Проблема создания мощных диодных источников лазерного излучения с высококачественным (в идеале одномодовым) спектром, уже несколько десятилетий обозначена перед учеными и разработчиками полупроводниковых лазеров.
К настоящему времени созданы и нашли применение одномодовые диодные лазеры, максимальная мощность которых достигает 0,6 Вт. Так, одна из ведущих фирм IPG Photonics Corp. в 2008 году официально объявила о создании одномодового диодного лазера мощностью 0,6 Вт, подробно описав его характеристики в статье «8xx-10xx Highli Efficient Single Emitter Pumps” [30]. Ватт-амперные характеристики и эффективность одномодовых диодных лазеров IPG Photonics Corp. с длиной волны 1060 нм при различных температурах приведены на Рис.2.7. При этом мощность 0,6 Вт одномодового излучения при токе 0,7 А достигается на линейном участке ватт-амперной характеристики.
Рис.2.7. Ватт-амперные характеристики и эффективность одномодовых диодных лазеров IPG Photonics Corp. с длиной волны 1060 нм
Современные многомодовые лазеры достигают мощности 4,0 – 8,0 Вт при стандартной ширине полосковой активной области 100 мкм. Так, Ватт-амперные характеристики и эффективность многомодовых диодных лазеров IPG Photonics Corp. с длиной волны 808 нм приведены на Рис.2.8. Несколько менее 6 Вт мощности многомодового излучения достигается при токе 6,0 Ампер.
Рис. 2.8. Ватт-амперные характеристики и эффективность многомодовых диодных лазеров IPG Photonics Corp. с длиной волны 808 нм
В начале 2009 года компания IPG Photonics Corp анонсировала на своем сайте разработку новых серий диодных лазеров iPLD-9 с мощностью от 8-9Вт и iPLD-20 мощностью 20Вт(http://www.ipgphotonics.com/products_materials_ipld_20_series.htm). Однако анализ данных, относящихся к диодным лазерам серии iPLD-20 и отраженных в представленной ниже таблице, показал, что продукты этой серии представляют собой не единичный диод, а два электрически последовательно-связанных диода. Так, например, для одиночного лазера падение напряжения (Forward Voltage) должно находиться в интервале 1,7 до 2,2 V, в то время как указанное в таблице падение напряжения составляет 5V, что указывает на токовую накачку двух последовательно связанных диодов.
Широкое распространение в последнее время получили линейки и решётки многомодовых и некогерентных диодных лазеров [31-33]. На рис. 2.9 представлены ватт-амперные характеристики линеек многомодовых диодных лазеров, выходная мощность которых при ширине линейки 1 см достигает примерно 90 Вт при длине волны 660 нм и превосходит 400 Вт при длине волны 800 нм и 980 нм [31].
Рис. 2.9. Пиковые мощности линеек многомодовых диодных лазеров с длиной волны 660 нм (слева), 800 нм (в центре) и 980 нм (справа)
Современные решётки из-за трудностей с отводом тепла обычно работают в импульсном режиме, их выходная импульсная мощность может достигать киоватт и более. Общим недостатком линеек и решёток диодных лазеров, а также многомодовых диодных лазеров, является низкое качество их выходного лазерного излучения, которое сильно снижается с увеличением выходной мощности. Параметр М2 для этих устройств возрастает на один-два порядка и более в зависимости от конструкции и выходной мощности излучения. Это обстоятельство значительно ограничивает области их применения.
В последнее десятилетие был исследован ряд альтернативных способов решения задачи увеличения мощности диодных лазеров при сохранении высокого качества лазерного излучения [7-15]. Среди них можно назвать три метода когерентного соединения лучей, такие как: ”Электронный контроль”, “Самоорганизация”, и “Внешний захват мастер-лазером». Первый указанный метод требует стабильности соединяемых лазеров и сверхбыстрой электроники. Он слишком сложен и дорог для практической реализации. Второй метод направлен на установление взаимодействия между активными полосковыми областями внутри оптического резонатора [16,17]. Этот метод исследовался в течение довольно длительного времени, но с ограниченным успехом по причине нестабильности, возрастающей с увеличением числа когерентно соединённых диодных лазеров и, следовательно, достижения небольших уровней мощностей, примерно от 1Вт до 10Вт. Третий метод позволяет добиться более высоких мощностей, однако он сложен, дорог (использует оптику и другие необходимые компоненты, например, оптический изолятор) и не нашёл практического применения [18].
