其工作波長范圍擴展到660nm 可見光至2m 紅外區(qū)域, 以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。nlight 公司的P. Crump 等人12研制了660nm 的大功率激光器。該波長激光器采用

17、Al Ga InP/GaAs 材料, 波導(dǎo)層對載流子限制作用弱, 具有溫度特性差的固有缺點。微通道制冷器進行散熱, 660nm 301. 5mm 腔長, 在10,1cm 單條出光功率達到90W 。D. Garbuzov 等人13報道了該公司對1450nm 大功率半導(dǎo)體激光器的研發(fā)工作。該激光器采用溫度特性較差的In GaAsP/InP 材料, 在大電流注入下斜率效率的降低決定了最大輸出功率。他們使用了2. 5mm 的激光器腔長以提高溫度特性, 并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少激光器內(nèi)損耗。他們研制的單條器件獲得了38W 光輸出, 功率轉(zhuǎn)換效率為29. 5%。P. Crump 等人14還研制了1900nm 的

18、大功率激光器。該波長激光器采用大應(yīng)變的In GaAs/InP 材料, 生長上需嚴格控制以防止晶格弛豫形成缺陷。為了減少Auger 復(fù)合影響,Crump 等人優(yōu)化了激光器結(jié)構(gòu)以達到最低的閾值電流, 并使用高性能熱沉實現(xiàn)良好的散熱。研制的1900nm 大功率激光器單條器件具有20%的填充因子和1mm 腔長, 在5熱沉溫度下,1cm 單條出光功率達到23. 5W 。圖6顯示了nlight 公司研制的不同波長單條大功率激光器輸出功率、功率轉(zhuǎn)換效率隨波長的變化關(guān)系。可以看到, 高的功率轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)于大的輸出功率。圖6峰值輸出功率、功率轉(zhuǎn)換效率與波長的關(guān)系曲線3大功率半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用大功率半導(dǎo)體激光

19、器具有功率轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好、尺寸小等諸多優(yōu)點, 可以被直接應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域。近年來, 人們在此方面進行了大量的研究工作。Nuvonyx 公司的J. 等人15討論了該(high , 在淬火、焊接、圖。在淬火應(yīng)用中, HPDDL 取代Nd YA G 激光器, 經(jīng)過幾個月的試運行, H PDDL 顯示出了四點明顯優(yōu)勢:(1 低的安裝成本, 僅花費一天時間完成安裝; (2 高穩(wěn)定性和低維護費用, 正常運行時間超過99%; (3 產(chǎn)能顯著提高, 一個生產(chǎn)周期時間縮短10%25%; (4 低的運行成本, 功耗低于Nd YA G 激光器的5%。在焊接應(yīng)用中, 相對于傳統(tǒng)的金屬惰性氣體弧焊(metal

20、inert gas arc welding 而言, HPDDL 引起的材料變形較小, 焊接后處理所需要的工作量減少了30%; 在圖形去除應(yīng)用中, H PDDL 采用脈沖工作方式, 在清除表面圖案的同時有效防止了基底材料遭到破壞。相對于目前材料加工領(lǐng)域中普遍使用的CO 2激光器、Nd YA G 激光器而言, 目前大功率半導(dǎo)體激光器的主要缺點是光束質(zhì)量較差, 尚不能滿足對光束質(zhì)量有嚴格要求的加工應(yīng)用。F. G. Bachmann 16詳細討論了光束質(zhì)量與輸出功率之間的關(guān)系, 并指出:在大功率半導(dǎo)體激光器堆疊陣列中, 隨著激光器條數(shù)的增加, 表征光束質(zhì)量的束腰半徑與發(fā)散角乘積線性上升, 光束質(zhì)量下降

21、。他提出通過波長復(fù)用方式提升大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率, 并同時保證光束質(zhì)量。圖7給出了堆疊陣列中光束質(zhì)量與輸出功率之間的關(guān)系, 以及目前大功率半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用領(lǐng)域。 圖7大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量與輸出功率關(guān)系以及目前的應(yīng)用領(lǐng)域451 大功率半導(dǎo)體激光器以單條為基本單位, 可以被靈活地裝配成各種幾何形狀, 例如環(huán)形、矩形、長線形, 這是目前其他激光器例如CO 2、Nd YA G 難以甚至無法做到的。在直接應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域中時, 根據(jù)用戶需求靈活配置單條激光器以形成特定的模塊, 將成為大功率半導(dǎo)體激光器的一個重要發(fā)展方向。4結(jié)束語近年來, 大的進步:大幅度提高; 70%以上; 穩(wěn)定;

22、 660nm 到2m 的整個區(qū)域。除了作為固態(tài)激光器泵浦源以外, 大功率半導(dǎo)體激光器也被直接使用于材料加工領(lǐng)域中, 并在降低成本、提高產(chǎn)能、增強穩(wěn)定性等方面顯示出優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見, 隨著輸出功率的提高和光束質(zhì)量的改善, 大功率半導(dǎo)體激光器將會在材料加工領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用, 根據(jù)用戶需求, 模塊化配置將成為一個重要發(fā)展方向。參考文獻:1Tomm J W , Thamm E , B rwolff A , et al. Facetdegradation of high 2power diode laser arraysJ.Appl. Phys. A :MaterialsScience &P

23、rocessing ,2000,70(4 :3772381.2Waters R G ,Bour D P , Yellen S L ,et al. Inhibited dark 2line defect formation in strained In GaAs/Al GaAs quantum well lasersJ.IEEE Photon. Technol. Lett. , 1990,2(8 :5312533.3Qu Y , Yuan S ,Liu C Y ,et al. High 2power InAl G aAs/G aAs and Al G aAs/G aAs semiconducto

24、r laser arrays emitting at 808nm J.IEEE Photon. Technol. Lett. , 2004,16(2 :3892391. 4AsonenH , Aarik J , SalokatveA , etal. Highperformance laser diode bars with aluminum 2f ree active regionsJ.Optics Express ,1999,4(1 :3211.5Lambert R W , Ayling T , Hendry A F , et al. Facet 2passivation processes

25、 for the improvement of Al 2containing semiconductor laser diodesJ.J. Lightwave Technol. ,2006,24(2 :9562961.6Silfvenius C ,Blixt P ,Lindstr m C ,et al. High COMD ,nitridized InAl G aAs laser facets for high reliability ,50W bar operation at 805nmJ.Proc. SPIE ,2004,5336:1312143.7Williamson R , Kansk

26、ar M. Improving the efficiency ofhigh 2power diode lasersJ.Compound Semiconductor , 2004,J uly.8M , Earles T J , et al. 73%CW50W f rom 970nm diode .Lett. ,2005,41(5 :2262227. , GrimshawM , Wang J. 85%Powerconversion efficiency 975nm broad area diode lasers at -50,76%at 10C.CL EO ,2006,J WB24. 10Volodin B L , Dolgy S V , Melnik E D , et al.Wavelength stabilization and spectrum narrowing of high 2power multimode laser diodes and arrays by use of volume Bragg gratings J.Optics Lett. ,2004,29(16 :189121893.11Lammert R