泵浦用大功率半導(dǎo)體激光器研制與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r

1、動(dòng)態(tài)綜述泵浦用大功率半導(dǎo)體激光器研制與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r王勇剛,馬驍宇,張洪波,劉媛媛(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京,100083摘要:詳盡地介紹了當(dāng)前可以使用半導(dǎo)體泵浦的固體激光器泵浦要求,相應(yīng)的半導(dǎo)體泵浦源的發(fā)展?fàn)顩r,存在的問(wèn)題,最后介紹了列陣和耦合兩種提高半導(dǎo)體泵浦源功率,改善其光束質(zhì)量的方法。關(guān)鍵詞:大功率;半導(dǎo)體泵浦;固體激光器中圖分類(lèi)號(hào):TN248.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10052488X(20030420250204Re s e a rch a nd D e ve lopm e nt of the High P ow e r S em iconduc to r La s e r f

2、o r P um p ing a nd Its App lica tionsW AN G Yong2gang,M A X iao2yu,ZHAN G Hong2bo,L I U Yuan2yuan (Institu te of S e m icond uctors,T he Ch inese A cad e m y of S ciences,B eij ing,100083,Ch inaAbstract:In th is article,the conditi on of sem iconducto r p um p ing sou rce,ex isting p rob lem s and

3、the requ irem en t of p um p ing fo r so lid2state lasers p um p ed w ith sem iconducto r lasers are in2 troduced in detail.W e also in troduce di ode laser array and fiber coup ling,w h ich can be u sed to increase the pow er of sem iconducto r laser and i m p rove the beam quality.Key words:h igh

4、pow er;di ode2laser2p um p ed;so lid2state laser引言1962年,第一只同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器(LD問(wèn)世,1963年,美國(guó)人紐曼就首次提出了用半導(dǎo)體作為固體激光器泵浦源的構(gòu)想,并利用GaA s二極管在865890nm的輻射激發(fā)N d:Ca2 W O4得到了1106m的熒光輸出1。當(dāng)時(shí),二極管的各項(xiàng)性能還很差,效率低,閾值高,而且只能在低溫77K下運(yùn)轉(zhuǎn)。1978年量子阱激光器概念的提出,是半導(dǎo)體激光器泵浦全固化固體激光器(D PSSL發(fā)展歷史上的一個(gè)里程碑。由于量子阱激光器的出現(xiàn),使得LD的增益系數(shù)提高,而且在室溫下閾值電流減小,線寬變窄,效率提高

5、,極大地推動(dòng)了D PSSL的發(fā)展。1985年,激光二極管泵浦N d:YA G獲得80mW、1.06m單模輸出,總效率第23卷第4期2003年12月光電子技術(shù)O PTO EL ECTRON I C T ECHNOLO GYV o l.23N o.4D ec.2003收稿日期:2003206203作者簡(jiǎn)介:王勇剛(19732,男,博士研究生。主要從事固體激光器及光纖激光器鎖模和調(diào)Q用吸收體(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡,GaA s等的研制。馬驍宇(19632,男,主任研究員。主要從事半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化研究,開(kāi)發(fā)了650nm,670nm,808nm,980 nm,1300nm、1500nm等一系列半導(dǎo)體激光器

6、產(chǎn)品。張洪波(19742,男,博士研究生。從事14xx nm泵浦激光器的研究。為8%2。1987年,橫向泵浦棒狀N d:YA G得到21W的峰值輸出3。同年,LD列陣泵浦板條N d: YA G得到峰值功率70k W的巨脈沖輸出。1997年,日本M itsub ish i E lectric公司的研究人員采用側(cè)面泵浦N d:YA G棒結(jié)構(gòu),得到了80W基模輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為2017%,電光效率為8106%4。1半導(dǎo)體激光器泵浦的激光器適合LD泵浦的激光晶體,必須具備以下三個(gè)條件:較寬的泵浦吸收帶與現(xiàn)有的大功率激光二極管的發(fā)射帶相匹配,而且吸收帶越寬,LD結(jié)溫變化對(duì)激光輸出影響越小;激活離子有較