Другой альтернативный способ решения указанной выше задачи повышения мощности был направлен на создание высокомощных, высокоярких диодных лазеров с расширяемой активной областью генерации (Tapered Diode Lasers). Результаты, полученные для таких диодных лазеров с длиной волны 976 нм, следующие: мощность 5,4 Вт при М2 = 2,3 и ширине выводного луча 400 мкм [19].
На рис. 2.10. представлено схематичное изображение диодного лазера с расширяемой активной областью генерации. Длина полосковой области лазера (L ridge) составляет 500-1000 мкм, а длина расширяемой области ( L taper) – 3000 мкм. При этом угол расширения равен 6°.
Рис. 2.10. Схема диодного лазера с расширяемой активной областью генерации
На рис. 2.11. представлены результаты измерения Ватт-амперных характеристик (верхние три графика) и КПД (нижние три графика) описываемых лазеров при длине расширяемой области 1мм, 2 мм и 3 мм. Все измерения проводились в непрерывном режиме при температуре 20°.
Рис. 2.11.Ватт-амперные характеристики (верхние графики) и наклонная эффективность (нижние графики) диодного лазера с расширяемой активной областью генерации
Профили ближнего поля для описываемых лазеров с длиной расширяемой области 2 мм, 3 мм и 4 мм при выходной мощности 3 Вт представлены на рис. 2.12. Приведенные данные свидетельствуют о наличии искажений профиля, увеличивающихся с увеличением длины расширяемой области.
Рис. 2.12. Профили ближнего поля при длине расширяемой области 2мм, 3 мм и 4 мм.
Кроме того, неустойчивость связана с длинной когерентности излучения лазеров с расширяемой активной областью генерации, критично зависимая от коэффициента отражения на выводной грани неоднородностями и нелинейностями, а также быстро нарастающий с увеличением мощности параметр качества М2, ограничивают практическое применение этой технологии (см. рис. 2.13).
Рис. 2.13. Ухудшение качества излучения М2 при росте мощности диодного лазера с расширяемой активной областью генерации
Кроме того, требуется использование дополнительной сложной и дорогостоящей оптической системы связи.
Следует отметить значительный прогресс в последние годы по созданию диодных лазеров типа VCSEL (Vertical Cavity Surfase Emitting Lasers) - с вертикально (по отношению к плоскостям слоёв гетероструктуры) расположенным оптическим резонатором. Компания Princeton Optronics (http://www.princetonoptronics.com/home.php) [10] в рамках государственной программы DARPA разработала ключевые технологии, которые позволили достичь наилучшие в мире результаты для VCSEL:
– выходная мощность одного диодного VCSEL в непрерывном режиме −3,0 Вт,
– выходная мощность для большой двухмерной решётки диодных VCSEL − 230 Вт.
Разрабатываются решётки диодных VCSEL , работающие в квазинепрерывном и импульсном (10 ns – 100 ns) режимах.
Отмечены следующие преимущества разработанных компанией Princeton Optronics VCSEL в сравнении с торцевыми стандартными диодными лазерами:
- круговая фигура выходного луча,
- меньшая зависимость длины излучаемой волны от температуры,
- более высокая надёжность,
- более высокая температура (до 800) без охлаждения,
- высокая мощность двухмерной решетки ( до 1200 Вт/см2 )
- низкое термическое сопротивление – 0,15 град/Вт.
