迈向超高效率激光功率转换器的新途径:碳化硅器件

长三角G60激光联盟导读

据悉，西班牙圣地亚哥联合大学、哈恩大学科研人员报道了首次将高带隙材料的使用和VEHSA结构这两种改进高功率激光传输技术的策略结合起来，开辟了迈向超高效率激光功率转换器的新途径。相关研究以“A new path towards ultra-high efficient laser power converters: Silicon carbide-based multijunction devices”为题发表在《Results in Engineering》上。

亮点：

-提出了三种碳化硅(SiC)多晶型材料作为超高效率激光功率转换器的基础材料

-基于碳化硅的单电池3C激光功率转换器在100 W cm-2时的峰值效率为84.6%，优于其他多型器件。

-基于3C SiC的VEHSA器件性能在 3000 W cm-2时达到87.4%的效率。

-研究结果支持使用高带隙材料和先进架构来高效转换超高激光功率。

关键词：高功率激光传输;激光功率转换器;碳化硅;VEHSA;多接面电池

目前的高功率激光传输技术在提高光电接收器效率方面面临两大限制：与低带隙材料(如砷化镓)相关的固有熵损耗和在高功率密度下降低器件性能的串联电阻损耗。使用高带隙材料和激光功率转换器(LPC)的新架构已被视为克服这些限制的替代方案。

本研究提出了三种碳化硅多晶型材料(3C、4H 和 6H)，作为标准水平激光功率转换器(hLPC)架构和垂直外延异质结构架构(VEHSA)的基础材料。基于3C SiC的hLPC性能优于其他两种多型材料的功率转换器，在100 W cm-2 时的最高效率可达84.6%，但在激光功率密度较高时，其串联电阻损耗会降低效率。使用 3C SiC 4 电池VEHSA解决了这一问题，其效率随着输入功率的增加而提高，在3000 W cm-2 时达到最高87.4%。

VEHSA减少了电池数量，从而最大限度地降低了因电池间电流不匹配而导致效率损失的风险。这些结果证明了能够高效转换超高激光功率密度的新一代LPC的可行性。

图 1.高功率激光传输应用的示例--由远程激光驱动的月球车。在放大的黄色圆圈中，是水平激光功率转换器和立方碳化硅结构。

图 2.本文研究的两种结构的二维方案。

图 3.使用hLPC结构的三种碳化硅多型器件的效率与输入功率密度(Pin)的关系。其中包括最佳性能的GaAs-hLPC实验结果。

图 4.在1 W cm-2(opt1)、100 W cm-2(opt100)和 1000 W cm-2(opt1000)条件下优化的 3C SiC hlPC的效率与输入功率密度 (Pin) 的关系。

图 5.在1000 W cm-2条件下优化的三种 hLPC-SiC 多型材料的效率与温度关系。

图 6.使用 hLPC架构和具有2、3和4个电池的VEHSA的基于3C SiC的器件的效率与输入功率密度(Pin)的关系。其中包括性能最佳的GaAs-VEHSA-5实验器件。

在这项工作中，科研人员首次将高带隙材料的使用和VEHSA结构这两种改进高功率激光传输技术的策略结合起来。为此，探索了 3C、4H 和 6H 三种碳化硅多晶型材料作为常用水平激光功率转换器结构(hLPC)基础材料的适用性。优化了输入功率密度范围为1-1000 W cm-2的hLPC结构。所有多晶型都优于目前实验性LPC的最佳性能，在所有测试的输入功率密度下，基于 3C 的 hLPC 的效率都高于其他多晶类型。结果表明，在所有输入功率范围内，VEHSA 的性能都优于 hLPC 结构，这是因为电流降低了，可以增加这些器件的高度，从而吸收比hLPC结构更大的光束，而在hLPC结构中，载流子的扩散长度是主要限制因素之一。此外，增加 VEHSA 电池的数量还能减轻焦耳效应造成的损耗。在高激光功率密度下，VEHSA-2会受到串联电阻损耗的影响，与VEHSA-4相比，在1000 W cm-2和 3000 W cm-2时效率分别下降了1.6% 和3.6%，但在这些激光功率密度下，VEHSA-2的效率分别比hLPC高出5%和11.3%。在 3000 W cm cm-2时，VEHSA-4的效率为 87.4%。

值得注意的是未来采用高功率激光传输技术可能面临的挑战，例如从激光源到目标之间需要一条直通的线路(除非使用光纤)、在空气等介质中可能存在的高激光功率衰减(在碳化硅中低于传统的砷化镓基 LPC)，以及使用在可见光环境中工作的高功率激光对眼睛安全的影响(可通过定制的自动激光关闭和自动功率降低系统来解决)。最后，尽管基于碳化硅的真正LPC的性能可能会受到制造问题的影响，但所展示的结果表明，结合使用3C碳化硅和VEHSA架构是一种有益的补充，为高效传输超高激光功率密度开辟了一条前景广阔的道路。所提出的技术开创了一种新的范式转变，可通过地面大气(为空中无人机、遥感器和机器人提供动力)、水(用于水下自动驾驶车辆)或外层空间(用于漫游车和卫星)等介质向远距离传输高达每平方厘米千瓦的功率密度。

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