全球十大半导体激光器产品进展

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加州大学洛杉矶分校科研人员利用新方法制造出太赫兹频率下工作的半导体激光器。这一突破或将带来可用于太空探索、军事和执法等领域的新型强大激光器。在电磁波谱中，太赫兹的频率范围位于微波和红外线之间。太赫兹波可以在不损伤被检测物质的前提下对塑料、服装、半导体和艺术品等进行材料分析，还可以用于分析星体的形成和行星大气的组成。

目前使用可见光的垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）已经被广泛用于生成高能束，但是这种技术此前并不适用于太赫兹频率范围。加州大学洛杉矶分校的电气工程副教授本杰明·威廉姆斯带领团队研制了首个可以在太赫兹频率范围使用的VECSEL。

为了使VECSEL在太赫兹频率范围发出高能束，威廉姆斯团队研制出带有一个叫做“反射阵超材料表面镜”装置的VECSEL。这种装置之所以如此命名，是因为它包含一个由大量微小天线耦合激光腔组成的阵列，这样当太赫兹波经过这个阵列时就“看”不到激光腔，反而会被反射回去，就像被普通的镜子反射回去一样。

“把超材料表面和激光器结合起来还是第一次。”威廉姆斯表示，这一方法既可以使激光器在太赫兹频率范围输出更大的功率，还可以形成高质量的激光束，而且超材料的使用可以让科研人员对激光束进行进一步的设计，以生成理想的极化度、形秒）。这些泵浦源的单个激光棒典型输出功率为300-500瓦。

作为低温激光项目的一部分，FBH目前在优化必要设计和技术，此方向由德国莱布尼茨协会资助。如果每个光子的成本下降，必将生成更高的光功率密度，从而减少所需材料数量。转换效率也必须显著提高以增强系统效率。低温激光采用新颖设计理念，开发创新结构在远低于冰点（-70℃=203K）温度下优化运行，在此低温下可大幅度提高二极管激光器的性能。

依赖于外延设计和封装技术进展，在-70℃（203K）温度下FBH的激光棒发光波长在940纳米附近，输出峰值功率2千瓦，每棒电流2千安，脉冲宽度200微秒，重复频率10赫兹（相应脉冲能量为0.4焦耳）。峰值功率受到最大可用电流的限制。到目前为止，这种功率只能通过至少4个激光棒的光束组合来实现。输出功率1千瓦时光电转换效率为65%，输出功率2千瓦时光电转换效率为56%。这样的激光棒将在未来高能量激光设施发挥重要作用。目前该团队正在进一步提高激光棒转换效率。

FBH负责开发低温激光项目的全价值链，从设计到第一个原型构建。正在评估的最终泵浦源可用于高能级二极管泵浦固体激光系统，由美国的LIFE和欧盟的欧洲高功率激光能源研究所（HiPER）现场评估。项目合作伙伴包括美国劳伦斯利物莫国家实验室和英国科学与技术设施理事会（STFC）卢瑟福-阿普尔顿实验室。蓝光可视光半导体激光系统在450nm这一全新的波长范围，德国DILAS的这款COMPACT系统依旧保证了高效的输出功率及高亮度的光束质量，产品最大输出功率达25W，采用光纤芯径为200μm或400μm，数值孔径0.22的光纤。德国DILAS的COMPACT系列产品一直以便于集成，方便使用，设计紧凑及多功能操作等优点，一直受到用户的好评。这款系统配备了标准的操作界面，用于外部控制，且采用了德国DILAS的被动冷却技术，使系统不再需要去离子水冷却。德国DILAS同时为这套系统提供了19英寸的机架式冷却单元及各种长度的光纤。

与此同时，450nm模块的输出功率可以扩展至100W。应用领域包括照射磷光发光材料以获取白光照明或者被称为“红色材料处理”的金铜材料加工。此外，固体激光器泵浦领域的研究也在持续中。譬如在波长444nm处泵浦掺钛蓝宝石激光器的泵浦或者掺镨激光器。首个可直接兼容硅芯片的锗锡半导体激光器来自尤里希旗下“皮特格林贝格研究所”(PGI-9)和“保罗谢勒研究所”(PaulScherrerInstitute)的科学家们已经用锗和锡制成了实验用的附件，并且在硅晶片上进行了测试。保罗谢勒研究所在测定之后发现，锗锡化合物可以同时产生和放大激光信号，而且锡元素对这种新设备的光学性能显得非常重要。

