大功率半导体激光器

从中国科学院长春光学精密机械与物理研究所了解到，由该所研究员王立军带领的课题组攻克了大功率半导体激光器关键核心技术，成功开发出千瓦量级、高光束质量、小型化的各种半导体激光光源，并将成为工业激光加工领域的新一代换代产品。 　　王立军对记者说，大功率半导体激光器是激光加工、激光医疗、激光显示等领域的核心光源和支撑技术之一。由于西方发达国家掌控着大功率半导体激光器关键核心技术，长期以来，我国工业用激光加工设备不得不依赖进口。 　　王立军介绍说，他们的团队历经数年努力，通过激光光束整形、激光合束等关键技术，实现了高光束质量半导体激光大功率输出。 　　据了解，日前由王立军团队承担的这项研究——“高密度集成、高光束质量激光合束高功率半导体激光关键技术及应用”荣获了2011年度国家技术发明奖二等奖。项目组已经开始与一汽集团和北车集团接洽，尝试将这项技术应用于汽车制造等领域。

“民用半导体激光器件我们已摆脱长期依赖进口的局面。现在,我们已经发明成功,工艺性能稳定,产品投入规模生产阶段。”1月10日,记者在山东浪潮华光公司采访,听着技术专家高兴地介绍着,看到那长长的流水线正“收获成熟的芯片”。如今,我们的企业真正拥有了世界顶尖的核心技术,产品价格大幅度下降,让“等面值人民币”买到“等面值美元”的产品不再是梦想。 　　民用激光显示技术能够完美地再现自然色彩,是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的第四代显示技术。目前,国际上激光显示技术已发展到产业化前期阶段,未来3至5年,将是全球激光显示技术产业化发展的关键时期。为加快推进光电技术研究,打破关键技术的“封锁”,我国把“新一代激光显示技术工程化开发”列为863计划重点项目,其中的“高可靠性、低成本半导体激光器材料与器件工程化开发”课题让山东浪潮华光光电子有限公司所承担。 　　浪潮华光是国内唯一一家拥有从激光器材料生长到器件制作的完整生产线的高新技术企业,自1999年建厂以来,其半导体激光二极管及大功率激光器的产销量持续稳居国内第一。为推进课题进展,浪潮华光组建精英团队,加速科研攻关。公司成立了由总经理、国务院特殊津贴专家郑铁民研究员担任组长的项目小组,调动公司所有资源,完善了科研团队建设,从半导体激光器的材料生长、管芯工艺制作、器件封装等整个制造工艺链均配备了专业人才。组建了以长江学者徐现刚教授为学术带头人的研发团队,有研究员、高级工程师和博士、硕士等80余人。强大的科研团队借助公司已有的省级半导体激光器技术实验室、山东省半导体发光材料与器件工程实验室等科研平台,开展了技术攻关。 　　期间,在徐现刚教授的引领下,技术总监夏伟博士组织浪潮华光的精英团队成员,集思广益,刻苦钻研,成功实现了三大关键技术突破:一是TM偏振808nm半导体激光器外延材料与芯片研制。围绕实现项目要求的特定偏振激光输出,项目组从理论设计激光器的材料结构开始,进行了系统的研究,有效采用了MOCVD技术制备这种特殊材料,加快了科研步伐。目前,该技术世界上只有为数不多的几个大公司掌握。通过5个月的努力,浪潮华光成功掌握了自主生长技术,满足了项目需求。二是635nm激光器外延材料与芯片研制。为了增加红光分量的亮度,激光显示项目在红光波段选择了波长最短的635nm半导体激光器。浪潮华光在650nm半导体激光器方面积累了丰富经验,形成了稳定的650nm半导体激光器产品,占据市场70%的份额。虽然635nm激光器相比650nm红光激光器只有十五纳米的波长差异,但是其带来的技术难题却成几何级数增长。目前,只有日本的几家公司掌握了635nm激光器的制作技术。浪潮华光研发团队经过上千次的试验,最终突破了635nm红光激光器材料的生长技术难点,实现了红光激光器的大功率输出和长期可靠工作。三是模组封装及集成技术。浪潮华光的封装技术人员克服时间紧任务重的困难,与863项目的用户积极配合,实现了高精度多管芯封装技术、新型热沉制作技术、微透镜整形技术等多项自主创新技术,完成了项目要求的模组封装和整形。 　　目前,针对所承担的“863”项目,浪潮华光已成功研制出满足激光显示工程化要求的808nm、635nm高可靠性、低成本半导体激光器件,并已经初步实现了规模化的生产。从目前的科研和生产进度上看,浪潮华光有望提前全面完成项目预定任务,并能实现批量提供民用激光显示用激光光源的目标,将会大大降低激光器的价格,并带动国内激光器应用市场的发展和更加广泛的应用,实现了“替代进口产品、提高我国半导体激光器的地位、实现激光器显示用核心元器件国产化”的梦想,让该公司产品在国际激光显示产业中独占鳌头。

