Qu'en est-il du laser à semi-conducteur haute puissance laser NIR ?

Les lasers à semi-conducteurs haute puissance sont largement utilisés dans la fabrication intelligente, la communication laser, la détection laser, la beauté médicale, etc. Depuis leur naissance, ils ont fait de grands progrès en théorie, pratique et application, représentant la majeure partie du marché global du laser. Parmi eux, les lasers à semi-conducteurs de haute puissance dans la bande proche infrarouge sont les meilleurs.

Puces laser à semi-conducteurs à haute puissance dans le proche infrarouge Les puces laser à semi-conducteurs à haute puissance sont les principales sources lumineuses des lasers à haute énergie contemporains représentés par les lasers à semi-conducteurs à fibre optique, à semi-conducteurs et directs. La puissance, la luminosité et la fiabilité de la puce laser sont des indicateurs fondamentaux qui affectent directement les performances et le coût du système laser.

La structure principale d'une puce laser à semi-conducteur comprend une couche électroluminescente épitaxiale qui fournit un milieu de gain laser, une électrode qui injecte des porteurs dans la couche électroluminescente épitaxiale et une surface de cavité de clivage qui forme une cavité résonnante. Le processus de développement de la puce comprend les étapes de conception de la structure épitaxiale et de croissance du matériau, le processus de conception et de préparation de la structure de la puce, le traitement de passivation par clivage de la surface de la cavité et le revêtement optique, le test d'emballage de la puce, la fiabilité de la durée de vie de la puce et l'analyse des performances, parmi lesquels les indicateurs de base directement Les trois technologies clés sont la conception de la structure épitaxiale et la croissance des matériaux, la conception de la structure de la puce et le processus de préparation, le clivage de la surface de la cavité et le traitement de passivation.
(1) Conception de la structure épitaxiale et croissance du matériau La conception de la structure épitaxiale et la croissance du matériau impliquent le gain et le pompage du laser, ce qui affecte directement l'efficacité électro-optique de la puce. Les principaux facteurs sont l'hétérojonction et la perte de tension du matériau en vrac, la perte de fuite de porteur et la perte d'absorption de la lumière. Selon l'analyse de la bande d'énergie des matériaux semi-conducteurs, la tension d'hétérojonction provient principalement de l'interface entre la couche de confinement, le substrat et la couche de guide d'ondes, et la tension d'hétérojonction de la puce est efficacement réduite grâce au gradient d'interface et à l'optimisation du dopage élevé. La résistance du matériau en vrac peut être obtenue en ajustant la composition du matériau pour augmenter la mobilité des porteurs et augmenter la concentration de dopage. La réduction de la perte de fuite des porteurs nécessite une barrière de confinement des porteurs suffisante, en particulier la barrière électronique du plan p. Par conséquent, la réduction de la résistance des matériaux en vrac et l'amélioration du confinement des porteurs doivent être prises en compte de manière globale pour optimiser la composition du matériau. La perte d'absorption optique peut généralement être obtenue en concevant une structure de guide d'ondes à cavité optique ultra-large asymétrique. Lorsque l'épaisseur totale de la couche de guide d'ondes reste inchangée, l'épaisseur de la couche de guide d'ondes du plan p est réduite et l'épaisseur de la couche de guide d'ondes du plan n est augmentée, de sorte que la partie principale du champ optique est distribuée dans le bas Absorb le plan n à faible résistance, réduit le chevauchement du champ optique et du plan p à absorption élevée, réduit la tension du matériau en vrac et réduit la perte d'absorption de la lumière. En même temps, combinée à la conception de distribution de dopage progressive, l'optimisation simultanée de la perte de tension du matériau en vrac et de la perte d'absorption de lumière est réalisée. Les puces laser dans la bande de 900 nm utilisent généralement des puits quantiques InGaAs comme matériau de gain et des puits quantiques AlInGaAs avec une contrainte élevée pour augmenter le gain, mais les puits quantiques AlInGaAs en tant que matériau quaternaire ont des exigences plus strictes pour le contrôle de la croissance du matériau. Il est nécessaire d'optimiser le rapport d'atmosphère et le taux de température de croissance pour augmenter l'énergie de nucléation des défauts du corps de puits quantique, réduisant ainsi la densité de défauts des puits quantiques et développant des puits quantiques de haute qualité et à forte contrainte.
