高出力半導体レーザのための重要技術

レーザ用途の需要は増加し続けており、半導体レーザに対する要求もまた増加しており、これは主に以下の側面においてである。
産業用処理における電力要件を満たすための、出力電力の向上、高出力２Ｄまたは３Ｄアレイの開発、電気光学変換効率の向上、レーザシステムの小型化および高効率の達成、放熱圧力の低減、ならびにコストの低減。ビーム品質;信頼性を向上させる、つまり、大きな放射電力や温度差のある環境で宇宙航空宇宙船に出会うなど、ピーク電力が高く、非常に過酷な環境でも自由に使用できます。


高出力半導体レーザのための重要技術

構造設計の最適化
高出力半導体レーザの開発は、それらのエピタキシおよびチップ構造の研究および設計に密接に関連している。構造設計は、高出力半導体レーザ装置の基礎です。半導体レーザの３つの基本原理は、導波路構造の電気注入設計、量子井戸設計、および光照射野設計にそれぞれ対応する、電気注入および閉じ込め、電気光学変換、光閉じ込め、および出力である。これら3つの側面から半導体レーザの構造研究の改良を継続的に最適化し、非対称ワイド導波路構造を開発し、量子井戸、量子細線、量子ドット、フォトニック結晶構造を最適化し、レーザ技術の継続的改善を促進しレーザを作る。出力、電気 - 光変換効率はますます高くなり、ビーム品質はますます良くなり、そして信頼性はますます高くなっている。
高品質エピタキシャル材料成長技術
半導体レーザエピタキシャル材料成長技術は、半導体レーザ開発の中核です。高品質のエピタキシャル材料成長プロセス、極めて低い表面欠陥密度、およびインビボ欠陥密度は、高いピーク電力出力を達成するための前提条件であり保証されている。また、不純物も半導体材料において重要な役割を果たしており、精密な半導体エピタキシャルドーピング工程がなければ、高性能な量子井戸レーザは存在しないと言えます。主にドーピング曲線の最適化を通して、ライトフィールドと高濃度ドープ領域との重なりが減少し、それによって自由キャリア吸収損失が減少し、デバイスの変換効率が改善される。
キャビティ表面処理
高出力半導体レーザの用途は、典型的には、高いレーザ出力と優れた信頼性を必要とする。半導体レーザの出力パワーを制限する主なボトルネックは、高パワー密度でのキャビティ表面の劣化によって引き起こされる光学的破壊的損傷（ＣＯＭＤ）である。
半導体レーザの共振器面積には、へき開や酸化などによる欠陥が多数あり、これらの欠陥が光吸収中心および非放射再結合中心となる。光吸収により発生した熱は共振器表面の温度を上昇させ、その温度上昇はバンドギャップを減少させるので、共振器表面領域とレーザの内部領域との間に電位勾配を形成し、キャリアを共振器表面領域に注入することがより重要である。バンドギャップが減少した後、バンド間の光の吸収は減少し、それは両方ともキャビティ表面領域におけるキャリア濃度を増加させ、非放射再結合を強化し、そしてさらにキャビティ表面温度を増加させる。他方、高出力半導体レーザの大電流注入はまた、キャビティ表面の非放射再結合を強化する。キャビティ表面の温度を急速に上昇させるのは、光吸収、非放射再結合、温度上昇およびバンドギャップ減少の正のフィードバックプロセスであり、最後にキャビティ表面が焼失する、すなわちＣＯＭＤが発生する。
キャビティ表面問題の根本的な原因は、キャビティ表面の汚染、酸化、材料欠陥などを含むキャビティ表面欠陥の存在である。これらのキャビティ表面欠陥は、最初にＣＯＭＤの一貫性に影響を与え、次に長期安定性に影響を及ぼすデバイスの劣化をもたらす。一般に、キャビティ表面の欠陥および酸化を低減または除去し、キャビティ表面の光吸収を低減し、そしてキャビティ表面のＣＯＭＤ値を増大させ、それによって高いピーク電力出力を達成するために、様々なキャビティ表面パッシベーションおよびコーティング技術を使用することができる。
統合包装技術
レーザチップの冷却およびパッケージングは​​高出力半導体レーザの製造において重要な部分であり、レーザビーム整形およびレーザ集積化技術はキロワットおよびメガワットのレーザを得るための主な方法である。高出力半導体レーザの高出力電力および小さい発光面積のために、動作中に発生する熱密度は高く、それはパッケージ構造およびプロセスにより高い要求を課す。高出力半導体レーザパッケージングの重要な技術研究は熱、パッケージング材料と応力の面から始めて、熱管理と熱応力パッケージング設計を解決して、高出力、高輝度と高信頼性への直接半導体レーザの技術的進歩を実現することである。
半導体レーザー応用
半導体レーザの直接応用の分野は広範囲に拡大されてきた。固体レーザーやファイバーレーザーのポンプ光源として使用されるだけでなく、光通信、工業加工、医療美容、照明監視などの多くの分野でも直接使用されています。近年、３Ｄセンシング、レーザーレーダー、レーザーディスプレイなどの分野における半導体レーザーの新たな用途が大きな注目を集めている。

