¿Qué hay del láser semiconductor de alta potencia láser NIR?

Los láseres semiconductores de alta potencia se utilizan ampliamente en la fabricación inteligente, la comunicación láser, la detección láser, la belleza médica, etc. Desde su nacimiento, han logrado grandes avances en la teoría, la práctica y la aplicación, y representan la mayor parte del mercado láser general. Entre ellos, los mejores son los láseres semiconductores de alta potencia en la banda del infrarrojo cercano.

Chips láser semiconductores de alta potencia de infrarrojo cercano Los chips láser semiconductores de alta potencia son las principales fuentes de luz de los láseres contemporáneos de alta energía representados por láseres de fibra óptica, de estado sólido y semiconductores directos. La potencia, el brillo y la confiabilidad del chip láser son indicadores centrales que afectan directamente el rendimiento y el costo del sistema láser.

La estructura principal de un chip láser semiconductor incluye una capa emisora ​​de luz epitaxial que proporciona un medio de ganancia láser, un electrodo que inyecta portadores en la capa emisora ​​de luz epitaxial y una superficie de cavidad de división que forma una cavidad resonante. El proceso de desarrollo del chip incluye los pasos del diseño de la estructura epitaxial y el crecimiento del material, el diseño de la estructura del chip y el proceso de preparación, el tratamiento de pasivación de la división de la superficie de la cavidad y el recubrimiento óptico, la prueba de empaque del chip, la confiabilidad de la vida útil del chip y el análisis del rendimiento, entre los cuales los indicadores principales directamente afectar Las tres tecnologías clave son el diseño de la estructura epitaxial y el crecimiento del material, el diseño de la estructura del chip y el proceso de preparación, la escisión de la superficie de la cavidad y el tratamiento de pasivación.
(1) Diseño de la estructura epitaxial y crecimiento del material El diseño de la estructura epitaxial y el crecimiento del material involucran la ganancia y el bombeo del láser, lo que afecta directamente la eficiencia electroóptica del chip. Los factores principales son la heterounión y la pérdida de voltaje del material a granel, la pérdida por fuga del portador y la pérdida por absorción de luz. De acuerdo con el análisis de la banda de energía de los materiales semiconductores, el voltaje de heterounión proviene principalmente de la interfaz entre la capa de confinamiento, el sustrato y la capa de guía de ondas, y el voltaje de heterounión del chip se reduce efectivamente a través del gradiente de interfaz y la optimización de alto dopaje. La resistencia del material a granel se puede lograr ajustando la composición del material para aumentar la movilidad del portador y aumentar la concentración de dopaje. Reducir la pérdida por fuga del portador requiere una barrera de confinamiento del portador suficiente, especialmente la barrera de electrones del plano p. Por lo tanto, la reducción de la resistencia del material a granel y la mejora del confinamiento del vehículo deben considerarse integralmente para optimizar la composición del material. La pérdida de absorción óptica generalmente se puede lograr mediante el diseño de una estructura de guía de ondas de cavidad óptica asimétrica ultra grande. Cuando el grosor total de la capa de la guía de ondas permanece sin cambios, el grosor de la capa de la guía de ondas del plano p se reduce y el grosor de la capa de la guía de ondas del plano n aumenta, de modo que la parte principal del campo óptico se distribuye en la absorción baja. el plano n de baja resistencia, reduce la superposición del campo óptico y el plano p de alta absorción, reduce el voltaje del material a granel y reduce la pérdida de absorción de luz. Al mismo tiempo, combinado con el diseño de distribución de dopaje gradual, se realiza la optimización simultánea de la pérdida de voltaje del material a granel y la pérdida de absorción de luz. Los chips láser en la banda de 900 nm generalmente usan pozos cuánticos de InGaAs como material de ganancia y pozos cuánticos de AlInGaAs con alta tensión para aumentar la ganancia, pero los pozos cuánticos de AlInGaAs como material cuaternario tienen requisitos más estrictos para el control del crecimiento del material. Es necesario optimizar la relación atmosférica y la tasa de temperatura de crecimiento para aumentar la energía de nucleación de los defectos del cuerpo del pozo cuántico, reduciendo así la densidad de defectos de los pozos cuánticos y haciendo crecer los pozos cuánticos de alta calidad y alta tensión.
