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千瓦-万瓦级半导体激光器的发展现状和挑战

企业荣誉 / 2024-02-19 05:56

本文摘要:随着输出功率、转化成效率、可靠性和生产工艺的提升以及成本的减少,半导体激光器更加普遍地应用于工业、制造业、军事、航空、表明、娱乐以及医疗系统等各个领域。同时由于成本低,寿命和新的应用于的较慢减少,今年来对于高功率和高性能的半导体激光器的市场需求也与日俱增,功率拓展已沦为高性能半导体激光器发展的一个趋势。

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随着输出功率、转化成效率、可靠性和生产工艺的提升以及成本的减少,半导体激光器更加普遍地应用于工业、制造业、军事、航空、表明、娱乐以及医疗系统等各个领域。同时由于成本低,寿命和新的应用于的较慢减少,今年来对于高功率和高性能的半导体激光器的市场需求也与日俱增,功率拓展已沦为高性能半导体激光器发展的一个趋势。

本文以各种大功率半导体激光器产品为事例,辩论并分析了以开放式半导体激光器或光纤输入为基础的各种有可能构建千瓦-万瓦级半导体激光器的技术路线,总结了当前的进展和遇上的一些核心问题的解决办法,以及所面对的挑战。  1.千瓦-万瓦级半导体激光器的技术路线概述  理论上,以单升空腔、单巴条和横向腔面升空阵列(VCSEL-vertical-cavity,surface-emittinglaser)为基本结构单元的3中技术路线皆有可能取得功率拓展,从而发展千瓦-万瓦级半导体激光器。

  (1)单升空腔:  基于单升空腔,有两种方式可以构建千瓦-万瓦级半导体激光器。图1a右图为多单管阵列光纤耦合,即每一个单管再行经过光纤耦合,然后将所有的光纤输入的激红藻束进光纤内。

这个方法的优点是较为更容易构建,因为工艺理论都比较非常简单,可靠性也低。但是缺点是亮度较低,体积较小。图1b右图为多单管空间耦合方式。

多个单管以某种方式(单波长耦合、偏振耦合或者多波长耦合)排序之后,各单元闪烁区的输入光束通过光学系统整形后,再行汇集耦合进光纤输入。这个方法的优点是可获取高亮度,不足之处是可玩性较小,设计、工艺都有可玩性,成本较高,输出功率可超过百瓦,但是,要提供千瓦以上则不过于现实。  (2)VCSE(vertical-cavitysurface-emittinglaser)横向腔面升空阵列:  传统的边升空优点是单管功率低,单必须腐蚀腔面以提升COD(CatastrophicOpticalDamage),而且光束质量较好。

相比而言,横向腔面升空半导体激光器有其优点,例如可以获取高质量的光束,芯片采行层级构建。但是,其单管功率较低,主要是因为闪烁路径和风扇路径在同一方向,很难通过减小增益介质来提升功率。因此,要取得高功率,必需承继为面阵结构;然而,由于热应力的问题,面阵所能获取的光斑面积很难小于5mm*5mm,所能获取的功率也仅限于250W左右。

所以有可能的一个方式就是再行将单管集沦为小单位的面阵,再行将许多小单位的面阵集沦为大面阵,从而构建大功率的激光输入,其过程更好地要依赖PCB构建。所以,目前,以VCSEL阵列为基础构建千瓦-万瓦级半导体激光器依然不存在许多待解决问题的问题。

  (3)单巴条:  以边升空单巴条为基础的多光束、多光纤制备和叠阵、面阵是当前发展千瓦-万瓦级半导体激光器的主要技术路线,也是目前构建千瓦-万瓦级半导体激光器最切实可行的方法。其中面阵技术早已被普遍应用于世界各发达国家的激光核聚变工程中。

因此,本文将主要环绕这个技术路线进行分析。


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