通信と光ストレージ
光通信の分野は依然として半導体レーザ用途の最大の市場であり、光ファイバ通信は現代の通信技術の主流となっている。それはまた、光並列処理システムにとって理想的な光源であり、光コンピュータおよび光ニューラルネットワークにおいて使用することができる。現在、光通信の分野における主な用途は、１．３μｍおよび１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ ／ ＩｎＰ半導体レーザである。光情報および記憶の主な用途である赤色光レーザおよび青色レーザは、高密度の情報記憶および処理を可能にする。

励起光源
半導体レーザー励起固体レーザーおよびファイバーレーザーは、高出力半導体レーザーのために最も広く使用されている用途である。励起光源として、半導体レーザーは他の光源がかけがえのないものであるという優位性を持っていますファイバーレーザーは過去5年間で最も影響力のある励起市場になりました。ポンプ源は、シングルチップ結合ファイバ出力とバー結合ファイバの2つのカテゴリに分けられます。一般に使用されるのは、１０５μｍ ／ ＮＡ ０．２２ファイバ連続出力３０〜１２０Ｗ； ２００μｍ ／ ＮＡ ０．２２ファイバ連続出力５０〜３００Ｗ、波長範囲８０８〜９７６ｎｍである。

レーザーディスプレイと医療
レーザディスプレイは、大きな色域スペース、高輝度、長寿命および大画面ディスプレイの容易な表示というその利点により、大きな市場潜在力を有する。 より良い視覚的経験のために、レーザーディスプレイに使用される赤色レーザーの波長がより短いほど、より良い視覚的経験がある。 例えば、640 nmにおける人間の目の感度は、660 nmの3倍です。 しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ赤色半導体レーザの場合、波長が短ければ短いほど、活性領域材料のバンドギャップがより高くなり、キャリアが活性領域から閉じ込め層内にオーバーフローしやすくなり、レーザの効率および信頼性が低下する。 様々な要因と組み合わせて、レーザディスプレイ用の赤色レーザの波長は一般に６４０ｎｍである。 レーザー医療の分野では、650〜680 nmの赤色レーザーの使用がますます目を引くようになってきており、理学療法、細胞検出、および光線力学療法によく適用されています。

640〜680 nmの赤色半導体レーザー
工業用加工
ファイバレーザ技術の急速な発展により、材料加工の分野は現在レーザ応用分野の2番目に大きな分野であり、近年急成長している分野です。 レーザ加工は様々な材料の光熱効果加工に基づいており、レーザパワー密度が異なると、材料の表面積に温度上昇、溶融、ガス化、および光プラズマ変化が起こり、表面変化の程度に応じてアニーリングおよびクラッドが形成される。 、溶接、切断、パンチングおよび他の異なった適用。


人々の安全上の注意に対する意識が高まるにつれて、監視カメラに対する要求はますます高くなっています。特に、横／海上防御、山火事防止、および鉄道輸送などの特別な場合に必要です。 レーザ監視は、長い検出距離、高信頼性、低消費電力、高精細度などの利点を有し、長距離監視用途で急速に開発されてきた。 ９４０ｎｍに代表される半導体レーザは、高速鉄道、高速道路、山火事防止、国境防衛などの分野で広く使用されてきた。
技術の絶え間ない進歩により、半導体レーザーはパワー、波長、そして作業方法の面で拡大の余地があり、さらにレーザーディスプレイ、レーザーインテリジェント認識、バーチャルリアリティ、精密機械加工、そして医療検査のような新興産業を促進しました。 半導体レーザーは、その台頭とともに、何千もの家庭に入り込み、国民経済や人々の生活のあらゆる分野でますます重要な役割を果たしてきました。