2016-01-14   摘自新材料在線

導(dǎo)讀：全球半導(dǎo)體激光市場(chǎng)有望在2020年前超過(guò)76.9億美元，高功率二極管激光器在半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)中將獲得最快的增長(zhǎng)。

圖1    半導(dǎo)體激光器

      據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體激光市場(chǎng)有望在2020年前超過(guò)76.9億美元，高功率二極管激光器在半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)中將獲得最快的增長(zhǎng)，在預(yù)測(cè)周期內(nèi)的年度復(fù)合增長(zhǎng)率有望達(dá)到8.6%。同時(shí)，亞太地區(qū)將是半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)份額{zd0}和增長(zhǎng)速度最快的區(qū)域。中國(guó)、印度、韓國(guó)、日本以及澳大利亞等國(guó)家不斷發(fā)展的通信產(chǎn)業(yè)成為這一市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)因素。歐洲和北美也有望隨著該地區(qū)主要國(guó)家經(jīng)濟(jì)情況的改善，而在未來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

      半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣。由于以上諸多優(yōu)勢(shì)，半導(dǎo)體激光器在工業(yè)應(yīng)用、照明、投影、通信、醫(yī)療以及科研等領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用相當(dāng)普遍。接下來(lái)，小編將帶您簡(jiǎn)單回顧半導(dǎo)體激光器在2015年里所取得的相關(guān)進(jìn)展。

1、新型太赫茲半導(dǎo)體激光器

      加州大學(xué)洛杉磯分?？蒲腥藛T利用新方法制造出太赫茲頻率下工作的半導(dǎo)體激光器。這一突破或?qū)?lái)可用于太空探索、軍事和執(zhí)法等領(lǐng)域的新型強(qiáng)大激光器。在電磁波譜中，太赫茲的頻率范圍位于微波和紅外線之間。太赫茲波可以在不損傷被檢測(cè)物質(zhì)的前提下對(duì)塑料、服裝、半導(dǎo)體和藝術(shù)品等進(jìn)行材料分析，還可以用于分析星體的形成和行星大氣的組成。

     目前使用可見(jiàn)光的垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSEL）已經(jīng)被廣泛用于生成高能束，但是這種技術(shù)此前并不適用于太赫茲頻率范圍。加州大學(xué)洛杉磯分校的電氣工程副教授本杰明·威廉姆斯帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了{(lán)sg}可以在太赫茲頻率范圍使用的VECSEL。

     為了使VECSEL在太赫茲頻率范圍發(fā)出高能束，威廉姆斯團(tuán)隊(duì)研制出帶有一個(gè)叫做“反射陣超材料表面鏡”裝置的VECSEL。這種裝置之所以如此命名，是因?yàn)樗粋€(gè)由大量微小天線耦合激光腔組成的陣列，這樣當(dāng)太赫茲波經(jīng)過(guò)這個(gè)陣列時(shí)就“看”不到激光腔，反而會(huì)被反射回去，就像被普通的鏡子反射回去一樣。

     “把超材料表面和激光器結(jié)合起來(lái)還是{dy}次?！蓖匪贡硎?，這一方法既可以使激光器在太赫茲頻率范圍輸出更大的功率，還可以形成高質(zhì)量的激光束，而且超材料的使用可以讓科研人員對(duì)激光束進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，以生成理想的極化度、形狀和頻率等。

2、全球{sk}連續(xù)波高功率藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光器

     10月，松下公司宣布已研發(fā)出一種藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光器，其工作輸出功率為4.5瓦，即使在激光器的{zd0}工作溫度(60℃)下，其輸出功率也能達(dá)到傳統(tǒng)激光器的1.5倍。該激光器還可以實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的激光諧振，其轉(zhuǎn)換效率是傳統(tǒng)激光器的1.2倍。松下{dywe}的雙面熱流封裝技術(shù)使其成為可能，該技術(shù)可以改善散熱。這一新開(kāi)發(fā)的激光器將有助于讓激光應(yīng)用系統(tǒng)更加小巧且功耗更低，比如汽車和工業(yè)照明以及激光加工設(shè)備。

