徐佳维，谭少阳，俞浩，周军
苏州长光华芯光电技术股份有限公司
高功率掺镱光纤激光器具有转换效率高、输出亮度高、结构紧凑灵活、热管理简单、系统稳定可靠等优势，已成为众多高功率激光系统优选光源之一。随着制造业，尤其是高端制造业的不断发展，高性能光纤激光器的应用场景不断被拓宽，在工业、医疗、科研、海洋装备等方面获得了广泛的应用[1]。
在工业应用领域，由于其相对复杂的工作环境，需要光纤激光器具有足够的稳定可靠性；对于工业加工中的激光熔覆、切割、焊接等，又需要光纤激光器有足够的输出功率；在医疗领域，需要光纤激光器能输出某些特定波长的激光；在科研领域，对于一些特殊应用的需求，会遇到重量受限、体积受限、散热受限、能源受限等情况，这就需要光纤激光器体积小、重量轻、电光效率高，同时能在一段温度范围内稳定工作；在海洋装备领域，需要光纤激光器有足够的环境可靠性，同时重量要足够轻。
各领域对光纤激光器的应用要求，也同样要求半导体激光器泵浦源具有轻量化、小体积、高效率、高亮度、高功率、宽温波长锁定、环境可靠性等特性。因此，理想的光纤激光器泵浦源应该同时兼备上述特性，满足不同场景光纤激光器的应用需求。
国内外泵浦源技术竞相发展，如图 1 所示。
图1 国内外 976 nm 泵浦源现状
国外，2020 年， 美 国 nLight 公布 了 363 W 976 nm非锁波光纤耦合半导体激光器，输出光纤芯径105 μm、NA0.15，输出电光效率 55%，实现了高效率、超高亮度的输出；同年发布了 600 W976 nm 非锁波光纤耦合半导体激光器，输出光纤芯径 225 μm、NA0.22，输出电光效率高达62%，同时模块做了轻量化处理，输出功质比2.27 W/g，实现了超高电光效率、高功质比的输出[2]。在 976 nm 波长锁定方面，nLight 公布了 140 W，105 μm 光纤输出的半导体激光器光纤耦合模块，NA 0.16，400 W，200 μm 光纤输出的半导体激光器光纤耦合模块，NA 0.16。
2021 年， 德国DILAS推出了600 W 976 nm非锁波光纤耦合半导体激光器，输出光纤芯径200 μm、NA0.22，输出电光效率 50%，功质比 2 g/W[4]。
同年，美国 IPG 推出了 300 W，976 nm 锁波半导体激光加工设备，输出光纤芯径 110 μm、NA 0.1[5]。2022 年，Teradiode 推出了 4 kW 直接半导体激光器，100 μm 光纤芯径输出，亮度非常高，BPP 为 4 mm·mrad。
国内，至 2022 年，长光华芯推出了一系列不同功率输出的半导体激光器泵浦源，性能表现相对突出，非锁波单模块功率最高 1000 W，输出光纤芯径 220 μm，电光效率 >50%；锁波模块，最高功率 >500 W，输出光纤芯径 220 μm，电光效率 >50%，功质比 <0.25 g/W。2022 年，凯普林光电基于合金材料，推出 1000 W 轻质化光纤耦合半导体激光器，重量为 420 g。
从电光效率、功质比、输出亮度指标上看，国内外水平仍有差异，特别是当需求同时满足这些高性能指标时，技术难度非常大。
为满足光纤激光器的应用需求，在宽温波长锁定技术的基础上，研究更高电光效率、更高亮度、更小功质比，是光纤激光器理想泵浦源的主要研究内容。
更高电光效率
泵浦源电光效率是芯片电光效率与模块光光效率的乘积，因此提升泵浦源电光效率，需要提升芯片的电光效率及泵浦源的光光效率。
芯片电光效率
芯片的电光效率与异质结和体材料电压亏损、载流子泄露损耗和光吸收损耗相关，根据半导体材料的能带分析，异质结电压主要来自限制层与衬底和波导层的界面，通过界面渐变和高掺杂优化可以有效降低芯片的异质结电压。体材料电阻可以通过调整材料组分提高载流子迁移率和提高掺杂浓度实现。降低载流子泄露损耗需要足够的载流子限制势垒，尤其是 p 面电子势垒。因此体材料电阻降低和载流子限制作用提高需要综合考虑以优化材料组分。