(2) Lorsque la conception de la structure de la puce et le processus de fabrication fonctionnent en mode haute puissance, l'intensité latérale du mode d'ordre élevé de la puce augmente, ce qui entraîne une forte augmentation de l'angle de divergence et une diminution de la luminosité. L'absorption et la diffusion au bord du guide d'ondes sont généralement utilisées dans les rapports de la littérature pour réduire l'intensité des modes d'ordre élevé, mais cela entraînera également une perte d'absorption supplémentaire pour les modes d'ordre inférieur et réduira la puissance optique totale. De plus, lorsque vous travaillez à haute puissance, l'intensité du champ optique de la puce est inégalement répartie dans la direction longitudinale, tandis que la concentration de porteurs générée par l'injection de courant de la puce à structure conventionnelle est uniforme dans la direction longitudinale, de sorte que l'intensité du champ optique et la distribution de concentration de porteurs ne peut pas correspondre, cela produira un effet de combustion de trou d'espace vertical, entraînant une saturation de puissance. Une façon de résoudre ce problème consiste à ajuster la structure du dispositif de distribution d'injection de porteurs.
(3) Clivage de la surface de la cavité et traitement de passivation Le principal mode de défaillance des puces laser à semi-conducteurs haute puissance est l'endommagement par catastrophe optique de la surface de la cavité (COMD). COMD provient de l'absorption de la lumière de la surface de la cavité de clivage et de la zone environnante lorsque la puce fonctionne à haute puissance. L'absorption de la lumière de surface est causée par le clivage des liaisons pendantes de surface, l'oxydation de surface et la contamination de surface, tandis que le clivage conventionnel de la surface de la cavité est effectué dans l'atmosphère ou dans un environnement à vide faible, et ce problème ne peut être évité. L'absorption de la lumière dans la région proche de la surface de clivage provient de l'absorption interbande. Lorsque la puce fonctionne à haute puissance, la température de cette région augmente, ce qui entraîne une diminution de la bande interdite du matériau et une augmentation de l'absorption interbande. Le moyen le plus efficace de réduire ce type d'absorption consiste à former une structure de fenêtre à large bande interdite (faible absorption). Grâce au développement de la conception de la structure épitaxiale et de la croissance des matériaux, de la conception de la structure de la puce et du processus de préparation, du clivage de la surface de la cavité et du traitement de passivation, Suzhou Everbright Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. (ci-après dénommé "Everbright Huaxin") a lancé un 28 W puce laser à semi-conducteur. L'augmentation de puissance de la puce provient principalement de la conception optimisée de la structure épitaxiale de la puce et de l'amélioration de la technologie de traitement spéciale de la surface de la cavité. La puissance de sortie des lasers à semi-conducteurs est principalement affectée par des facteurs tels que le seuil laser, la pente et la courbure de courant élevé. Habituellement, en réduisant la concentration de dopage de la jonction pn pour obtenir la réduction du seuil et l'augmentation de la pente, une concentration de dopage trop faible entraînera l'augmentation de la résistance de la jonction pn et l'augmentation de la tension de la puce. Afin de résoudre le problème de l'optimisation de l'équilibre entre la pente de seuil et la tension, Changguang Huaxin a optimisé l'épaisseur de la couche de guide d'ondes de la grande structure de cavité optique asymétrique et a soigneusement conçu la distribution de la concentration de dopage dans différentes régions de la jonction pn, donc afin de réduire le seuil et d'améliorer l'efficacité de la pente. L'effet de maintenir la tension fondamentalement constante. La courbure de courant élevé est principalement due à la diminution de l'efficacité quantique interne lorsqu'un courant élevé est injecté. Everbright a optimisé la structure de bande d'énergie du matériau près de la région de gain de la structure laser, amélioré la capacité de confinement des électrons injectés par jonction pn et amélioré efficacement l'efficacité quantique lors de l'injection de courant élevé. Tout en optimisant la puissance de la puce laser, Everbright continue d'améliorer la qualité du matériau du processus de traitement spécial de la surface de la cavité pour réduire le taux de défauts, améliorer la capacité de la surface de la cavité à résister aux dommages de catastrophe optique et garantir que le 28 W puce laser haute puissance répond aux exigences du marché industriel pour la durée de vie du laser. exigences.

En tant qu'outil pratique, le laser à fibre de module de source de lumière à semi-conducteur haute puissance proche infrarouge s'est développé rapidement ces dernières années en raison de ses avantages uniques et joue un rôle important dans les domaines de la fabrication industrielle, du traitement et de la recherche scientifique. En tant que dispositif central amont du laser à fibre, le développement de la source de pompage accompagne également et même favorise le développement et les progrès de la technologie globale du laser à fibre.
(1) Source de pompage laser à fibre industrielle Ces dernières années, le marché des lasers à fibre industriels s'est développé rapidement et connaît une forte dynamique. Les lasers à fibre ont pris la tête du marché du traitement laser industriel avec leur technologie unique et leurs avantages d'application. En ce qui concerne le marché des lasers à fibre industriels, la technologie des lasers à fibre de faible à moyenne puissance a mûri et s'est stabilisée, et est pleinement entrée dans la phase de concurrence des coûts.