На рис.2.14 схематически в общем виде представлены 3 типа конструкций VCSEL. В конструкции (а) ограничение протекающего тока со стороны р-типа реализуется имплантацией протонов, а в конструкции (b) это достигается селективным окислением верхнего слоя гетероструктуры. Конструкция (с) представляет собой смонтированный на теплоотвод р-стороной вниз VCSEL, при этом вывод излучения осуществляется через подложку.
Рис. 2.14. Три типа конструкций VCSEL
Общий вид упакованного высокомощного VCSEL мощностью 2 Вт ( максимальный диаметр тела свечения – 3 мкм) с размером подложки 2мм х 2 мм показан на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Общий вид упакованного VCSEL
На рис. 2.16 представлена двухмерная решетка VCSEL, состоящая из примерно 115 диодов, и смонтированная на микроохладитель. Максимальная выходная мощность, измеренная в непрерывном режиме, достигает 230 Вт при токе 320 A (напряжение – 3 V). При этом КПД составляет 24% при 230 Вт, а на линейном участке при мощности 140 Вт − 29%.
Рис. 2.16. Двухмерная решетка VCSEL, смонтированная на микроохладитель (слева) и ее Ватт-амперные характеристики (справа)
Являясь достаточно продвинутым продуктом в области высокомощных лазеров, VCSEL имеют существенные ограничения по качеству лазерного излучения, связанные с отсутствием когерентности между большим количеством диодов в двухмерной решетке, и сниженным КПД. На данный момент КПД VCSEL ниже КПД современных диодных лазеров примерно в 2 раза. При этом нужно отметить сложность технологий, используемых при изготовлении VCSEL, в частности, сложность изготовления многослойных отражающих зеркал с высокими коэффициентами отражения.
В 2009 году Институтом сверхвысокочастотной электроники им. Фердинанда Брауна (Германия) в статье [8] объявлено о создании диодного лазера мощностью 20 Вт. Этот очень высокий результат достигнут в первую очередь благодаря использованию прочных зеркал, технологией формирования которых располагает данный Институт [9] Аналогичной технологией, по нашим сведениям, владеют Lumics, Bookham, JDSU и еще несколько западных компаний, занимающихся высокомощными диодными лазерами.
Толщина волновода созданного лазера – 2,4 мкм (по сравнению с 5-10 мкм в лазерах GNOptics), показатель расходимости излучения в вертикальной плоскости – 20-22,5° (по сравнению с 7-10° в лазерах GNOptics) (см. рис. 2.17).
|
Рис. 2.17. Расходимость излучения в вертикальной плоскости
|
Рис.2.18 Мощность лазера в непрерывном и квази-непрерывном режиме при темпреатуре -5° С |
В статье приведены данные о КПД 52% для мощности 6 Вт, позволяет сделать вывод о КПД в лучшем случае 38-40% для мощности 20Вт. А, следовательно, данные приборы требуют серьезного отвода тепла (около 30 Вт при мощности 20 Вт уходит в тепло), что существенно ограничивает возможность их использования в реальных лазерных установках. Из приведенных в статье данных следует, что холодильная установка должна обеспечивать поддержание отрицательных температур (-5° С), а значит водяное охлаждение использовано быть не может (см.рис.2.18).
Литература
1. Wei Gao, Zunti Xu and others High Power High Brightness Single Emittter Laser Diodes at Axcel Photonics, Proc. of SPIE, Vol. 6876, 68760H-3, (2008)
2. F. Bachmann и др., Book “High Power Diode Lasers”, 2007, стр. 181-183
3. В.И. Швейкин, В.А., Геловани, Новые диодные лазеры с вытекающим излучением в оптическом резонаторе, Квантовая электроника, 32, № 8 (2002), стр. 683-688
4. M. Buda, W.C. van der Vleuten, Gh. Iordache, G.A. Acket, T.G. van de Roer, C.M van Es, B.H. van Roy и E. Smallbrugge "GaAs-AlGaAs DQW лазерный диод с оптическим уровнем уловителя, малыми потерями и низким ограничением для работы на высоких мощностях" IEEE Phot. Tech. Lett. 11, 161, 1999.