光吸收损耗通常可以采用非对称超大光腔波导结构设计实现，如图 2 所示，在总波导层厚度不变的情况下，减少 p 面波导层厚度，增加 n 面波导层厚度，使光场的主要部分分布在低吸收低电阻的 n 面，减小光场与高吸收的 p 面交叠，降低体材料电压，减小光吸收损耗。同时结合渐变的掺杂分布设计，实现体材料电压亏损和光吸收损耗的同时优化。
图2 非对称波导结构——光场
980 nm 波段的激光芯片通常采用 InGaAs量子阱作为增益材料，采用具有高 应变量的AlInGaAs 量子阱来提高增益，从而提高芯片电光效率，但 AlInGaAs 量子阱作为四元材料对材料生长控制要求更严苛。需优化气氛比、生长温度速率，以提高量子阱体缺陷成核能，从而降低量子阱的缺陷密度，生长出高质量的高应变量子阱。
激光光强在腔内的纵向分布是高度不对称的，这将导致脊波导方向载流子密度的不均匀分布。这些空间不均匀性形成了载流子的纵向空间烧孔效应，不仅会降低高电流注入下激光芯片的光学增益和输出效率，也影响了激光芯片工作的稳定性。通过分布式载流子注入技术，可以有效缓解纵向空间烧孔效应，提升芯片功率与电光转换效率，如图 3 所示。
图3 有无分布式载流子注入技术下的输出功率及增益
半导体激光器芯片前后端镀有高反膜和低反膜形成腔镜结构，腔面的 COMD 是限制激光器输出功率、效率和使用寿命的主要因素。提高COMD 阈值的方法主要有：
（1）减少腔面的光吸收，主要做法是提高腔面局域的带隙宽度，形成无吸收的窗口结构，可以通过外延再生长、量子阱混杂等技术来实现。外延再生长是将腔面附近区域的材料腐蚀后再重新外延生长一种宽带隙材料，形成输出光的透明窗口，减少光的吸收。量子阱混杂是通过扩散、注入、诱导等工艺，使腔面局域的量子阱组分原子发生互扩散，从而增加相应的带隙宽度；
（2）降低非辐射复合速率，通过减少谐振腔表面态来降低非辐射复合速率，主要的方法有超高真空解理及表面处理等。在超高真空环境下进行外延片解理然后镀钝化膜，避免氧和其它杂质对腔面的污染。表面处理是通过适当的干法或湿法手段，如硫化处理、等离子体处理等，可以有效去除腔面污染，达到降低表面态的目的。提高腔面 COMD 极限阈值。
模块光光效率
模块光光效率与光学镀膜、透镜像差及VBG相关。
图4 双透镜像差优化
波长锁定半导体激光器模块一般采用 VBG（体布拉格光栅）外腔反馈锁定技术，其本质是在光路中增加 VBG 反馈光路，破坏芯片原来的振荡模式并形成新的外腔振荡，如图 5 所示。
图5 波长锁定半导体激光器的原理图
半导体激光器模块内部存在空间光路，由于光程差及残余发散角的问题，一块 VBG 对不同芯片的光反馈是不同的，如图 6 所示，这会导致每个芯片输出的功率是不同的，因此会降低模块的光功率输出。通过对每个芯片使用一个 VBG进行波长锁定，可以有效降低因光程差及残余发散角带来的功率损失。
图6 VBG 不同位置处衍射反馈至芯片腔内的光功率差
更高亮度
泵浦源的输出亮度可以等效视为耦合光束参数乘积，与芯片慢轴发散角、模块光学设计的芯片数量及透镜焦距等相关，因此降低芯片慢轴发散角，合理设计模块光学参数，以提高泵浦源亮度。半导体激光芯片侧向模式如图 7 所示[6]，高阶模的激射会导致光束质量变差，通过对微结构修饰、anti-guilding、外延晶体工程等方面的研究，实现对高阶侧模的抑制，降低芯片慢轴发散角，从而提高激光器芯片的输出亮度。
图7 半导体激光芯片侧向模式示意图
模块上，通过快慢轴平衡的光学设计，可以最大限度提高输出亮度。
更小功质比