7、長(zhǎng)的熒光壽命,亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上能積累更多的粒子,有利于儲(chǔ)能和器件的輸出功率的提高;激光晶體還要具有大的激光躍遷截面,大的晶體易實(shí)現(xiàn)激光振蕩。適合LD泵浦的晶體有幾十種,它們一般都具有銳熒光譜線、較寬的吸收帶和大的發(fā)射截面的特點(diǎn),但于具體應(yīng)用而言,必須將晶體的物理、化學(xué)、熱學(xué)和光譜學(xué)性能有機(jī)結(jié)合,綜合考慮,而不能單獨(dú)追求某一項(xiàng)性能指標(biāo),這樣才能滿(mǎn)足器件整體的穩(wěn)定性和可靠性的要求。表1列出了部分適合LD泵浦的激光晶體。表1適合LD泵浦的激光晶體Tab.1The la ser crysta ls suitable for LD pu m p i ng摻雜離子激光基質(zhì)晶體熒光壽命 s受激截面 10-19c

8、 m2 10-23c m2s吸收波長(zhǎng)p nm吸收帶寬abs nm輸出波長(zhǎng)0 nmN d3+YA G2304.510.4807.525.51064 YL F5205202.13.710.919.28067922.02.010531047 YVO49810.09.880815.71064 YA P1702.03.48081079 GSGG2841.33.728081061 GGG2402.04.88068.01061 FA P2505.012.51063 Glass3003.19.1801141062 LNA2600.41.0422.0GdVO4907.66.848082.01062Yb3+YA

9、G10800.22.1694218.01029 FA P11000.596.59052.41043 S2FA P12600.739.28993.71047C r3+L iSA F670.48670100846 L i CA F1700L iSGA F880.33670100835D PSSL從泵浦方式上可以簡(jiǎn)單地歸為兩類(lèi):端面泵浦和側(cè)面泵浦。一般認(rèn)為,在端面泵浦的結(jié)構(gòu)中,泵浦光沿晶體軸向傳播,通過(guò)整個(gè)晶體,吸收效率很高,而且利用光學(xué)器件可以很容易地將泵浦光的光束與諧振腔的振蕩模式相匹配,獲得單模輸出,斜效率可以達(dá)到70%以上5,缺點(diǎn)是由于晶體的受光截面以及晶體中熱效應(yīng)

10、的影響,很難得到大功率的激光輸出。對(duì)于側(cè)面泵浦來(lái)說(shuō),半導(dǎo)體激光器放置在晶體的周?chē)?有足夠的空間得到很高的泵浦功率,可以得到更大功率輸出,缺點(diǎn)是,泵浦光的入射方向與晶體中的光傳播方向相互垂直,泵浦光的分布與諧振腔所決定的模式分布很難達(dá)到最佳匹配,所以側(cè)面泵浦的激光器光束質(zhì)量較差。2泵浦用半導(dǎo)體激光器2.114xx波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器1480nm LD作為ED FA和R am an放大器的泵浦源在光纖通信中的作用非常重大。實(shí)際應(yīng)用中,激光器與單模光纖連接。從應(yīng)用角度出發(fā),激光器模塊應(yīng)具有以下特性:在保證單模工作的前提下152第4期王勇剛等:泵浦用大功率半導(dǎo)體激光器研制與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r輸出光功率盡量

11、大、功率消耗應(yīng)盡可能地小;同時(shí)要求具備低閾值、高效率、小發(fā)散角、高特征溫度等特點(diǎn)。通常采取的措施是:通過(guò)管芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使激光器獲得盡可能高的微分量子效率;提高激光器與單模光纖的耦合效率。從1989年開(kāi)始,人們?cè)谔岣?480nm LD特性方面做了大量工作歸納起來(lái)這些工作主要集中在三個(gè)方面:材料系的選擇,生長(zhǎng)方法的選用,管芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。三者中管芯結(jié)構(gòu)是主線。材料方面:前期工作中,相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間管芯有源區(qū)使用In2 GaA s InGaA sP,隨著應(yīng)變量子阱理論的發(fā)展和InGaA sP材料系的不斷成熟,現(xiàn)在人們都選用In2 GaA sP InGaA sP;對(duì)于這一材料系減小熱阻、降低漏電流是