     通常，半導(dǎo)體激光器的輸出功率會(huì)隨著激光器芯片溫度的上升而下降。此外，由于溫度是激光器可靠性的決定因素（這是因?yàn)榧す馄鞯墓δ芸煽啃匀Q于激光器芯片溫度），因此可用于實(shí)際應(yīng)用的實(shí)際光輸出受到激光器芯片溫度限制。傳統(tǒng)藍(lán)紫光激光器僅從激光器芯片的一面散熱，導(dǎo)致激光器芯片溫度上升并將功率輸出限制在大約3瓦。需要幾十瓦的功率輸出的激光系統(tǒng)將需要大量激光器，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量并且需要更大的散熱器。為了解決這一難題，單個(gè)激光器需要更高的效率和更大的輸出。

     新研發(fā)的雙面熱流封裝技術(shù)可以抑制激光器芯片的溫度上升，從而保證激光束輸出。由此還可以避免發(fā)熱導(dǎo)致的激光束輸出的下降，實(shí)現(xiàn)高輸出、高效率運(yùn)行。因此，在使用多個(gè)激光器的激光系統(tǒng)中，激光器的數(shù)量可以減少至傳統(tǒng)激光器的三分之二。此外，由于散熱器的尺寸可以減小，因此系統(tǒng)本身可以更小巧、更輕質(zhì)。

3、單bar500W峰值功率高占空比微通道水冷疊陣

     8月，西安炬光科技股份有限公司拓展了FocusEngine水冷垂直疊陣系列的單bar功率范圍。{zx1}的微通道水冷疊陣單bar產(chǎn)品峰值功率由原來(lái)的300W拓展到500W，可以在高達(dá)10%的QCW高占空比模式下工作，每個(gè)產(chǎn)品的厚度最薄可到1.6mm。同原有單bar產(chǎn)品一樣，該產(chǎn)品仍然可以組成2~40Bar的垂直疊陣，從而使得疊陣的整體峰值功率更高，體積更小，輸出功率密度更大。在目前全世界范圍內(nèi)公開(kāi)報(bào)導(dǎo)可批量生產(chǎn)的高功率半導(dǎo)體激光器中，該產(chǎn)品的單Bar峰值功率是{zg}的。 優(yōu)化了該產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了芯片的無(wú)缺陷鍵合工藝技術(shù)，使產(chǎn)品的散熱能力、熱應(yīng)力及性能一致性都得到顯著的提高。

     相比于傳導(dǎo)冷卻封裝的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，在高能量輸出的情況下，該微通道水冷的產(chǎn)品由于散熱距離更短，能通過(guò)控制水冷溫度更加有效地控制激光波長(zhǎng)，激光器在不同環(huán)境溫度、不同電流、不同占空比情況下工作時(shí)，波長(zhǎng)更穩(wěn)定、偏移量更小、偏移量的一致性也更好。這一點(diǎn)對(duì)于固體激光器的實(shí)用性來(lái)說(shuō)非常有利圖2為該系列產(chǎn)品組裝后的疊陣產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于固體激光器泵浦和科研等領(lǐng)域，特別是可作為板條激光器的泵浦光源。使用該產(chǎn)品，可以使泵浦源的功率更高、功率密度更大、體積更小，使得固體激光器系統(tǒng)可以做得功率更大、體積更小、成本更低。

4、638nm紅色大功率半導(dǎo)體激光器

     三菱電機(jī)株式會(huì)社推出了一款使用脈沖光可作為投影儀光源的紅色大功率半導(dǎo)體激光器"ML562G84"，該激光器可發(fā)出波長(zhǎng)638nm（納米）的鮮艷紅光，實(shí)現(xiàn)了世界{zd0}的2.5W脈沖驅(qū)動(dòng)出光功率。該產(chǎn)品將有助于實(shí)現(xiàn)高紅光再現(xiàn)性、低功耗的脈沖光投影儀的商用化。新產(chǎn)品的特點(diǎn)：1．通過(guò)改變激光器管芯的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了638nm波長(zhǎng)，2.5W脈沖驅(qū)動(dòng)出光功率；2．通過(guò)改變封裝，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界{dj0}水平的超寬工作溫度范圍。