功质比等于模块质量除以模块输出功率，减小功质比的有效方式是降低模块的质量，而模块的质量主要由芯片和热沉质量、机械结构件质量、光学元器件质量与光纤组件质量组成，其中机械结构质量占模块质量比例最大，可以通过如下方式降低机械结构质量：
(1) 光学密排设计是减小半导体激光器模块体积的有效方法，从而降低模块的质量，在慢轴方向，对向光路交错排布，有效利用 COS 间距的空间，如图 8 所示。
图8 光学密排
使用凹透镜 + 凸透镜的组合，在相同像差及组合透镜有效焦距前提下，缩短组合透镜前焦点距离，从而有效降低长焦 SAC 离 COS 的距离，从而使光路更加密排，降低模块质量。
(2) 使用轻量化材料，传统半导体激光器使用无氧铜作为管壳和热沉散热的基本材料，虽导热性良好，但是密度较大，轻量化处理困难，相同体积下质量大，选型轻质复合材料可以有效降低管壳密度，降低管壳质量。如图 9 所示，使用新型复合材料，使材料密度降低的同时，又不失铜的导热性能，经过仿真设计，可以既保障散热，同时保障强度。
图9 使用新型复合材料的管壳，保障散热及结构强度
苏州长光华芯光电技术股份有限公司是激光芯片行业国内唯一的上市公司，一直致力于解决激光制造和国家战略高技术领域“有器无芯”的“卡脖子”问题，在半导体激光器芯片及模块方面攻关多年。2020 年开始，长光华芯以光纤激光器的理想泵浦源为目标，推出了一系列高效率、高亮度、轻量化、小体积、宽温锁定的半导体激光器。
如图10所示，2020年长光华芯推出了260 W、135 μm 光纤芯径的轻量化、高亮度、高效率、宽范围波长锁定模块，模块重量 <200 g，功质比高达 0.77 g/W，95% 能量占比 NA 可达 0.17，电光效率高达 55%，可在 8℃ ~30℃范围内实现976 nm 波长锁定，锁定信噪比高达 45 dB，光谱宽度 <0.5 nm。
图10 260 W 135 μm 0.17 NA 轻量化、高效率、宽范围波长锁定模块
2023年，长光华芯开发了976 nm 500 W模块，质功比小于0.3 g/W，电光效率大于50%，95%能量占比NA为0.18，在±7℃范围内实现波长锁定。
在工业泵浦方面，2021 年，长光华芯推出了 700 W 976 nm 及 800 W 915 nm 传导冷却模 块， 如 图 11(a) 所 示， 光 纤 芯 径 220 μm，电光效率 >50%，目前已在市场上批量销售，获得了良好的口碑；在更高功率的市场，为应对传统传导冷却带来的散热能力问题，保障模块的良好工作，2023 年，长光华芯研发了直接水冷模块，如图 11(b) 所示，功率 >1000 W，电光效率 >48%。
图11 (a)700~800 W 传导冷却模块 ；(b)1000 W 直接水冷模块
基于空间合束、密集光谱合束及偏振合束，长光华芯开发了超高亮度半导体光纤耦合模块，如图12(a) 所示， 在50 μm光纤芯径内实现387 W的功率输出，光谱宽度仅为4.4 nm[7]；而后又在600 μm光纤芯径内实现了21 kW的功率输出，如图12(b)所示，
图 12 (a) 窄光谱 350 W 50 μm/0.22 NA 光纤耦合模块；(b) 21 kW 600 μm/0.22 NA 直接半导体激光器
未来，半导体激光器模块将朝着更高功率、更高亮度、更高效率、更小体积、更轻重量发展，随着单管芯片的发展，在波长锁定基础上，单模块的输出功率将≥ 1 kW，电光效率实现≥ 60%，体积更小，重量更轻，功质比将实现≤ 0.5 g/W。随着半导体激光器亮度的发展，直接半导体激光器应用于部分传统加工中或许成为更加有优势的替代方案。
作者简介：
徐佳维，工程师，主要从事模块设计与开发相关工作；
谭少阳，PLM，主要从事高功率高亮度半导体激光芯片相关工作；
俞浩，光学研发总监，负责模块、MCC 等产品研发相关工作；
周军，PLM，半导体激光器光纤耦合产品相关工作。
特色栏目
免责
声明