自主研制的高功率、高效率半导体激光巴条芯片

　　

　　高效率、高功率半导体激光芯片

　　

　　高功率半导体激光芯片是整个激光加工产业链的基石与源头，是实现激光系统体积小型化、重量轻质化和功率稳定输出的前提和保证，可广泛应用于先进制造、医疗美容、航空航天、安全防护等领域。欧美等发达国家在高功率、高效率半导体激光芯片研究方面处于领先水平，目前国内实用化的高功率半导体激光器，单管大于5W、单巴条大于40W几乎全部依靠进口，严重制约了我国激光技术产业的发展。

　　

　　西安光机所千人计划特聘专家杨国文研究员承担的西安光机所十二五“一三五”自主部署项目“高效率、高功率半导体激光芯片研究”经过一年的技术攻关，取得重要进展。在国内率先突破了高效率、高功率芯片设计，低应力、低缺陷材料与器件制备工艺，高损伤阈值激光腔面处理，FMA失效机理分析等关键技术；完成了四款高端半导体激光芯片的自主研制任务。其中，百瓦级半导体激光芯片的电光转换效率达到国际最好水平，超过国际同类器件的性能指标。项目研制高效率、高功率半导体激光芯片20余只，发表SCI论文2篇，申请专利9项。该项目近期通过结题验收。

　　

　　“高效率、高功率半导体激光芯片研究”成果打破了我国高端半导体激光芯片长期依赖进口的局面，为“中国制造2025”、“互联网 ”等国家重大应用需求提供核心支撑。

　　

　　用于高功率光纤激光器的大模场光纤

　　

　　近年来，高功率掺镱光纤激光器以其高功率、高可靠性、高光束质量等优势广泛应用在工业、医疗、科研、军事等领域。然而随着输出功率的逐步提高，非线性效应及热损伤成为制约光纤激光器发展的重要因素。他们使光纤激光器的光束质量降低，输出功率难以进一步提高，阻碍了光纤激光器的进一步发展。因此，研究大模场，高掺杂，高光束质量的光纤是目前光纤激光器发展急需解决的问题。

　　

　　武汉光电国家实验室光纤激光技术团队(FLTG)的博士生褚应波等人，在杨旅云、李进延、戴能利等老师的指导下，利用基于硼硅酸盐玻璃分相技术制备掺Yb3 石英玻璃芯棒，进而制备大芯径双包层光纤。实验测试了这种光纤的折射率分布、Yb3 吸收、以及背景损耗并演示了其激光性能。研究表明：该光纤的芯径为30微米，包层为400微米；纤芯折射率分布均匀，数值孔径约为0.09；Yb3 在976nm处的吸收为5.5dB/m,背景损耗为0.02dB/m;通过除水工艺，光纤中羟基含量降到1.06ppm；光纤在976nm半导体激光器泵浦下实现了1071nm激光输出，斜率效率达到72.8%，光纤长度为2.3m。研究结果表明这种方法在制备大芯径高掺杂及具有复杂纤芯结构的有源光纤方面具有较大潜力。

　　

　　新型双包层有源光纤研制成功

　　

　　随着光纤激光器朝着更高功率、更短脉冲，更高光束质量的方向发展，传统有源双包层光纤的模场面积成为其发展的瓶颈。基于微结构光纤技术的有源光纤为增大模场面积提供了有效思路。

　　

　　武汉光电国家实验室光纤激光技术团队李进延教授和博士生韦会峰等人研发了一种新型全固体双包层有源光纤，这种光纤设计借助对包层有效折射率能精确调控的PDC(passivelydopedcladding)技术，大大满足了超大模场光纤对于折射率精确控制的要求。在该研究中，已证实可以通过调节包层掺杂点阵的填充率以及包层掺杂的浓度，实现了低至1×10-5的折射率变化。实验中利用同一根预制棒拉制了直径分别为50um和127um的光纤。测试表明50um光纤可在1064nm实现稳定的单模运转，而127um光纤借助模式优化技术亦可实现单模输出。本光纤为全固体光纤，不包含任何气孔，因此其拉丝工艺向对简单，且在实际使用中对接续、端面打磨、耦合器的制作等带来极大的便利。因此这类光纤非常适合大功率、高能量的光纤激光器实际应用。

　　

　　结语：

　　

　　激光核心器件自产化，是我国激光产业突破发展瓶颈的必经之路，这使得国内企业在器件价格方面有了一定的“议价权”，逐步摆脱了受人扼颈的尴尬境地，对促进我国激光产业健康发展具有重要意义。