(2) Cuando el diseño de la estructura del chip y el proceso de fabricación funcionan en modo de alta potencia, la intensidad del modo de alto orden lateral del chip aumenta, lo que resulta en un fuerte aumento en el ángulo de divergencia y una disminución en el brillo. La absorción y la dispersión en el borde de la guía de ondas se utilizan generalmente en los informes de la literatura para reducir la intensidad de los modos de alto orden, pero esto también causará una pérdida de absorción adicional en los modos de bajo orden y reducirá la potencia óptica total. Además, cuando se trabaja a alta potencia, la intensidad del campo óptico del chip se distribuye de manera desigual en la dirección longitudinal, mientras que la concentración de portadora generada por la inyección de corriente del chip de estructura convencional es uniforme en la dirección longitudinal, por lo que la intensidad del campo óptico y la distribución de la concentración de portadores no puede coincidir, esto producirá un efecto de quema de agujeros en el espacio vertical, lo que resultará en una saturación de energía. Una forma de resolver este problema es ajustar la estructura del dispositivo de distribución de inyección de portador.
(3) Escisión de la superficie de la cavidad y tratamiento de pasivación El principal modo de falla de los chips láser semiconductores de alta potencia es el daño por catástrofe óptica de la superficie de la cavidad (COMD). COMD proviene de la absorción de luz de la superficie de la cavidad de corte y el área circundante cuando el chip funciona a alta potencia. La absorción de luz superficial es causada por la escisión de los enlaces colgantes de la superficie, la oxidación de la superficie y la contaminación de la superficie, mientras que la escisión de la superficie de la cavidad convencional se lleva a cabo en la atmósfera o en un entorno de bajo vacío, y este problema no se puede evitar. La absorción de luz en la región cercana a la superficie de escisión proviene de la absorción entre bandas. Cuando el chip trabaja a alta potencia, la temperatura de esta región aumenta, lo que se traduce en una disminución de la banda prohibida del material y un aumento de la absorción entre bandas. La forma más efectiva de reducir este tipo de absorción es formar una estructura de ventana de banda ancha (baja absorción). A través del desarrollo del diseño de la estructura epitaxial y el crecimiento del material, el diseño de la estructura del chip y el proceso de preparación, la escisión de la superficie de la cavidad y el tratamiento de pasivación, Suzhou Everbright Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. (en lo sucesivo, "Everbright Huaxin") ha lanzado un 28 W chip láser semiconductor. El aumento de potencia del chip proviene principalmente del diseño optimizado de la estructura epitaxial del chip y la mejora de la tecnología de procesamiento especial de la superficie de la cavidad. La potencia de salida de los láseres semiconductores se ve afectada principalmente por factores como el umbral del láser, la pendiente y la flexión de potencia de alta corriente. Por lo general, al reducir la concentración de dopaje de la unión pn para lograr la reducción del umbral y el aumento de la pendiente, y una concentración de dopaje demasiado baja conducirá al aumento de la resistencia de la unión pn y al aumento del voltaje del chip. Para resolver el problema de optimizar el equilibrio entre la pendiente del umbral y el voltaje, Changguang Huaxin optimizó el grosor de la capa de la guía de ondas de la estructura asimétrica de la cavidad óptica grande y diseñó cuidadosamente la distribución de la concentración de dopaje en diferentes regiones de la unión pn, por lo que como para reducir el umbral y mejorar la eficiencia de la pendiente. El efecto de mantener el voltaje básicamente constante. La flexión de alta corriente se debe principalmente a la disminución de la eficiencia cuántica interna cuando se inyecta alta corriente. Everbright optimizó la estructura de la banda de energía del material cerca de la región de ganancia de la estructura del láser, mejoró la capacidad de confinamiento de los electrones inyectados en la unión pn y mejoró efectivamente la eficiencia cuántica durante la inyección de alta corriente. Mientras optimiza la potencia del chip láser, Everbright continúa mejorando la calidad del material del proceso de tratamiento especial de la superficie de la cavidad para reducir la proporción de defectos, mejorar la capacidad de la superficie de la cavidad para resistir daños por catástrofes ópticas y garantizar que los 28 W El chip láser de alta potencia cumple con los requisitos del mercado industrial para la vida útil del láser. requisitos

Como herramienta práctica, el láser de fibra del módulo de fuente de luz semiconductora de alta potencia de infrarrojo cercano se ha desarrollado rápidamente en los últimos años debido a sus ventajas únicas y desempeña un papel importante en los campos de la fabricación industrial, el procesamiento y la investigación científica. Como dispositivo aguas arriba del núcleo del láser de fibra, el desarrollo de la fuente de bombeo también acompaña e incluso promueve el desarrollo y el progreso de la tecnología general del láser de fibra.
(1) Fuente de bombeo de láser de fibra industrial En los últimos años, el mercado de láser de fibra industrial se ha desarrollado rápidamente y tiene un fuerte impulso. Los láseres de fibra han tomado la delantera en el mercado de procesamiento láser industrial con su tecnología única y sus ventajas de aplicación. En lo que respecta al mercado de láser de fibra industrial, la tecnología de láser de fibra de potencia baja a media ha madurado y estabilizado, y ha entrado completamente en la etapa de competencia de costos.

