收稿日期:2006-12-11. 动态综述
大功率半导体激光器最新研究进展 张 靖, 刘刚明, 田 坤, 廖 柯
(重庆光电技术研究所, 重庆摘 要: 。综述了大功率半导
体激光器最新研究进展, 、、波长稳定、拓展波长范围等方面所取得的进步, , 并展望了其发展趋势。
关键词: ; 功率转换效率; 波长稳定; 扩展波长范围中图分类号:TN248. 4 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2007 02-0151-05
R ecent Progress of High Pow er Semiconductor Lasers ZHAN G Jing , L IU Gang 2ming , TIAN Kun , L IAO 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 efficiency , 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 wavelengt h range
1 引言
由于具有极高的输出功率和良好的光束质量,
在军事应用以及工业加工领域中, 二极管泵浦固态激光器已经成为主流的大功率激光器系统。作为泵浦光源, 大功率半导体激光器是上述激光器系统中的核心元件。随着研究的深入, 近年来大功率半导体激光器的性能得到了快速提升, 这在很大程度上促进了全固态激光器的发展。随着大功率半导体激光器电光功率转换效率和输出功率的提高, 人们也越来越多地尝试将其直接应用于材料加工领域中, 以达到提高稳定性、减小功率消耗和降低运行维护成本的目的。
从上世纪80年代起, 人们就开始对大功率半导体激光器进行研究。随着对其物理机制的深入了解
以及半导体工艺的革新, 特别是在材料生长技术上的突破, 大功率半导体激光器在输出功率和可靠性方面都取得了巨大进步。到2000年, 单条器件输出功率已经超过100W , 功率转换效率约为40%～60%, 寿命长达10000h 。美国国防高技术研究计
划署(DARPA 于2003年启动了超高效率半导体激光源项目(super high efficiency diode source , SH EDS , 目标是将功率转换效率提升到80%以
上。在此项目推动下, 最近3年中大功率半导体激光器的研究工作获得了显著的进步, 目前单条器件输出功率已经达到400W 以上, 功率转换效率超过70%。
本文将详细介绍近年来国外研究人员在提升大功率半导体激光器性能方面所做的研究工作, 例如:增强可靠性、提高功率转换效率、实现波长稳定以及拓展器件工作波长范围; 然后讨论大功率半导体激
?
151?《半导体光电》2007年4月第28卷第2期张 靖等:
大功率半导体激光器最新研究进展
光器直接应用于材料加工领域中所取得的进展以及发展趋势。 2 大功率半导体激光器技术进展 2. 1 增强可靠性
早期的808nm 大功率半导体激光器有源层采用接近匹配的Al GaAs 材料。尽管该材料易于生长, 但寿命实验结果显示, 采用该材料制作的器件存在长期可靠性的问题。人们通过深入研究, 发现Al GaAs :( Al GaAs 大功率工作情况下, [1];
(2 在Al GaAs 〈100〉方向借助位错攀升传播, [2]。从90年代开始, 两种新的材料被应用于大功率半导体激光器有源层中以提高可靠性, 分别是:In GaAlAs [3]和In GaAsP [4]。其中In GaAlAs 量子阱与波导层、包层之间存在较大的导带差, 对注入电子有较强的限制能力, 温度特性好; 但由于有源层中含Al , 腔面氧化对可靠性仍然有严重影响。
真空解理镀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, 但需要比较昂贵的设备。近年来, 各种腔面钝化技术被应用于大功率半导体激光器的腔面镀膜中。R. W. Lambert 等人[5]研究了不同腔面钝化技术对于可靠性的影响, 实验中采用了三种不同的钝化方法:(1 Ar 离子清洗并淀积Si 钝化层; (2 硫化处理; (3 氮化处理并淀积Si 3N 4钝化层。根据器件老化结果, 他们指出:方法(1 和方法(2 仅适合于无Al 或者低Al 含量激光
器腔面钝化, 而方法(3 可以有效延长高Al 含量激