PGI-9博士生StephenWirths补充道：“高含锡量决定了它的光学性能，这是我们首次在晶格中掺入了超过10%的锡而没有损失其光学品质”。

目前电子系统中所使用的半导体激光器，主要由元素周期表中的第三族或第五族元素所组成，比如砷化镓。也正因为如此，由这些材料制成的激光器无法与其它硅基半导体装置直接兼容(不仅困难，而且费力)。此外，由于其连接材料拥有不同的系数，装置的使用寿命也会有所降低。

PGI-9博士DanBuca表示：“这款激光装置可以在有史以来的最低温下工作(零下183摄氏度/零下297.4华氏度)”。相信这款测试系统在优化之后，还会带来更加优异的性能表现。

此外，同步电路的时钟信号可使用高达30%的能量，这样可以在光传输过程中节省大量能量。新型电泵浦半导体激光器耶鲁大学开发的一种新型半导体激光器有望显著提高下一代高科技显微镜、激光投影仪、光刻、全息摄影和生物医学成像的图像质量。基于混沌空腔激光技术，该技术结合了传统激光器的高亮度优点和发光二极管（LEDs）的低图像损毁性优点。近年来，寻求高速、全景成像应用所需的更好光源，已经成为该研究领域的热点。

研究论文的共同作者、应用物理学与物理学教授A.DouglasStone说道：“许多基础研究最终都发展为有社会价值的重大发明，混沌空腔激光技术就是其中一个。此前，所有基础工作主要是为了了解尚未投入应用的激光类别——随机激光和混沌激光。最终，通过相关学科知识的综合运用，我们发现这些激光正好可以解决成像和显微镜方面的很多问题。”

在这些问题中有一个被称为“散斑”（speckle)，是一种随机的、粒状的图案，由较高的空间相干性（highspatialcoherence）引起。在传统激光器中，较高的空间相干性会严重影响成像效果。一种避免散斑的方法是使用LED光源，但对于高速成像来说，LED光源的亮度不够。这种新型的电泵浦半导体激光器提供了一种不同的解决方案，在产生强烈光发射的同时，具有很低的空间相干性。

“对于全景成像，散斑的对比度应该低于4%，这样才能避免对人们的观察产生干扰。”该论文的通讯作者、应用物理学教授HuiCao说道，“正如我们文章中展示的那样，标准边射型激光器产生的散斑对比度高达50%，而我们的激光器的散斑对比度只有3%左右。所以这种新型激光器完全消除了全景成像中所遇到的问题。”

该论文的共同作者、放射诊断和生理医学助理教授MichaelA.Choma说：“激光散斑是将激光应用于临床诊断的最主要的障碍，我们开发这种无散斑的激光器是极有意义的，而考虑将这一技术应用到临床诊断，开发出一种新的临床诊断方法也是很令人兴奋的。”高功率光纤耦合半导体激光器DF系列“在工业化的激光材料加工领域，半导体激光器的应用非常广泛，比如在汽车产业等特定市场中具有潜力的激光钎焊、激光熔覆及激光硬化”，ROFIN中国公司总经理彭元璋先生解释道，“除了板条式CO2激光器及光纤激光器两款成功产品以外，我们将进一步扩大激光产品范畴，以更好地满足高功率材料加工领域客户的各种需求。光纤耦合半导体激光器可谓是我们产品系列中的珍贵一笔，同时也巩固了ROFIN作为全球拥有最完整激光产品线的企业，在材料加工领域的领先地位。”

准“平顶”模态能量密度分布使得全新半导体激光器可生成高效、平滑的射束轮廓，从而成为激光钎焊、激光熔覆以及激光表面处理的理想工具。DF060HP激光器的模块化设计确保了功率的可扩展性和运行的高可靠性。此外，标准化的用户接口以及远程诊断功能更使其具备了最佳的可操作性。

这套系统装有内部/集成冷却装置。对于一些热应用比如激光硬化、熔覆、钎焊而言，可采用多波长设置，而对于一些特定应用，也可根据客户需求采用单波长配置。

得益于ROFIN模块