高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器研發(fā)已成為國內(nèi)外競爭的焦點(diǎn)之一。美、日、德等國家的企業(yè)在藍(lán)光LD 芯片的研發(fā)上，功率不斷提高，封裝形式不斷標(biāo)準(zhǔn)化，工作更穩(wěn)定，高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器不斷產(chǎn)業(yè)化。高功率半導(dǎo)體激光器的研究目前已相當(dāng)成熟，光束整形和光纖耦合方法也不斷完善，而高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器發(fā)展滯后，主因功率低、價格昂貴，以下主要介紹國內(nèi)外藍(lán)光高功率激光器的研究狀況和應(yīng)用前景。
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藍(lán)光半導(dǎo)體激光器簡介
半導(dǎo)體激光器的分類有多種方法。按波長分有中遠(yuǎn)紅外激光器、近紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等多種類別。而可見光半導(dǎo)體激光器便是其中一個重要的類別。它指的是輸出光波長在可見光范圍內(nèi)（400~700 nm）的一類半導(dǎo)體激光器。其中藍(lán)光半導(dǎo)體激光器是輸出波長在400 nm-500 nm范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光器。
實(shí)現(xiàn)藍(lán)光半導(dǎo)體激光方法有三種：一種是直接發(fā)射藍(lán)光的激光二極管；一種是LD倍頻的藍(lán)色光源；一種是LD抽運(yùn)通過非線性光學(xué)手段獲得的藍(lán)色激光器。早期也用氬離子激光器產(chǎn)生藍(lán)光。藍(lán)光半導(dǎo)體激光器與藍(lán)色LED燈一樣，一般采用GaN類半導(dǎo)體材料。在GaN底板上層疊GaN類半導(dǎo)體的結(jié)晶層，可直接獲得藍(lán)光激光。使用光導(dǎo)波型元件將紅外半導(dǎo)體激光器輸出光轉(zhuǎn)換成1/2波長的光。例如使用850 nm的紅外半導(dǎo)體激光器，可獲得425 nm左右的藍(lán)紫色激光。
上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司代理的大功率藍(lán)光激光器
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國內(nèi)外藍(lán)光半導(dǎo)體器發(fā)展歷史
20世紀(jì)90年代，美國研究人員率先研制出ZnCdSe/ZnSe半導(dǎo)體激光器，77K下得到波長490 nm激光脈沖輸出，在常溫下波長輸出漂移到502 nm。1992年日本索尼公司研制出波長447nm的半導(dǎo)體藍(lán)光激光器，該激光器可在低溫下連續(xù)輸出。1995年日本Nichia公司制成連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)420 nm氮化物藍(lán)光激光器，其使用壽命達(dá)10000小時。
基于光盤及存儲設(shè)備的需求，藍(lán)光激光器芯片每年競相更新?lián)Q代，性能不斷提高，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器開啟商業(yè)化進(jìn)程。2004年，中科院半導(dǎo)體所研制出我國第一臺GaN藍(lán)光激光器。Nichia公司提供了兩款405 nm激光器，它們能在脈沖工作狀態(tài)下的輸出功率為120 mW，針對刻錄應(yīng)用的高功率產(chǎn)品，還有20 mW針對播放應(yīng)用的低功率產(chǎn)品。
日本NEC公司利用化學(xué)蝕刻法代替了傳統(tǒng)的干蝕刻制程光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了適合量產(chǎn)的高質(zhì)量激光器結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了連續(xù)工作達(dá)到300 mW的激光器。2007年，日本NICHIA公司報道了脈沖振蕩輸出的420 nm的半導(dǎo)體激光器以及連續(xù)振蕩輸出達(dá)1 W的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。