12、獲得高功率的有效手段,通常此材料系的激光器采用長(zhǎng)腔(7001800m和增反、增透腔面鍍膜(HR和A R。1480nm LD材料生長(zhǎng)方法主要有L PE、M O CVD、CB E以及GS2M B E;其中M O CVD可以精確控制外延層厚度便于獲得大面積、組分均勻的外延片,適于工業(yè)化生產(chǎn),因此現(xiàn)在的工作中人們多采用此生長(zhǎng)方法。2.2980nm波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器980nm半導(dǎo)體激光器可以作為ED FA的泵浦源運(yùn)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中。980nm大功率半導(dǎo)體激光器分為有鋁(采用InGaA s GaA s A lGaA s和無(wú)鋁(采用InGaA s GaA s InGaP或InGaA s InGaA s

13、P兩種。InGaA s GaA s A lGaA s是目前的主流。InGaA s GaA S A lGaA s的特征溫度約為170K左右,工作溫度提高到200°C以上。而1480 nm激光器僅能工作在100°C左右。隨著功率的提高,帶來(lái)了高功率密度下的器件可靠性問(wèn)題。人們圍繞著InGaA s GaA s A lGaA s應(yīng)變量子阱腔面退化及腔面光學(xué)災(zāi)變損傷(Catastrop h ic op tical dam age,COD即激光器突然失效進(jìn)行了大量的研究。COD的根源是由于腔面處的光吸收引起的端面發(fā)熱損壞所致。對(duì)980nm InGaA s GaA s A l2 GaA

14、s來(lái)說(shuō),含A l導(dǎo)致在高的光功率密度下,腔面極易氧化,使用久了腔面處存在應(yīng)力釋放導(dǎo)致的帶隙收縮。現(xiàn)在發(fā)展了真空解理鍍膜,腔面鈍化處理以及無(wú)吸收鏡面的窗口結(jié)構(gòu)制備等技術(shù),有效地提高了產(chǎn)品的壽命。但是,這些技術(shù)并不容易掌握,特別是產(chǎn)品化的條件下。的增益結(jié)構(gòu),它具有一系列優(yōu)點(diǎn)。由于沒(méi)有A l氧化問(wèn)題,COD現(xiàn)象大大減輕,壽命也大大提高。Ga InP具有較好的電學(xué)和熱學(xué)特性,如電導(dǎo)率較高,熱導(dǎo)率也較高。GaA s和Ga InP之間具有很好的選擇性腐蝕,因此可以精確地控制腐蝕深度。但是,InGaA s GaA s InGaP也存在一些缺點(diǎn)。它的特征溫度小于150K。GaA s和Ga InP之間有較大的折

15、射率差,使得該激光器具有很大的垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,不利于與單模光纖的耦合。2.3808nm波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器808nm半導(dǎo)體激光器是N d:YA G固體激光器的泵源,可以利用A l x Ga1-x A s(x=0.07有源區(qū)或是約6nm的GaA s薄量子阱。高質(zhì)量的A l2 GaA s難以生長(zhǎng),存在可靠性方面的問(wèn)題,而GaA s 沒(méi)有這種可靠性的問(wèn)題,但當(dāng)大功率工作時(shí),GaA s 內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生暗線缺陷,最終受COD的影響。采用InGaA sP有源區(qū)解決了這一問(wèn)題。In原子比Ga、A l和A s原子都大,因而起到硬化晶格的作用。但是,InGaA sP GaA s材料系具有較小的禁帶不連續(xù)性,引

16、起嚴(yán)重的載流子泄露,導(dǎo)致閾值電流增大和特征溫度變低。2.4670nm波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器670nm波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器是C r3+: L iSA F,C r3+:L i CA F,C r3+:L iSGA F等固體激光器吸收峰相符的。遺憾的是,目前還沒(méi)有大功率的670nm波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器。C r3+:L iSA F, C r3+:L i CA F,C r3+:L iSGA F增益帶寬,可以實(shí)現(xiàn)20fs以下的鎖模脈沖寬度,如果實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體泵浦,將可以制成良好的全固化半導(dǎo)體泵浦用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡被動(dòng)鎖模超短脈沖激光器。目前的A l2 Ga InP激光器受所含A l的氧化問(wèn)題的影響,大功率

