定义
一种包含一维广域发射器阵列的半导体激光器。
二极管板条是一种高功率半导体激光器（激光二极管），包含一维广域发射器阵列，或者包含 10-20 条窄条纹的子阵列（见图 1）。 这种条纹通常包含 20 到 50 个发射器，每个发射器的宽度例如 100 μm。 典型的商用设备的激光谐振器长度约为 1 mm，宽度为 10 mm，可产生数十瓦的输出功率，甚至高达 ≈200 W；一些原型甚至达到数百瓦（可能寿命缩短）。 在过去的20年中，每瓦的价格下降了近两个数量级，同时亮度（对于给定的功率水平）也得到了显着改善。
使用二极管阵列而不是简单地制造非常宽的单发射器的原因是，后者会遭受放大的自发发射或横向寄生激光，或细丝的形成。 二极管阵列可以使用更稳定的模式配置文件进行操作，该配置文件由来自每个发射器的一个所谓的波束组成。 有几种技术可以利用相邻发射器的某种程度的相干耦合，从而获得更好的光束质量。 这些技术包括直接应用于二极管板条的制造和其他涉及外部空腔的技术。 然而，大多数二极管板条的使用没有这种技术。
图1：填充因子为50%的二极管激光棒的半导体芯片示意图。
二极管板条的重要设计参数是发射极的数量、宽度和间距。 就光束质量和亮度而言，理想的做法是从少量紧密间隔的发射器获得输出功率。 然而，输出面的光学强度受到镜面涂层灾难性光学损伤风险的限制，并且输出功率也受到有效体积的限制。 此外，至少在连续波操作中，紧密间隔的发射器可能很难冷却；这种二极管板条有时仅用于泵浦脉冲不太长的准连续波操作。
请注意，阵列几何形状使二极管板条非常适合相干或光谱光束组合方法，从而可以获得更高的光束质量。
发射波长和带宽
大多数二极管板条的工作波长范围为 780 至 860 nm 或 940 nm 至 980 nm。 808 nm（用于泵浦钕激光器）和940 nm（用于泵浦Yb：YAG）的波长最为突出。 另一个重要的波长约为 975-980 nm，用于泵浦掺铒或掺镱的高功率光纤激光器和放大器。
二极管棒的发射带宽通常达到几纳米，这对于泵浦固态激光器来说是非常理想的。 此外，中心波长通常有几纳米的公差。 通过光反馈（例如来自体积布拉格光栅）可以实现大幅降低的波长容差和发射带宽。 例如，这可以促进固态体激光器的泵浦，特别是在使用具有小吸收带宽的激光晶体时。 使用光谱束组合时，带宽和精确的中心波长也很重要。
空间光束特性；光束准直
二极管板条的一个非理想特性是其发射的空间模式。 在“快速轴”方向（对应于图1中的垂直方向）上，发射来自非常狭窄的区域，因此光束质量离衍射极限不远 (M2因素不远高于 1），尽管光束发散角通常为 30-40° FWHM（半峰全宽）。 另一方面，“慢轴”方向具有非常宽的发射区域，因此尽管发散角要小得多（大约6-10°），但光束质量非常差，而2系数> 1000。 因此，调理二极管板条（或二极管堆栈形式的多个二极管板条）的输出通常需要付出很大的努力。
图2：业纳激光二极管有限公司的主动冷却二极管棒的照片。
快速轴的大数值孔径（NA）通常为≈0.6，需要高数值孔径非球面透镜来准直光束（光束），同时保持光束质量。快速轴准直器，包含一种圆柱透镜（通常具有一些非圆柱形表面以减少球面像差），通常用于此目的。 还有用于另一个方向的光束准直的慢轴准直器，其对通常≈0.1的数值孔径的要求较低，但对于具有高填充因子的二极管板条来说并非不重要（见下文）。 当需要具有近似圆形梁腰和合理光束质量的梁时，可以应用特殊的光束整形器来对称梁质量。
有关光束准直的更多详细信息，请参阅有关激光二极管准直器和光束准直器的文章。
二极管板条的一个潜在干扰特性是“微笑”——连接发射器的水平线的轻微弯曲。 微笑误差会对二极管板条光束聚焦的能力产生不利影响。 有一些先进的光束调理方案，其中单个二极管板条的微笑得到补偿。
光纤耦合
许多二极管棒以光纤耦合形式出售，因为这通常更容易利用其输出，并且还可以将二极管板条及其冷却装置安装在距离使用光的地方一定距离的地方（例如二极管泵浦激光头）。 通常，光耦合到单个多模光纤中，使用简单的快轴准直器，在慢轴方向上没有光束调节，或者使用更复杂的光束整形器以更好地保持亮度。 也可以将发射器的光束发射到光纤束中（每个发射器一根光纤）。
有关更多详细信息，请参阅有关光纤耦合二极管激光器的文章。
冷却
二极管板条的半导体芯片焊接到薄子座上，这也提供了其中一个电气连接。 绝缘焊线板提供第二种连接。 然后将底座安装在一些散热器上，该散热器通常是水冷的（带有宏通道或微通道冷却器），允许高填充因子（发射器宽度与发射区域总宽度之比），例如80%，从而获得高亮度。 传导冷却棒（通常与热电冷却器一起使用）具有较低的填充系数，例如 30%，因为热量的提取效率较低。 在这两种情况下，二极管板条通常采用密封封装生产。
电源效率
在电气上，不同的发射器都并联连接。 这意味着总驱动电流（由半导体激光管驱动器提供）很大，大约为数十甚至数百安培。 一个获得每 1 A 电流 1 W 的光输出功率量级；再加上典型的2 V压降，这导致功率效率（→墙插效率）约为50%，对于现代设备来说略高。
目前正在进行进一步的开发，以达到80%的效率。 关键的技术问题是通过优化电触点和层结构来降低工作电压，进一步降低热阻，并改进刻面钝化方法，有效地允许更高的光学强度，而不会有灾难性损坏的风险。 提高的电源效率降低了总电力需求以及对冷却系统的要求，并且通常允许更高的亮度。 通常，它还会带来降低每瓦输出功率价格的额外效果，该价格已经远低于30美元。
寿命
在理想条件下，二极管板条的使用寿命可达数千小时。 但是，设备通常会在达到指定的生存期之前很久就发生故障。 这不一定是生产或设计故障的结果，但可能是由制造商无法控制的各种因素引起的，例如由有缺陷或设计不当的半导体激光管驱动器引起的短电压尖峰（通常在打开或关闭设备期间），或工作温度过高， 这本身可能是由驱动电流过高或冷却不足引起的。 水冷通常相当有效，但其有效性可能会受到腐蚀的严重影响，例如，当不符合冷却水化学条件（特别是其离子含量）的规格时，可能会发生这种情况。 另一方面，当达到露点时，过强的冷却会导致冷凝问题。 此外，与预期工作温度的偏差会导致发射波长的大幅偏差，通常温度系数约为0.3 nm/K。 显然，整个二极管激光系统必须经过适当的设计，以利用棒材的整个使用寿命潜力。
应用
高功率二极管棒直接用于激光材料加工（例如激光焊接和某些表面处理）和医用激光器（例如用于光动力疗法、去除纹身、激光手术）。 二极管板条也进一步发展用于军事用途，作为战场激光武器。 对于非常高的功率（大约 100 W 以上），可以使用二极管堆栈，这是在垂直方向上堆叠的几个二极管板条必不可少的。
另一个常见的应用是泵浦高功率固态激光器 - 包括体激光器和光纤激光器。
未来，二极管板条也可能越来越多地应用于汽车等大批量消费品中。
参考文献
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