5、808nm系列光纖激光泵浦模塊

     II-VI公司發(fā)布了其下一代808nm多模高功率激光二極管單發(fā)射器系列產(chǎn)品。該808nm激光二極管單發(fā)射器通過(guò)優(yōu)化芯片，實(shí)現(xiàn)超過(guò)10W功率輸出，具有高可靠性及高效率特點(diǎn)，可作為下一代高功率光纖激光器耦合模塊，用于泵浦材料加工及醫(yī)療應(yīng)用激光器。808nm系列其他產(chǎn)品，在同樣的尺寸及光纖配置（200μm光纖/0.22NA）下，可實(shí)現(xiàn)15W到30W的功率輸出，滿足多種應(yīng)用需求。

6、峰值功率2千瓦半導(dǎo)體激光器

     超高能量激光器是基礎(chǔ)科學(xué)的工具，用于新興醫(yī)療，尤其用于激光誘導(dǎo)聚變。該系統(tǒng)需要的二極管激光器不僅具有能力，而且可以低成本大批量制造。具體來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)范圍930-970納米的二極管激光器棒是大型激光裝置中鐿摻雜晶體泵浦源的基本構(gòu)建塊，其產(chǎn)生的光脈沖峰值能量達(dá)到拍瓦（1015瓦）級(jí)和脈沖寬度為皮秒（10-12秒）。這些泵浦源的單個(gè)激光棒典型輸出功率為300-500瓦。

     作為低溫激光項(xiàng)目的一部分，F(xiàn)BH目前在優(yōu)化必要設(shè)計(jì)和技術(shù)，此方向由德國(guó)萊布尼茨協(xié)會(huì)資助。如果每個(gè)光子的成本下降，必將生成更高的光功率密度，從而減少所需材料數(shù)量。轉(zhuǎn)換效率也必須顯著提高以增強(qiáng)系統(tǒng)效率。低溫激光采用新穎設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)（-70℃=203K）溫度下優(yōu)化運(yùn)行，在此低溫下可大幅度提高二極管激光器的性能。

     依賴于外延設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)進(jìn)展，在-70℃（203K）溫度下FBH的激光棒發(fā)光波長(zhǎng)在940納米附近，輸出峰值功率2千瓦，每棒電流2千安，脈沖寬度200微秒，重復(fù)頻率10赫茲（相應(yīng)脈沖能量為0.4焦耳）。峰值功率受到{zd0}可用電流的限制。到目前為止，這種功率只能通過(guò)至少4個(gè)激光棒的光束組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出功率1千瓦時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為65%，輸出功率2千瓦時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為56%。這樣的激光棒將在未來(lái)高能量激光設(shè)施發(fā)揮重要作用。目前該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步提高激光棒轉(zhuǎn)換效率。

     FBH負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)低溫激光項(xiàng)目的全價(jià)值鏈，從設(shè)計(jì)到{dy}個(gè)原型構(gòu)建。正在評(píng)估的最終泵浦源可用于高能級(jí)二極管泵浦固體激光系統(tǒng)，由美國(guó)的LIFE和歐盟的歐洲高功率激光能源研究所（HiPER）現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。項(xiàng)目合作伙伴包括美國(guó)勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)科學(xué)與技術(shù)設(shè)施理事會(huì)（STFC）盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室。

7、藍(lán)光可視光半導(dǎo)體激光系統(tǒng)