成果名称 400um光纤耦合千瓦半导体激光器 单位名称 北京工业大学 联系人 李强 联系邮箱 ncltlq@bjut.edu.cn 成果成熟度 □研发阶段 &radic 已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 合作方式 &radic 技术转让 &radic 技术入股 &radic 合作开发 □其他 成果简介： 　　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光头实物图 　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光器整机实物图 本项目研发的光纤耦合半导体激光器光纤耦合输出功率大于1000W，光束质量好，耦合光纤芯径400&mu m，光纤耦合效率大于96%，总的电光效率42.99%。样机集成激光模块、电源、冷却、控制等为一体，通过触摸屏实现激光器开关、输出功率设置、状态监测显示。激光器可以放置于机柜上方，也可以与机柜分离放置，适应科研应用及工业加工配合机床或者机械手的应用需求。产品化样机配备了用于激光焊接、激光熔覆的加工头，已进行了不锈钢等材料的激光焊接、激光熔覆加工应用。 本项目研发的高光束质量光纤耦合输出半导体激光器，采用标准的半导体阵列（10mm bar），避免采用特殊的半导体激光器所带来的器件成本增加；采用微光学元件对半导体阵列的发光单元重构、变换，单阵列输出功率高，组合阵列数减少，装配工艺相对简单，降低了制作成本；耦合传输光纤采用高功率石英传输光纤，提高激光器的传输效率和可靠性，满足推广应用的要求。 本项目创新点是采用标准的半导体阵列（10mm bar），通过微光学元件将阵列发光单元重构、变换的新方法，极大提高阵列的光束质量。本项目所研制的400&mu m光纤耦合千瓦激光器中，所使用的每一个半导体阵列都采用了该技术提高了光束质量，使得每个空间合束模块能够获得高功率、高光束质量的激光输出。 该项技术不仅可以应用于半导体激光器的直接应用，而且在用于泵浦源应用时，可以提高泵浦激光的功率密度，可以为提高输出激光的功率和光束质量。可以预期的是，利用该项技术，在现有的400&mu m光纤耦合千瓦激光器的技术基础上，通过合束更多的激光波长，获得2000W，甚至更高的激光输出功率，为工业应用提供更高功率的激光源。而且该项技术应用于泵浦固体激光器、光纤激光器等方面，提高了泵浦光的功率密度，也为实现高性能的固体激光器、光纤激光器等提供更好的技术支持。 应用前景： 输出激光光强分布图 半导体激光器与其他传统的材料加工用大功率激光器如 CO2 激光器、YAG 激光器相比，具有体积小巧，结构紧凑，是灯泵 Nd：YAG 激光器的1/3，光电转化效率高，节省能源，无污染，系统稳定性高，寿命长，维护费用低的特点。 目前大功率光纤耦合半导体激光器用于激光熔覆、激光焊接在中国处于启动阶段，国产光纤耦合半导体激光器，只能将标准半导体阵列激光耦合入大芯径光纤（芯径600&mu m以上光纤），由于激光亮度低，只能用于金属材料的激光熔覆。而本项目研制的400um光纤耦合千瓦半导体激光器，由于光束质量好，可直接用于激光熔覆、激光焊接、切割等领域，代替国外产品。 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器除了具有国内外的半导体激光亮度的基础指标外，还具有其它优点：1. 自主开发，具有完全的自主知识产权；2.采用标准半导体阵列，使整体原材料成本降低20%－25%；3.空间合束组合模块后，进行偏振、波长合束的方法组合，使产业化中方便进行模块化工艺设计，适于大批量生产；4.采用微光学元件对光束进行整形，使装配难度及后端光纤耦合难度降低，从而降低生产成本；可附加多种功能，如指示光、光电探测器等，更灵活适应用于各种行业；5.多个半导体阵列模块可灵活组合，可方便为用户提供多种解决方案。 知识产权及项目获奖情况： 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器受到北京市科学技术委员会首都科技条件平台资助，是自主开发产品，具有完全的自主知识产权。 专利情况： （1）大功率固体激光高效率光纤耦合方法，专利号：CN101122659A （2）激光二极管电极连接装置，专利号：CN100527532C