2) Fuente de bombeo láser de fibra para investigación científica. Los láseres de fibra para la investigación científica generalmente tienen mayores requisitos de brillo o se utilizan en algunos escenarios de aplicaciones especiales. Estos requisitos se extienden a la fuente de bombeo. Generalmente, se requiere que la fuente de bombeo tenga un alto brillo y un tamaño pequeño. , peso ligero, bloqueo de longitud de onda y otras características. El volumen pequeño requiere un diseño de empaque compacto para la fuente de bombeo, y el peso liviano requiere el tratamiento de reducción de peso necesario para la fuente de bombeo y el uso de nuevos materiales metálicos de baja densidad para procesar la carcasa del tubo sobre la base de garantizar la eficiencia de conducción de calor.

High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers have the characteristics of high brightness, wide wavelength range, high electro-optical conversion efficiency and easy use, and have a wide range of potential applications in industry and scientific research fields, such as for Metal material processing, Yb-doped fiber laser pumping, Raman nonlinear fiber laser pumping, and energy transfer. Brightness is defined as B=P·A-1·Ω-1, where P is the output power of the laser, A is the area of the beam waist of the output beam of the laser, and Ω is the solid angle of the divergence angle of the output beam of the laser. Generally speaking, the higher the brightness, the smaller the focused spot size and the longer the working distance. The continuous output power of a single laser diode light-emitting unit (or laser diode single tube) is less than 40 W, and it is necessary to use different beam combining methods to combine dozens to hundreds of single tube chips into a beam output to achieve kilowatt-level output. Conventional direct semiconductor lasers are based on a laser diode single tube or bar (composed of multiple single tubes), using spatial beam combining, polarization beam combining, coarse spectrum beam combining or fiber beam combining to increase output power. Direct semiconductor lasers based on this type of beam combining technology have high output power and low cost, and are favored by the industry, and can be used for welding and cladding of metal materials. Using the dense spectral beam combining technology based on a single-tube chip, Everbright Huaxin has successfully developed a variety of high-brightness fiber-coupled direct semiconductor lasers, which greatly improved the output brightness of direct semiconductor lasers (> 200 MW cm-2 Sr-1) and Electro-optical conversion efficiency (>45 por ciento). Por ejemplo, en 2019, Everbright lanzó un láser semiconductor de 1 kW, 220 μm/NA0.22 (con un brillo de salida de 21MW cm-2 Sr -1), que se ha utilizado ampliamente en la soldadura de placas delgadas; en el mismo año, lanzó un láser semiconductor directo de 4 kW, 600 μm /NA0.22 (brillo de salida de 11 MW cm-2 Sr-1) que se ha utilizado ampliamente en el revestimiento de superficies. Sin embargo, debido al gran diámetro del núcleo de la fibra de salida y al bajo brillo, este tipo de láser no se puede utilizar para cortar materiales metálicos ni para aplicaciones de investigación científica que requieran un alto brillo. La Figura 8 muestra los resultados de la simulación de múltiples chips de un solo tubo que combinan espacialmente el acoplamiento de fibra. La cantidad máxima de chips de un solo tubo que admite una fibra de 100 μm/NA0.22 es 12, por lo que la potencia de salida es solo 12 veces mayor que la de un solo chip de un solo tubo.

Los láseres semiconductores de alta potencia del infrarrojo cercano se pueden usar como fuentes de bombeo y dispositivos centrales para láseres de estado sólido y de fibra, y también se pueden usar directamente en campos de investigación industrial y científica a través de diferentes tecnologías de combinación de haces, ocupando un gran mercado en el láser. industria. El chip de un solo tubo es un dispositivo unitario de una fuente de bombeo láser semiconductor de alta potencia. Sus características integrales determinan la potencia óptica de salida, la eficiencia de conversión y el volumen del módulo de fuente de bombeo final. Por lo tanto, se ha convertido en el foco de nuestra investigación y desarrollo e investigación. Con la investigación teórica profunda del equipo de investigación, el progreso de la tecnología de crecimiento de materiales y el desarrollo de la tecnología de empaque, JTBYShield ha mejorado en gran medida la potencia de salida, la vida útil, la confiabilidad y la práctica de aplicación de los láseres semiconductores de alta potencia, acortando en gran medida el tiempo entre la brecha exterior. En el futuro, no solo lograremos avances en tecnologías clave, sino que también lograremos la industrialización y realizaremos la localización e industrialización completas de chips y dispositivos de fuente de bombeo láser de alta gama.

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