激光器|蓝色高功率激光二极管——用于新型应用的束源芯片|AR

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江苏激光联盟导读：
高功率二极管激光器可能是将电能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率应用）的最有效方法。

图1低功率和中功率GaN激光二极管的应用:近眼投影，舞台照明，前灯和投影。右图:TO包装中的蓝色激光器(来源:Osram)
高功率二极管激光器可能是将电能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率应用）的最有效方法。虽然红外激光器是50多年前发明的，在工业上已经使用了20多年，但GaN高功率激光器直到最近才被用于材料加工，尤其是铜的焊接和钎焊。尽管在后一种应用中，蓝色波长比红外波长具有独特且无可争议的优势，但仍有一些困难需要克服。本文概述了GaN激光器的发展步骤，从其商业化初期作为蓝光播放器中的1兆瓦光源，到今天的1.5千瓦系统。此外，还将解释达到40%功率效率的重要调查，以及达到65 khr或更长寿命的考虑因素。还根据与红外激光二极管的比较，对未来的发展进行了预测。
上世纪70年代，二极管激光器首次在红外光谱范围内广泛应用于CD播放器。类似地， 30年后， GaN激光二极管首次广泛应用于405 nm蓝光播放器。这些应用要求地面模式下的输出功率低，光束质量好。此外，在低输出功率范围内， AR、VR的近眼应用中， MR设备需要用于红光、绿光和蓝光的单模式激光器。这些激光模具通常相当小。
用于单模发射的激光芯片如图2所示。它包含GaN衬底、包含发光量子阱层（<10 m厚）的外延层、波导层、电流分布层和金属触点。芯片设计还必须支持接地模式操作，并且其结构使接地模式的增益减去损耗高于高阶模式，以实现接地模式操作。
图2中描绘了典型的LIV曲线。可以看出，对于436nm的低功率激光器，可以实现低至6mA的阈值电流。在24 mA的工作电流和4.1 V的电压下，可以获得10 mW的输出功率。这相当于约10%的效率。非常低的阈值电流很重要，因为这些设备需要在非常高的脉冲频率下工作，因此它们通常总是偏置在阈值电流附近。通过将反射镜的HR侧和AR侧的反射率分别设计为99%和90% ，可以达到较低的值。测距或调平应用通常需要输出功率更高的单模激光器。高功率单模激光器的LIV曲线如图2所示。可以看出，蓝色和绿色激光二极管的阈值分别为11 mA和30 mA ，在130 mA和290 mA时分别达到100 mW的输出功率。这种更高的工作电平与更高的阈值电流直接相关，因为它是通过谐振器AR侧较低的反射率增加镜损耗而实现的。

图2激光二极管示意图(左) ，低阈值的LI曲线(中)和大功率单模二极管的LIV曲线。
1–10 W范围内的激光二极管通常用于红外能量传输或低功率焊接应用。随着时间的推移，用于更高输出功率的设备和封装得到了发展。每个光源随时间的输出功率如图3所示。对于红外激光器，在1980年左右实现了1W ，并在2008年稳步增加至约100W ，现在已达到每1cm激光棒1kW ，或在大批量生产的商用系统中超过300W（连续波或硬脉冲）。同样对于GaN激光二极管，有许多应用需要不同的输出电平。这如图3右所示。如今，一位数瓦特级别的激光器用于照明（通过泵送转换器将激光管芯的450 nm转换为所需颜色或白光）或舞台和表演照明。要求功率在10 W范围内的汽车前照灯如今通常用于高端车辆。未来的应用，如商业环境或电影院中的投影，在每个封装约100 W的功率水平下开始变得有趣，甚至在不久的将来，切割、焊接和焊接等材料加工方法也将成为可能。对于这些应用，需要1千瓦及以上的功率水平。对于红外激光器和激光系统，半导体芯片的开发花费了几十年时间，但封装技术、材料和光学元件也必须改进，以便能够配置多千瓦系统。