用于3D打印的高功率紫外半导体激光甚高频调制电路研究

王贺 母一宁 樊海波 王美婷 朱焱 刘春阳

摘 要：近年来，3D打印技术快速兴起，被誉为将推动"第三次工业革命"的变革。为了加倍提升3D打印机的打印速度，缩小3D打印设备的体积重量、提高便携性，设计制造了一种用于3D打印的高重频、高功率的紫外激光调制源。本文旨在设计用于驱动高速紫外半导体激光二极管（LD）的开关调制电路。首先介绍了激光高速调制约束技术与半导体激光器的阈值特性；然后，设计了高速紫外LD的开关调制电路系统，以及匹配的光学设计系统和机械设计系统，从而实现了具体的高速、高功率紫外调制源；最后，对高重频、高功率的紫外LD进行了性能检验，达到指标要求。

关键词：3D打印；半导体激光器LD；高重频高功率

近年来，3D打印技术快速兴起，被誉为将推动“第三次工业革命”的变革，而紫外激光固化正是其中的核心关键技术。当前的工业级3D打印机多采用固体激光器，如果能够使用半导体激光器替代，不仅有利于改观3D打印设备的体积重量、提高便携性，而且可以通过材料改性实现激光器的高频快速调制，极大提高3D打印速度和精度。在半导体激光器驱动电源方面，国外有利用测量激光器相位偏移和利用正弦相位调制半导体激光器等方法[1]；国内长春光学研究所提出了以恒电流控制方法、恒功率控制方法与精密温度控制等方法相结合来控制半导体激光器驱动[2]。本文目的在于进行高速紫外LD开关调制电路的研究，建立紫外LD开关调制模型，最终实现具体的高速紫外调制源。

1.半导体激光器的高速激射调制约束

激光是具有很好的时间相干性和空间相干性的一种光。激光和无线电波一样，都容易进行光调制；而且光波的频率很高，发射角比较小，光束的方向性也很好，最主要的是能量传递的信息量大，用激光传递信息时，保密性高，而且还能够传递比较远的距离。所以常把激光作为一种极为理想的传递信息的通信光源。而光源在空间光通信中具有很重要的位置，它直接影响到整个系统的组成和设计，对光源的调制是极其重要的。

对于激光器，始终希望它具有低的Jth，而阈值电流密度不仅取决于制作半导体激光器的半导体材料的质量，而且也取决于激光器件的尺寸和面积。新型用于3D打印的紫外激光器，一方面通过在有源区引入消光波长在近紫外波段的贵金属纳米晶，通过表面等离子体共振能量转移效应增强了LD器件的激光发射强度，并降低了载流子复合寿命，从而提高了LD器件的光输出功率和调制重复频率，另一方面，在输出端一侧的分布布拉格反射镜（DBR） 上引入MgZnO纳米线波导层，有效提高了LD器件的光萃取效率和外量子效率，进一步提高了光输出功率。

2.半导体激光器的电路系统设计

自出现LD以来，人们围绕高速驱动、大电流脉冲、小型化方向发展了多种电路模式。并已知道要使LD能安全可靠的工作并且获得理想的器件性能，除精心设计激光器结构外，还必须重视LD的供电和温度控制[4]。作为新型用于3D打印的半导体激光器的驱动电源，需要满足以下基本要求：

（1）半导体激光器驱动电源具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数。

（2）半导体激光器具备恒温控制功能。

（3）半导体激光器驱动电源应该实现对半导体激光器的连续/脉冲驱动方式。

（4）作为一种直接应用于3D打印的紫外半导体激光器，调制电路系统要求激光器具有高功率和高重复频率，以便提高打印速度和精度。

经测试，室温下，连续泵浦激发下的裸管输出功率达180mW以上，配套光学系统后连续输出功率达70mW以上，满足设计要求。恒温度控制对半导体激光器的稳定工作有着非常重要的作用， 本文控制温度采用的方法与机械结构相结合，通过散热片，以及与激光器外壳相连，来进行散热，使温度始终保持在一定范围内。

3.半导体激光器的配套系统设计

半导体激光器由于其自身量子阱波导结构的限制，LD 输出光束为具有一定像散的椭圆高斯光束。半导体激光器出射光束存在不对称的较大发散角、输出光束不均衡、存在固有像散等缺点。因此，对单颗半导体激光器的发散光束进行准直聚焦以解决光能损耗严重、耦合效率低等问题具有重要意义。

本文采用了两块非球面准直与聚焦透镜，针对制造的高功率紫外半导体激光器设计了一组光学系统。由于非球面曲面在空间上每一点具有不同的曲率，可以有效地消除各种像差，减少光能损失，极大的改善了半导体激光器的光束质量，从而提高了半导体激光器的光能利用率以及耦合效率。

为了尽可能减少激光二极管因为光束发散而造成的功率能量损耗，因此，为紫外激光二极管设计了匹配的光学耦合模组，经测量该激光二极管发散角为1：2，所以采用了双透镜，一为口径30mm，焦距100mm的准直透镜；另一为口径30mm，焦距为56mm的聚焦透镜。

4.性能检测与结果

信号发生器驱动激光器发出重复频率为1MHz，占空比为1∶1的激光脉冲，由探测器进行光电检测，通过示波器对该信号进行频谱完整性分析。测的上升时间和下降时间均在10ns，因而其脉宽为20ns，即整个光电链路的模拟基带为50MHz的频谱传递能力。考虑到光电链路中探測器对模拟频带（光电链路总脉宽）的影响，发射端与探测端平分延迟时间，因此作为发射端的激光器脉宽为10ns，激光器的数字频谱带宽（即重复频率）为100MHz。相比竞争激光光源产品仅有数十K赫兹量级的调制频率，其具有百兆赫兹量级的极高调制辐射能力，进而直接提升3D打印机的打印速度10倍（近乎其机械极限），具有明显的成本和技术优势。而且紫外激光调制源缩小了3D打印设备的体积重量、提高了便携性。

特别是用于驱动该紫外激光管的开关调制电路，全程在光、机、电一体化的整体思路框架中进行设计，电路设计、光学模组、机械结构三者相互匹配协调，最终实现制造了具体的紫外激光调制源。

参考文献：

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

[2]邓军，田小建，高博等.半导体激光器驱动器设计和驱动模式研究[J].第六届全国信息获取与处理学术会议论文集， 2008：389-393.

[3]黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件[M].北京邮电大学出版社，2001：22-46， 226-229.

[4]刘奎学，尹裕，解澎.高精度电流温度控制器在半导体激光器中的应用[J].电子工业专用设备，2002，31（3）：167-170.

通信作者：刘春阳，男，研究生导师。

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（No.51602028）