2014年德國OSLM公司發(fā)布1.4 W/450nm新型高功率激光二極管以及20發(fā)光點(diǎn)的功率達(dá)到50 W的藍(lán)光激光器面陣，適用于專業(yè)級高端投影儀。
由于GaN基激光器發(fā)展的制約，高功率藍(lán)光半導(dǎo)體光纖耦合模塊的發(fā)展緩慢，阻礙了藍(lán)光激光光源在各領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其在大屏幕激光顯示領(lǐng)域，固體激光存在體積大、不穩(wěn)定、壽命短等問題。2013年德國DILAS公司開發(fā)了1.6 W的TO封裝的藍(lán)光單管，子模塊由8只單管發(fā)出的光經(jīng)過非球面透鏡準(zhǔn)直90°棱鏡旋轉(zhuǎn)的光束整形輸出。再將6個子模塊合成一束光，最后經(jīng)過兩束偏振光偏振合束，可獲得100 W、400 μm/0.22 NA的450 nm激光輸出。
2014年德國DILAS公司利用多只慢軸光束質(zhì)量改進(jìn)的藍(lán)光單管通過空間合束偏振方法實(shí)現(xiàn)了芯徑為 200 μm/0.22 NA的光纖，輸出100 W的450 nm的光纖耦合模塊，耦合效率為 82%，可應(yīng)用在激光醫(yī)療和激光顯示。2014年日本島津所利用空間合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芯徑為105 μm/ 0.22 NA的輸出功率50 W的450 nm的光纖耦合模塊，可用于銅等金屬微加工。
今年美國西部光電展上，北京凱普林光電展示了他們最新研發(fā)的高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，波長為450 nm，功率200 W，200 μm/0.22 NA光纖，適用于材料加工和3D打印等領(lǐng)域。
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藍(lán)光激光器的技術(shù)優(yōu)勢
紅外激光器一直以來很難處理銅等金屬的焊接，與市面常見的紅外激光器相比，藍(lán)光的金屬加工性能約2-10倍。紅外激光器只能工作于匙孔模式下，存在高飛濺、氣孔缺陷等缺點(diǎn)，機(jī)械和電氣性能差、良率低、對異種金屬的焊接難度大，例如Cu/Al和 Cu/SS等材質(zhì)。藍(lán)光激光器高質(zhì)量無飛濺焊接，顯著改善了工藝窗口，能實(shí)現(xiàn)紅外光無法實(shí)現(xiàn)或低效率的焊接。
紅外光和藍(lán)光吸收對比
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藍(lán)光激光器的應(yīng)用前景
藍(lán)光激光波長的特點(diǎn)，使得其在各領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。下面我們重點(diǎn)介紹高功率半導(dǎo)體藍(lán)光激光器在激光顯示、激光醫(yī)療、銅鋁等金屬微加工及水下通信等的應(yīng)用。
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藍(lán)光激光在銅鋁等金屬的加工應(yīng)用
基于市場上對高反材料如銅鋁及其合金的切割需求日益旺盛，藍(lán)光激光器被廣泛用于銅等金屬微加工。銅、金等材料具有高反射率的特點(diǎn)，對紅外等波長激光吸收率極低，激光照射在這類材料上，大部分能量被反射出去，同時還會迅速將被照射的部分能量傳遞到周圍。造成銅、鋁等材料及合金激光切割極其困難，甚至不能被加工。圖為銅材料對不同波長激光的吸收率比較。
銅材料對不同波長激光的吸收率比較
銅材料對 1.1 μm 波長附近的激光吸收率極低，因此 1.1 μm 波長的激光不易切割此材料。在355 nm 及532 nm 波長附近的激光，銅、鋁的吸收率則很高，但目前此類激光器功率較低，造成激光焊接速度較低，不能加工較厚的材料，加工薄的材料效果較好，但成本高。此外對于YAG激光器，需要經(jīng)常進(jìn)行停機(jī)維護(hù)，更換易損配件，光電轉(zhuǎn)換率低、能耗高，需要較高的維護(hù)成本。因此，若能采用高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光對這些材料進(jìn)行加工，半導(dǎo)體激光可實(shí)現(xiàn)長時間穩(wěn)定運(yùn)行、易維護(hù)，提高加工效率和質(zhì)量。