2) Source de pompage laser à fibre pour la recherche scientifique. Les lasers à fibre pour la recherche scientifique ont généralement des exigences plus élevées en matière de luminosité ou sont utilisés dans certains scénarios d'application particuliers. Ces exigences s'étendent à la source de pompage. Généralement, la source de pompage doit avoir une luminosité élevée et une petite taille. , léger, verrouillage de longueur d'onde et autres caractéristiques. Un petit volume nécessite une conception d'emballage compacte pour la source de pompage, et un poids léger nécessite un traitement de réduction de poids nécessaire pour la source de pompage et l'utilisation de nouveaux matériaux métalliques à faible densité pour traiter l'enveloppe du tube sur la base de l'efficacité de la conduction thermique.

High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers have the characteristics of high brightness, wide wavelength range, high electro-optical conversion efficiency and easy use, and have a wide range of potential applications in industry and scientific research fields, such as for Metal material processing, Yb-doped fiber laser pumping, Raman nonlinear fiber laser pumping, and energy transfer. Brightness is defined as B=P·A-1·Ω-1, where P is the output power of the laser, A is the area of the beam waist of the output beam of the laser, and Ω is the solid angle of the divergence angle of the output beam of the laser. Generally speaking, the higher the brightness, the smaller the focused spot size and the longer the working distance. The continuous output power of a single laser diode light-emitting unit (or laser diode single tube) is less than 40 W, and it is necessary to use different beam combining methods to combine dozens to hundreds of single tube chips into a beam output to achieve kilowatt-level output. Conventional direct semiconductor lasers are based on a laser diode single tube or bar (composed of multiple single tubes), using spatial beam combining, polarization beam combining, coarse spectrum beam combining or fiber beam combining to increase output power. Direct semiconductor lasers based on this type of beam combining technology have high output power and low cost, and are favored by the industry, and can be used for welding and cladding of metal materials. Using the dense spectral beam combining technology based on a single-tube chip, Everbright Huaxin has successfully developed a variety of high-brightness fiber-coupled direct semiconductor lasers, which greatly improved the output brightness of direct semiconductor lasers (> 200 MW cm-2 Sr-1) and Electro-optical conversion efficiency (>45 pour cent). Par exemple, en 2019, Everbright a lancé un laser à semi-conducteur de 1 kW, 220 μm/NA0.22 (avec une luminosité de sortie de 21 MW cm-2 Sr -1), qui a été largement utilisé dans le soudage de plaques minces ; la même année, il a lancé un laser à semi-conducteur direct de 4 kW, 600 μm/NA0,22 (luminosité de sortie de 11 MW cm-2 Sr-1) largement utilisé dans le revêtement de surface. Cependant, en raison du grand diamètre du noyau de la fibre de sortie et de la faible luminosité, ce type de laser ne peut pas être utilisé pour couper des matériaux métalliques et des applications de recherche scientifique qui nécessitent une luminosité élevée. La figure 8 montre les résultats de simulation de plusieurs puces à tube unique combinant spatialement le couplage de fibres. Le nombre maximum de puces à tube unique pouvant être prises en charge par une fibre 100 μm/NA0.22 est de 12, de sorte que la puissance de sortie n'est que 12 fois supérieure à celle d'une seule puce à tube unique.

Les lasers à semi-conducteurs à haute puissance dans le proche infrarouge peuvent être utilisés comme sources de pompage et dispositifs de base pour les lasers à semi-conducteurs et à fibre, et peuvent également être directement utilisés dans les domaines de la recherche industrielle et scientifique grâce à différentes technologies de combinaison de faisceaux, occupant un grand marché dans le laser industrie. La puce à tube unique est un dispositif unitaire d'une source de pompage laser à semi-conducteur de haute puissance. Ses caractéristiques complètes déterminent la puissance optique de sortie, l'efficacité de conversion et le volume du module source de pompage final. Par conséquent, il est devenu le centre de notre recherche et développement et de nos recherches. Grâce à la recherche théorique approfondie de l'équipe de recherche, aux progrès de la technologie de croissance des matériaux et au développement de la technologie d'emballage, JTBYShield a considérablement amélioré la puissance de sortie, la durée de vie, la fiabilité et la pratique d'application des lasers à semi-conducteurs haute puissance, raccourcissant considérablement le temps entre l'écart étranger. À l'avenir, nous ferons non seulement des percées dans les technologies clés, mais nous réaliserons également l'industrialisation et réaliserons la localisation et l'industrialisation complètes des puces et dispositifs de source de pompage laser haut de gamme.

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