自主研制的高功率、高效率半導體激光巴條芯片

　　

　　高效率、高功率半導體激光芯片

　　

　　高功率半導體激光芯片是整個激光加工產業鏈的基石與源頭，是實現激光系統體積小型化、重量輕質化和功率穩定輸出的前提和保證，可廣泛應用于先進制造、醫療美容、航空航天、安全防護等領域。歐美等發達國家在高功率、高效率半導體激光芯片研究方面處于領先水平，目前國內實用化的高功率半導體激光器，單管大于5W、單巴條大于40W幾乎全部依靠進口，嚴重制約了我國激光技術產業的發展。

　　

　　西安光機所千人計劃特聘專家楊國文研究員承擔的西安光機所十二五“一三五”自主部署項目“高效率、高功率半導體激光芯片研究”經過一年的技術攻關，取得重要進展。在國內率先突破了高效率、高功率芯片設計，低應力、低缺陷材料與器件制備工藝，高損傷閾值激光腔面處理，FMA失效機理分析等關鍵技術；完成了四款高端半導體激光芯片的自主研制任務。其中，百瓦級半導體激光芯片的電光轉換效率達到國際最好水平，超過國際同類器件的性能指標。項目研制高效率、高功率半導體激光芯片20余只，發表SCI論文2篇，申請專利9項。該項目近期通過結題驗收。

　　

　　“高效率、高功率半導體激光芯片研究”成果打破了我國高端半導體激光芯片長期依賴進口的局面，為“中國制造2025”、“互聯網 ”等國家重大應用需求提供核心支撐。

　　

　　用于高功率光纖激光器的大模場光纖

　　

　　近年來，高功率摻鐿光纖激光器以其高功率、高可靠性、高光束質量等優勢廣泛應用在工業、醫療、科研、軍事等領域。然而隨著輸出功率的逐步提高，非線性效應及熱損傷成為制約光纖激光器發展的重要因素。他們使光纖激光器的光束質量降低，輸出功率難以進一步提高，阻礙了光纖激光器的進一步發展。因此，研究大模場，高摻雜，高光束質量的光纖是目前光纖激光器發展急需解決的問題。

　　

　　武漢光電國家實驗室光纖激光技術團隊(FLTG)的博士生褚應波等人，在楊旅云、李進延、戴能利等老師的指導下，利用基于硼硅酸鹽玻璃分相技術制備摻Yb3 石英玻璃芯棒，進而制備大芯徑雙包層光纖。實驗測試了這種光纖的折射率分布、Yb3 吸收、以及背景損耗并演示了其激光性能。研究表明：該光纖的芯徑為30微米，包層為400微米；纖芯折射率分布均勻，數值孔徑約為0.09；Yb3 在976nm處的吸收為5.5dB/m,背景損耗為0.02dB/m;通過除水工藝，光纖中羥基含量降到1.06ppm；光纖在976nm半導體激光器泵浦下實現了1071nm激光輸出，斜率效率達到72.8%，光纖長度為2.3m。研究結果表明這種方法在制備大芯徑高摻雜及具有復雜纖芯結構的有源光纖方面具有較大潛力。

　　

　　新型雙包層有源光纖研制成功

　　

　　隨著光纖激光器朝著更高功率、更短脈沖，更高光束質量的方向發展，傳統有源雙包層光纖的模場面積成為其發展的瓶頸。基于微結構光纖技術的有源光纖為增大模場面積提供了有效思路。

　　

　　武漢光電國家實驗室光纖激光技術團隊李進延教授和博士生韋會峰等人研發了一種新型全固體雙包層有源光纖，這種光纖設計借助對包層有效折射率能精確調控的PDC(passivelydopedcladding)技術，大大滿足了超大模場光纖對于折射率精確控制的要求。在該研究中，已證實可以通過調節包層摻雜點陣的填充率以及包層摻雜的濃度，實現了低至1×10-5的折射率變化。實驗中利用同一根預制棒拉制了直徑分別為50um和127um的光纖。測試表明50um光纖可在1064nm實現穩定的單模運轉，而127um光纖借助模式優化技術亦可實現單模輸出。本光纖為全固體光纖，不包含任何氣孔，因此其拉絲工藝向對簡單，且在實際使用中對接續、端面打磨、耦合器的制作等帶來極大的便利。因此這類光纖非常適合大功率、高能量的光纖激光器實際應用。

　　

　　結語：

　　

　　激光核心器件自產化，是我國激光產業突破發展瓶頸的必經之路，這使得國內企業在器件價格方面有了一定的“議價權”，逐步擺脫了受人扼頸的尷尬境地，對促進我國激光產業健康發展具有重要意義。