17、工作下壽命低,并且特征溫度也不高。3半導(dǎo)體激光器列陣單管的大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率有限,現(xiàn)在較為成熟的808nm波長(zhǎng)單管產(chǎn)品輸出功率最大不過(guò)三四瓦,因此,人們把半導(dǎo)體激光器作成列陣來(lái)增大輸出功率。激光二極管列陣分為相干列陣和不相干列陣。相干列陣的最大優(yōu)點(diǎn)是高亮度,但252光電子技術(shù)第23卷是很難實(shí)現(xiàn)高功率輸出,而非相干列陣可以作到高功率輸出。列陣的關(guān)鍵是封裝,而封裝的最重要的參數(shù)是封裝密度和熱阻,這兩個(gè)量是互相矛盾的。封裝密度的提高,指線列陣單元間距的減少,熱功率密度也相應(yīng)提高,散熱變得更困難,器件熱阻增大,這樣對(duì)器件的長(zhǎng)期工作不利。所以在封裝研究過(guò)程中,提高封裝密度的同時(shí),也要減少器件熱阻

18、。降低熱阻的方法是使用微通道制冷。對(duì)于高占空比準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)器件,微通道制冷是必須的。就比較成熟的808nm大功率半導(dǎo)體激光器列陣而言,產(chǎn)品功率已經(jīng)達(dá)到上千瓦,由數(shù)十個(gè)bar構(gòu)成,每個(gè)bar由數(shù)十個(gè)單管構(gòu)成?，F(xiàn)在出現(xiàn)了模塊化,即將激光晶體和列陣集成在一起。國(guó)內(nèi)中科院半導(dǎo)體研究所研制的808nm大功率列陣已經(jīng)形成產(chǎn)品。4半導(dǎo)體激光器光纖耦合由于大功率半導(dǎo)體激光器列陣輸出光束的遠(yuǎn)場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)以及像散的影響,使大功率激光器列陣與光纖的高效耦合成為一個(gè)較難解決的問(wèn)題。大功率半導(dǎo)體激光器列陣的輸出光束是橢圓高斯光束,用一個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)快軸和慢軸同時(shí)聚焦。大功率半導(dǎo)體激光器列陣光纖耦合器件可以解決上述

19、問(wèn)題。有兩種方法:微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法和光纖列陣耦合方法。應(yīng)用微光學(xué)系統(tǒng)耦合方法可以將大功率半導(dǎo)體激光器列陣的輸出光束耦合到單根光纖中。這樣可以用一根芯徑相對(duì)較小的光纖進(jìn)行能量傳輸,因此可以得到高亮度、高功率密度的激光輸出,缺點(diǎn)是微透鏡和微透鏡列陣的加工難度大,成本高。光纖列陣耦合方法是用一根圓柱的微透鏡對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器列陣輸出光束的快軸方向進(jìn)行壓縮,然后耦合到光纖列陣中。這種耦合方法的缺點(diǎn)是光纖束直徑較大,因此輸出激光的亮度和功率密度低,但它具有耦合系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn),因此更多地應(yīng)用在實(shí)用化的耦合系統(tǒng)中。參考文獻(xiàn)1Roger N ewm an.Excitati on of the

20、N d3+fluo rescence in Ca2WO4by recom binati on radiati on in GaA sJ.Journal of A p2 p lied Physics,1963,34(2:437.2Si pes D L.H igh ly effilient neodym ium:yttium alum i m umgarnet laser end pumped by a sem iconducto r laser arrayJ.A pp lied Physics L etters,1985,47(2:74.3H anson F.Conf L asers E lectro2Op tC.Op t Soc,Am er,W ash ington,DC1987.4Susum u Konno,Shuich i Fujikaw a,Ko ji Yasui.80W CWT E M001064nm beam gener