5. D.C. Scifres et al., "GaAs: GaAlAs диодный лазер с двойной гетероструктурой и вытекающей волной, работающий при комнатной температуре", Applied Physics Letters, vol. 29, No 1, Jul. 1, 1976, pp. 23-25. (US4063189: Диодный лазер с вытекающей волной, 1977 , Scifres; Donald R., Burnham; Robert D., Streifer; William).
6. Geysler и др., Письма в журнал Техническая физика, 25(19), 40, 1999
7. S.Brien, H. Zhao, and R. J. Lang, High power wide aperture AlGaAs-based lasers at 870nm, Electron. Left., Vol. 34, pp. 184-185, 1998
8. M. Mikulla, A. Schmitt, P. Chazan, A. Wetzel, G. Bihlmann, R. Kiefer, R. Moritz, J. Braunstein, and G. Weiman. Improved Beam Quality for High Power Tapered Laser Diodes with LMG (Low Modal Gain)-Epitaxial Layer Structures, SPIE Proc. Vol. 3284, In-Plane Semiconductor lasers: from Ultraviolet to Mid-Infrared,pp. 72-79, 1998
9. V. Haerle, B. Hahn, S. Kaiser, A. Weimar, S. Bader, F. Eberhard, A. Plössl, and D. Eisert/
High brightness LEDs for general lighting applications using the new Thin GaN™-technology, phys. stat. sol. (a) 201, No. 12, 2736–2739, 2004
10. Dong S. Lee, Doru I. Florescu, Dong Lu, 2, Jeff C. Ramer, Vinod Merai, Aniruddh Parekh, Michael J. Begarney, and Eric A. Armour. High power blue LED development
using different growth modes, phys. stat. sol. (a) 201, Nr. 12, 2644–2648, 2004
11. T. Mukai, S. Nagahama, T. Kozaki, M. Sano, D. Morita, T. Yanamoto, M. Yamamoto,
K. Akashi, and S. Masui. Current status and future prospects of GaN-based LEDs and LDs
phys. stat. sol. (a) 201, No. 12, 2712–2716, 2004
12. Suk-Hun Lee, Hyun-Hwi Lee, Jong-Jae Jung, Young-Bu Moon, Tae Hoon Kim,
Jong Hyeob Baek, and Young Moon Yu. Growth of high quality GaN epilayer on
AlInN/GaN/AlInN/GaN multilayer buffer and its device characteristics, phys. stat. sol. (a) 201, No. 12, 2795–2798, 2004
13. J. T. Chu, H. C. Kuo, C. C. Kao, H.W. Huang, C. F. Chu,C. F. Lin, and S. C. Wang.
Fabrication of p-side down GaN vertical light emitting diodes on copper substrates by laser lift-off, phys. stat. sol. (c) 1, No. 10, 2413–2416, 2004
14. Ho Won Jang, Jong Kyu Kim, Soo Young Kim, Hak Ki Yu, and Jong-Lam Lee. Ohmic contacts for high power LEDs, phys. stat. sol. (a) 201, No. 12, 2831–2836, 2004
15. Jung-Tang CHU, Hung-Wen HUANG, Chih-Chiang KAO, Wen-Deng LIANG, Fang-I LAI, Chen-Fu CHU, Hao-Chung KUO and Shing-Chung WANG. Fabrication of Large-Area GaN-Based Light-Emitting Diodes on Cu Substrate, Japanese Journal of Applied Physics