     在450nm這一全新的波長(zhǎng)范圍，德國(guó)DILAS的這款COMPACT系統(tǒng)依舊保證了高效的輸出功率及高亮度的光束質(zhì)量，產(chǎn)品{zd0}輸出功率達(dá)25W，采用光纖芯徑為200μm或400μm，數(shù)值孔徑0.22的光纖。德國(guó)DILAS的COMPACT系列產(chǎn)品一直以便于集成，方便使用，設(shè)計(jì)緊湊及多功能操作等優(yōu)點(diǎn)，一直受到用戶的好評(píng)。這款系統(tǒng)配備了標(biāo)準(zhǔn)的操作界面，用于外部控制，且采用了德國(guó)DILAS的被動(dòng)冷卻技術(shù)，使系統(tǒng)不再需要去離子水冷卻。德國(guó)DILAS同時(shí)為這套系統(tǒng)提供了19英寸的機(jī)架式冷卻單元及各種長(zhǎng)度的光纖。

     與此同時(shí)，450nm模塊的輸出功率可以擴(kuò)展至100W。應(yīng)用領(lǐng)域包括照射磷光發(fā)光材料以獲取白光照明或者被稱為“紅色材料處理”的金銅材料加工。此外，固體激光器泵浦領(lǐng)域的研究也在持續(xù)中。譬如在波長(zhǎng)444nm處泵浦摻鈦藍(lán)寶石激光器的泵浦或者摻鐠激光器。

8、{sg}可直接兼容硅芯片的鍺錫半導(dǎo)體激光器

     來(lái)自尤里希旗下“皮特格林貝格研究所”(PGI-9)和“保羅謝勒研究所”(Paul Scherrer Institute)的科學(xué)家們已經(jīng)用鍺和錫制成了實(shí)驗(yàn)用的附件，并且在硅晶片上進(jìn)行了測(cè)試。保羅謝勒研究所在測(cè)定之后發(fā)現(xiàn)，鍺錫化合物可以同時(shí)產(chǎn)生和放大激光信號(hào)，而且錫元素對(duì)這種新設(shè)備的光學(xué)性能顯得非常重要。

     PGI-9博士生Stephen Wirths補(bǔ)充道：“高含錫量決定了它的光學(xué)性能，這是我們首次在晶格中摻入了超過(guò)10%的錫而沒(méi)有損失其光學(xué)品質(zhì)”。

     目前電子系統(tǒng)中所使用的半導(dǎo)體激光器，主要由元素周期表中的第三族或第五族元素所組成，比如砷化鎵。也正因?yàn)槿绱?，由這些材料制成的激光器無(wú)法與其它硅基半導(dǎo)體裝置直接兼容(不僅困難，而且費(fèi)力)。此外，由于其連接材料擁有不同的系數(shù)，裝置的使用壽命也會(huì)有所降低。

     PGI-9博士Dan Buca表示：“這款激光裝置可以在有史以來(lái)的{zd1}溫下工作(零下183攝氏度/零下297.4華氏度)”。相信這款測(cè)試系統(tǒng)在優(yōu)化之后，還會(huì)帶來(lái)更加優(yōu)異的性能表現(xiàn)。

此外，同步電路的時(shí)鐘信號(hào)可使用高達(dá)30%的能量，這樣可以在光傳輸過(guò)程中節(jié)省大量能量。

9、新型電泵浦半導(dǎo)體激光器

     耶魯大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新型半導(dǎo)體激光器有望顯著提高下一代高科技顯微鏡、激光投影儀、光刻、全息攝影和生物醫(yī)學(xué)成像的圖像質(zhì)量?；诨煦缈涨患す饧夹g(shù)，該技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)激光器的高亮度優(yōu)點(diǎn)和發(fā)光二極管（LEDs）的低圖像損毀性優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，尋求高速、全景成像應(yīng)用所需的更好光源，已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

     研究論文的共同作者、應(yīng)用物理學(xué)與物理學(xué)教授A. Douglas Stone說(shuō)道：“許多基礎(chǔ)研究最終都發(fā)展為有社會(huì)價(jià)值的重大發(fā)明，混沌空腔激光技術(shù)就是其中一個(gè)。此前，所有基礎(chǔ)工作主要是為了了解尚未投入應(yīng)用的激光類別——隨機(jī)激光和混沌激光。最終，通過(guò)相關(guān)學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，我們發(fā)現(xiàn)這些激光正好可以解決成像和顯微鏡方面的很多問(wèn)題?！?