02
高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲
藍(lán)光光盤技術(shù)目前已取代了 DVD 光盤技術(shù)，該技術(shù)采用波長為 450 nm 的藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光器，主要基于聚焦光電尺寸比紅光激光小，從而使光盤盤片的軌道間距比紅光光盤縮小一半，記錄單元因而減少，所以藍(lán)光光盤單面單層盤片的存儲容量大大增加，能達(dá)到 20 GB 以上，雙層雙面等容量則更大。
高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲光盤
03
海洋資源、大氣探測及水下通訊
光進(jìn)入海中，受到海水的作用能量將衰減。引起衰減的原因有吸收和散射。不同波長光在海水中衰減系數(shù)不同，對于200~800 nm 的可見光波長在海水中傳播的衰減系數(shù)，其中400~450 nm之間的藍(lán)色衰減最小，被稱為海水光譜透射窗口。基于該原理，藍(lán)光激光被廣泛用于水下通信、水下探測等，亦可用于探測海洋漁業(yè)資源及海底軍事活動，此外，采用藍(lán)光激光器也可探測出最適宜的臭氧含量。
04
激光顯示應(yīng)用
激光顯示技術(shù)是目前最有潛力的新一代顯示技術(shù)，具有色域廣、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。它能使顯示效果達(dá)到極致，色彩及清晰度都也能達(dá)到極致。目前，國際上許多知名企業(yè)如索尼、三菱電氣等企業(yè)正在加緊研發(fā)和布局該技術(shù)，并且取得了一些重要成果。
激光顯示主要特點(diǎn)是使用紅綠藍(lán)三基色激光器為光源，通過三基色激光合成高色溫高亮度白光，投影到顯示系統(tǒng)，基于激光的短頻譜特點(diǎn)，能夠合成更多的色彩，色域范圍幾乎覆蓋人類所能看到的所有色彩，大大超過前幾代傳統(tǒng)光源的范圍。
激光顯示技術(shù)
目前，激光顯示主要的研發(fā)方向是將激光作為新型光源進(jìn)行投影，向大屏幕方向發(fā)展和三基色激光束在屏幕上進(jìn)行高速掃描直接成像。
大屏幕的激光顯示主要投影技術(shù)是采用RGB三基色進(jìn)行混合獲得白光，再進(jìn)入到成像系統(tǒng)，距離越遠(yuǎn)，屏幕越大，系統(tǒng)對穩(wěn)定性、功率和色溫要求更高。因此，可利用光纖捆綁的方法獲得百瓦以上的高功率藍(lán)光，光斑呈圓形且均勻，尤其適用于激光顯示的應(yīng)用。
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激光醫(yī)療應(yīng)用
早在1960年世界上第一臺紅寶石激光器研制成功的時候，紅寶石激光緊接著就被用在視網(wǎng)膜凝固機(jī)的眼科應(yīng)用中。
隨著激光器的不斷更新迭代，到目前為止，使用的激光醫(yī)療的臨床設(shè)備已經(jīng)有幾十種，激光波長覆蓋自紫外至紅外范圍。最常見的應(yīng)用是激光美容，主要利用激光的高能量、單色光強(qiáng)、激光穿透力等特點(diǎn)，根據(jù)人體組織對特定波長的激光吸收率，控制一定波長、功率及均勻亮度的作用于人體組織，使其能在組織局部產(chǎn)生高熱量達(dá)到預(yù)定的療效。
20世紀(jì)80年代，美國哈佛大學(xué)皮膚系教授 Rox Anderson 博士提出選擇性光熱作用原理，根據(jù)組織-激光吸收與穿透特性曲線，將特定短波長可見光激光照射在皮膚上進(jìn)行治療，藍(lán)綠光剛好可以穿透深度可達(dá)到皮膚的色素組織，能夠很好的去除溶解該組織部分的色素。目前藍(lán)綠光對紅斑痤瘡、面部潮紅等皮膚癥狀治療有很大的應(yīng)用前景。
此外，藍(lán)色激光可用于捕獲和阻尼銫原子的熱振動，消除因熱振動而引起的多普勒加寬，為光譜線的精確計量提供保證。全固態(tài)藍(lán)色激光光源還有望在數(shù)－模轉(zhuǎn)換器件、激光和刷術(shù)、激光醫(yī)學(xué)、生化技術(shù)、材料科學(xué)和光通信等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
封面來源：narutofanon.wikia.com
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