Vol. 44, No. 4B, 2005, pp. 2509–2511
16. D. Botez: Monolithic phase-locked semiconductor laser arrays, in D. Botez, D.
R. Scifres (eds.): Diode Laser Arrays, (Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK
1994)
17. L. J. Mawst, D. Botez: High-power coherent sources based on antiguided structures,
SPIE Proc. 2397, 526–533 (1995)
18. Roland Diehl (Ed). Book “High Power Diode Lasers”, 2000, стр. 265-276
19. R. Ostendorf, G. Kaufel, and others, 10 W high-brightness tapered diode laser at 976 nm, Proc. of SPIE, Vol. 6876, 68761F, (2008)
20. M. Mikulla, P. Chazan, A. Schmitt, S. Morgott, A. Wetzel, M. Walther,
R. Kiefer, W. Pletschen, J. Braunstein, G. Weimann: High-brightness tapered
semiconductor laser-oscillators and -amplifiers with low modal gain
epilayer-structures, IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 654 (1998)
21. P. Chazan, S. Morgott, M. Mikulla, R. Kiefer, G. Bihlmann, R. Moritz, J. Daleiden,
J. Braunstein, G. Weimann: Influence of the epitaxial layer structure on
the beam-quality factor of tapered semiconductor amplifiers, Proc. LEOS ’97,
San Francisco, CA (1997)
22. J.Chilwalll, I.Yodkinson, Journ/ Opt. Soc. Amtr., A (1984), v.1, No.7, hh.742-753
. J.H. den Bester, et al; "An Integrated 4.times.4-Channel Multiwavelength Laser on InP;" IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US, vol. 15, No. 3, pp. 368-370 (2003).
24. Oh Kee Kwon, et al; "Monolithically Integrated Grating Cavity Tunable Lasers;" IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US, vol. 17, No. 9, pp. 1794-1796. cited by other (2005).
25. Oh Kee Kwon, et al; "Monolithically Integrated Multiwavelength Grating Cavity Laser;" IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Service Center, Piscataway, NJ US, vol. 17, No. 9, pp. 1788-1790, (2005).
26. John S. Gustavsson et al.; "High Speed Digital Modulation Characteristics of Oxide-Confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers--Numerical Simulations Consistent with Experimental Results"; IEEE Journal of Quantum Electronics; vol. 38, No. 8, pp. 1089-1096 (2002).
27. R.W. Fox, C.W. Oates, and L. Hollberg, Stabilizing Diode Lasers to High Finesse Cavities, in "Experimental Methods in the Physical Sciences; Cavity-Enhanced Spectroscopies, Ch. 1, Vol 40, 46 p., (2001).
28. J. Edgecumbe et al., Proc. Directed Energy Professional Society SSDLTR, 193 (2008).
29. P. Moulton et al., Lasers and Applications in Science and Engineering (LASE 2008), paper 6873-15 (2008).
30. V. Gapontsev, I. Berishev, V. Chuyanov, G. Ellis, I. Hernandez, A. Komissarov, N. Moshegov et al.8xx-10xx Highli Efficient Single Emitter Pumps, Proc. of SPIE Vol. 6876, 687601, (2008)
31. Paul Crump, Jun Wang, Steve Patterson, Damian Wise, Alex Basauri et al. 400-W Peak CW Power per Bar from 1-cm GaAs Bars For Emission Wavelengths From 800-nm to 980-nm, 90-W at 660-nm, High-Power Diode Laser Technology and Applications IV, Paper 10, Proc SPIE 6104, (2006)
32. Paul Crump, Weimin Dong, Shiguo Zhang, Mike Grimshaw, Mark DeFranza, Sandrio Elim, Damian Wise, Guokui Kuang, Jun Wang, Suhit Das, Jason Farmer and Mark DeVito: “> 76%CW Wall-plug Efficiency at High Powers from 0.98-µm Emitting Laser Diodes” (2005) Paper #402, Proceedings ICALEO 2005, Miami, FL USA.
33. D. Lorenzen, M. Schröder, J. Meusel, P. Hennig, H. König, M. Philippens, J. Sebastian and R. Hülsewede “Comparative performance studies of indium and gold-tin packaged diode laser bars”, in Proceedings of Photonics West, High-Power Diode Laser Technology and Applications IV, Paper 5, Proc SPIE 6104, (2006)