     在這些問(wèn)題中有一個(gè)被稱為“散斑”（speckle)，是一種隨機(jī)的、粒狀的圖案，由較高的空間相干性（high spatial coherence）引起。在傳統(tǒng)激光器中，較高的空間相干性會(huì)嚴(yán)重影響成像效果。一種避免散斑的方法是使用LED光源，但對(duì)于高速成像來(lái)說(shuō)，LED光源的亮度不夠。這種新型的電泵浦半導(dǎo)體激光器提供了一種不同的解決方案，在產(chǎn)生強(qiáng)烈光發(fā)射的同時(shí)，具有很低的空間相干性。

     “對(duì)于全景成像，散斑的對(duì)比度應(yīng)該低于4%，這樣才能避免對(duì)人們的觀察產(chǎn)生干擾?！痹撜撐牡耐ㄓ嵶髡?、應(yīng)用物理學(xué)教授Hui Cao說(shuō)道，“正如我們文章中展示的那樣，標(biāo)準(zhǔn)邊射型激光器產(chǎn)生的散斑對(duì)比度高達(dá)50%，而我們的激光器的散斑對(duì)比度只有3%左右。所以這種新型激光器wqxc了全景成像中所遇到的問(wèn)題?！?

該論文的共同作者、放射診斷和生理醫(yī)學(xué)助理教授Michael A. Choma說(shuō)：“激光散斑是將激光應(yīng)用于臨床診斷的最主要的障礙，我們開(kāi)發(fā)這種無(wú)散斑的激光器是極有意義的，而考慮將這一技術(shù)應(yīng)用到臨床診斷，開(kāi)發(fā)出一種新的臨床診斷方法也是很令人興奮的?！?

10、高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器DF系列

     “在工業(yè)化的激光材料加工領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用非常廣泛，比如在汽車產(chǎn)業(yè)等特定市場(chǎng)中具有潛力的激光釬焊、激光熔覆及激光硬化”，ROFIN中國(guó)公司總經(jīng)理彭元璋先生解釋道，“除了板條式CO2激光器及光纖激光器兩款成功產(chǎn)品以外，我們將進(jìn)一步擴(kuò)大激光產(chǎn)品范疇，以更好地滿足高功率材料加工領(lǐng)域客戶的各種需求。光纖耦合半導(dǎo)體激光器可謂是我們產(chǎn)品系列中的珍貴一筆，同時(shí)也鞏固了ROFIN作為全球擁有最完整激光產(chǎn)品線的企業(yè)，在材料加工領(lǐng)域的{lx1}地位。”

     準(zhǔn)“平頂”模態(tài)能量密度分布使得全新半導(dǎo)體激光器可生成高效、平滑的射束輪廓，從而成為激光釬焊、激光熔覆以及激光表面處理的理想工具。DF060HP激光器的模塊化設(shè)計(jì)確保了功率的可擴(kuò)展性和運(yùn)行的高可靠性。此外，標(biāo)準(zhǔn)化的用戶接口以及遠(yuǎn)程診斷功能更使其具備了{(lán)zj0}的可操作性。

     這套系統(tǒng)裝有內(nèi)部/集成冷卻裝置。對(duì)于一些熱應(yīng)用比如激光硬化、熔覆、釬焊而言，可采用多波長(zhǎng)設(shè)置，而對(duì)于一些特定應(yīng)用，也可根據(jù)客戶需求采用單波長(zhǎng)配置。

     得益于ROFIN模塊化的生產(chǎn)概念以及在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域所積累的資深經(jīng)驗(yàn)，全新系列的光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)確保了{(lán)zg}的加工質(zhì)量，并且wq符合工業(yè)質(zhì)量要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。憑借其緊湊、易于集成以及多樣的可選功能，DF半導(dǎo)體激光系列給予工業(yè)生產(chǎn)線{zd0}的靈活性和{zg}效的

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