用于3D打印的高功率紫外半導體激光甚高頻調制電路研究

王賀 母一寧 樊海波 王美婷 朱焱 劉春陽

摘 要：近年來，3D打印技術快速興起，被譽為將推動"第三次工業革命"的變革。為了加倍提升3D打印機的打印速度，縮小3D打印設備的體積重量、提高便攜性，設計制造了一種用于3D打印的高重頻、高功率的紫外激光調制源。本文旨在設計用于驅動高速紫外半導體激光二極管（LD）的開關調制電路。首先介紹了激光高速調制約束技術與半導體激光器的閾值特性；然后，設計了高速紫外LD的開關調制電路系統，以及匹配的光學設計系統和機械設計系統，從而實現了具體的高速、高功率紫外調制源；最后，對高重頻、高功率的紫外LD進行了性能檢驗，達到指標要求。

關鍵詞：3D打印；半導體激光器LD；高重頻高功率

近年來，3D打印技術快速興起，被譽為將推動“第三次工業革命”的變革，而紫外激光固化正是其中的核心關鍵技術。當前的工業級3D打印機多采用固體激光器，如果能夠使用半導體激光器替代，不僅有利于改觀3D打印設備的體積重量、提高便攜性，而且可以通過材料改性實現激光器的高頻快速調制，極大提高3D打印速度和精度。在半導體激光器驅動電源方面，國外有利用測量激光器相位偏移和利用正弦相位調制半導體激光器等方法[1]；國內長春光學研究所提出了以恒電流控制方法、恒功率控制方法與精密溫度控制等方法相結合來控制半導體激光器驅動[2]。本文目的在于進行高速紫外LD開關調制電路的研究，建立紫外LD開關調制模型，最終實現具體的高速紫外調制源。

1.半導體激光器的高速激射調制約束

激光是具有很好的時間相干性和空間相干性的一種光。激光和無線電波一樣，都容易進行光調制；而且光波的頻率很高，發射角比較小，光束的方向性也很好，最主要的是能量傳遞的信息量大，用激光傳遞信息時，保密性高，而且還能夠傳遞比較遠的距離。所以常把激光作為一種極為理想的傳遞信息的通信光源。而光源在空間光通信中具有很重要的位置，它直接影響到整個系統的組成和設計，對光源的調制是極其重要的。

對于激光器，始終希望它具有低的Jth，而閾值電流密度不僅取決于制作半導體激光器的半導體材料的質量，而且也取決于激光器件的尺寸和面積。新型用于3D打印的紫外激光器，一方面通過在有源區引入消光波長在近紫外波段的貴金屬納米晶，通過表面等離子體共振能量轉移效應增強了LD器件的激光發射強度，并降低了載流子復合壽命，從而提高了LD器件的光輸出功率和調制重復頻率，另一方面，在輸出端一側的分布布拉格反射鏡（DBR） 上引入MgZnO納米線波導層，有效提高了LD器件的光萃取效率和外量子效率，進一步提高了光輸出功率。

2.半導體激光器的電路系統設計

自出現LD以來，人們圍繞高速驅動、大電流脈沖、小型化方向發展了多種電路模式。并已知道要使LD能安全可靠的工作并且獲得理想的器件性能，除精心設計激光器結構外，還必須重視LD的供電和溫度控制[4]。作為新型用于3D打印的半導體激光器的驅動電源，需要滿足以下基本要求：

（1）半導體激光器驅動電源具有很高的電流穩定度和很小的紋波系數。

（2）半導體激光器具備恒溫控制功能。

（3）半導體激光器驅動電源應該實現對半導體激光器的連續/脈沖驅動方式。

（4）作為一種直接應用于3D打印的紫外半導體激光器，調制電路系統要求激光器具有高功率和高重復頻率，以便提高打印速度和精度。

經測試，室溫下，連續泵浦激發下的裸管輸出功率達180mW以上，配套光學系統后連續輸出功率達70mW以上，滿足設計要求。恒溫度控制對半導體激光器的穩定工作有著非常重要的作用， 本文控制溫度采用的方法與機械結構相結合，通過散熱片，以及與激光器外殼相連，來進行散熱，使溫度始終保持在一定范圍內。

3.半導體激光器的配套系統設計

半導體激光器由于其自身量子阱波導結構的限制，LD 輸出光束為具有一定像散的橢圓高斯光束。半導體激光器出射光束存在不對稱的較大發散角、輸出光束不均衡、存在固有像散等缺點。因此，對單顆半導體激光器的發散光束進行準直聚焦以解決光能損耗嚴重、耦合效率低等問題具有重要意義。

本文采用了兩塊非球面準直與聚焦透鏡，針對制造的高功率紫外半導體激光器設計了一組光學系統。由于非球面曲面在空間上每一點具有不同的曲率，可以有效地消除各種像差，減少光能損失，極大的改善了半導體激光器的光束質量，從而提高了半導體激光器的光能利用率以及耦合效率。

為了盡可能減少激光二極管因為光束發散而造成的功率能量損耗，因此，為紫外激光二極管設計了匹配的光學耦合模組，經測量該激光二極管發散角為1：2，所以采用了雙透鏡，一為口徑30mm，焦距100mm的準直透鏡；另一為口徑30mm，焦距為56mm的聚焦透鏡。

4.性能檢測與結果

信號發生器驅動激光器發出重復頻率為1MHz，占空比為1∶1的激光脈沖，由探測器進行光電檢測，通過示波器對該信號進行頻譜完整性分析。測的上升時間和下降時間均在10ns，因而其脈寬為20ns，即整個光電鏈路的模擬基帶為50MHz的頻譜傳遞能力。考慮到光電鏈路中探測器對模擬頻帶（光電鏈路總脈寬）的影響，發射端與探測端平分延遲時間，因此作為發射端的激光器脈寬為10ns，激光器的數字頻譜帶寬（即重復頻率）為100MHz。相比競爭激光光源產品僅有數十K赫茲量級的調制頻率，其具有百兆赫茲量級的極高調制輻射能力，進而直接提升3D打印機的打印速度10倍（近乎其機械極限），具有明顯的成本和技術優勢。而且紫外激光調制源縮小了3D打印設備的體積重量、提高了便攜性。

特別是用于驅動該紫外激光管的開關調制電路，全程在光、機、電一體化的整體思路框架中進行設計，電路設計、光學模組、機械結構三者相互匹配協調，最終實現制造了具體的紫外激光調制源。

參考文獻：

[1]YUKIHIRO ISHII. Wavelength-Tunable Laser-Diode Interferometer[J].Optical Review. 1999， 6（4）：273-283.

[2]鄧軍，田小建，高博等.半導體激光器驅動器設計和驅動模式研究[J].第六屆全國信息獲取與處理學術會議論文集， 2008：389-393.

[3]黃章勇.光纖通信用光電子器件和組件[M].北京郵電大學出版社，2001：22-46， 226-229.

[4]劉奎學，尹裕，解澎.高精度電流溫度控制器在半導體激光器中的應用[J].電子工業專用設備，2002，31（3）：167-170.

通信作者：劉春陽，男，研究生導師。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（No.51602028）