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千瓦级940nm波段高功率准连续巴条激光器

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【摘要】:
在泵浦固态激光器和光纤激光器的需求推动下,半导体激光器在材料结构、外延方法、制备工艺等方面飞速发展,其性能水平不断取得突破性进步。  高功率半导体激光器阵列(LDA,巴条)的应用方式一般有两种:一是作为泵浦源,高功率巴条对晶体(Nd:YAG)进行抽运,形成可靠的半导体泵浦固体激光器系统;另一种是直接利用半导体激光器的激射光,通过透镜准直、线阵合束、叠阵合束等方式,半导体激光器阵列的直接输出功率可达

    在泵浦固态激光器和光纤激光器的需求推动下,半导体激光器在材料结构、外延方法、制备工艺等方面飞速发展,其性能水平不断取得突破性进步。

 

    高功率半导体激光器阵列(LDA,巴条)的应用方式一般有两种:一是作为泵浦源,高功率巴条对晶体(Nd:YAG)进行抽运,形成可靠的半导体泵浦固体激光器系统;另一种是直接利用半导体激光器的激射光,通过透镜准直、线阵合束、叠阵合束等方式,半导体激光器阵列的直接输出功率可达数千瓦。我司所研究的千瓦级940nm高功率准连续巴条激光器,目标在于提高厘米巴条的准连续输出功率至1000W以上,改变目前巴条功率、亮度偏低的现状。

 

    2014年,SPIE报道了88xnm KW级高功率巴条,采用双有源区堆叠外延集成设计,在0.28%占空比,10℃温度的测试条件下,输出功率达到1.77kW。双有源区堆叠外延集成设计,是通过一次外延生长把2个有源区垂直堆积,两个有源区pn结通过Esaki隧道结串联。采用此种设计后,理论上一个电子可以参加2次光复合,从而实现内量子效率接近200%和2倍光输出,增加激光器的斜率效率,有效地提高半导体激光器的光输出功率密度。图1为采用多有源区堆叠半导体激光器结构与原理。

 

图1多有源区堆叠半导体激光器结构

 

    要在实践上充分实现上述理论的优点,必须激光器设计和制作上满足:单层激光器高光电转化效率,低电阻的Esaki隧道结,抑制芯片横向电流扩展,高腔面COMD阈值等条件。我司研发技术团队通过解决外延结构与外延质量对巴条功率限制以提高单层有源区效率,精确控制隧道结P和N半导体重掺杂生长以形成低电阻隧道结,开发深脊型台面刻蚀工艺以实现横向电流抑制,突破高功率巴条腔面处理技术以提高腔面损伤阈值功率,取得了一系列重要技术成果。

 

    目前,我司研制的千瓦级940nm高功率准连续巴条激光器已在室温实现长脉宽准连续(≥200μs脉宽,4%占空比)kW激射,典型器件指标达到:功率1074W,效率47.4%,@电流550A。功率-电流曲线如图2。

 

图2 千瓦级940nm波段高功率准连续巴条激光器功率电压曲线

测试条件:温度20℃,脉宽200μs,频率200Hz(占空比4%)

 

    通过本研发项目的实施,我司已掌握超高功率半导体巴条激光器芯片和器件的核心关键技术,后续将通过不断研发,实现更高功率、更高效率、更高可靠性的巴条激光器。

 

 

参考文献:

[1] “High Power and High Efficiency kW 88x-nm Multi-Junction Pulsed Diode Laser Bars and Arrays”, Zhigang Chen, ect, High Power Diode Laser Technology and Applications XII, XPIE (2014).

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