3分鐘看懂大功率半導(dǎo)體激光器！

作者陳紹婷、蔣麗媛

半導(dǎo)體激光器一般具有質(zhì)量輕、調(diào)制效率高、體積小等特點，在民用、軍用、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。大功率半導(dǎo)體激光器的研究從20世紀80年代開始，從未停止，隨著半導(dǎo)體技術(shù)與激光技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率也半導(dǎo)體激光器在功率輸出、功率轉(zhuǎn)換、可靠性等方面取得了比較大的進步。

1 大功率半導(dǎo)體激光器的基本概述

半導(dǎo)體激光器屬于激光器的一種，主要是借助半導(dǎo)體物質(zhì)，完成相應(yīng)的激光工作，常被稱之為激光二極管。不同半導(dǎo)體工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的過程存在一定差異，當前常用的半導(dǎo)體物質(zhì)包括了InP（磷化銦）、CdS（硫化鎘）、ZnS（硫化鋅）、GaAs（砷化鎵）等。按照半導(dǎo)體器件不同可以將半導(dǎo)體劃分為單異質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等。按照輸出功率的不同可將半導(dǎo)體激光器分為小功率半導(dǎo)體激光器與大功率半導(dǎo)體激光器兩種。半導(dǎo)體激光器的工作原理為在半導(dǎo)體價帶與導(dǎo)帶之間通過激勵方式，實現(xiàn)空穴復(fù)合產(chǎn)生受激發(fā)射，在這一過程中由于激勵導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

2 大功率半導(dǎo)體激光器的研究現(xiàn)狀綜述

大功率半導(dǎo)體激光器的研究現(xiàn)狀主要從輸出功率、轉(zhuǎn)化效率和可靠性三個方面展開分析。

2.1 輸出功率

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器在輸出功率方面已經(jīng)取得了不錯的成績。以商用的此類激光器為例，一般商用大功率激光器波長主要在800~1100nm之間，在輸出功率優(yōu)化方面主要通過發(fā)光點個數(shù)與單管激光優(yōu)化提升兩方面。首先，發(fā)光點個數(shù)的進一步增加。設(shè)計人員通過優(yōu)化激光器內(nèi)部線陣與單管模組、迭陣、面陣等，進一步增加了激光器發(fā)光點的數(shù)量，進一步增強激光器輸出功率。在線陣合束優(yōu)化上，增加線陣數(shù)量，利用光學(xué)元件使得分立空間能量（激光）疊加，達到增加發(fā)光點的目的，此種方式簡便易操作，應(yīng)用最為廣泛；在迭陣合束優(yōu)化上，利用堆整形方法（平行平板）與迭陣合束技術(shù)相結(jié)合，轉(zhuǎn)換激光加工方式，進一步實現(xiàn)激光的直接加工，達到優(yōu)化輸出的目的。

其次，單管激光優(yōu)化。單管激光優(yōu)化是提升半導(dǎo)體激光器輸出功率的有效方式之一，設(shè)計人員通過改變芯片制備、芯片結(jié)構(gòu)、腔面鍍膜等技術(shù)，進一步優(yōu)化輸出功率（單管激光）促進激光器性能的提升。近些年單管激光器的輸出功率（連續(xù)）最高達25W以上。

2.2 轉(zhuǎn)化效率

除了輸出效率之外，大功率半導(dǎo)體激光器的性能還與其轉(zhuǎn)化效率有很大關(guān)系，提升半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換效率，減少半導(dǎo)體激光器廢熱產(chǎn)生，無疑可以提升能量利用率，延長激光器的使用壽命。

在半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化效率研究方面，各國重點在提升轉(zhuǎn)化效率，先制定轉(zhuǎn)化率目標，之后通過技術(shù)手段進行優(yōu)化，當前激光器轉(zhuǎn)化效率目標制定上各國研究目標大多在80%以上。在轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)化上研究重點普遍集中在溫度控制上，Alfalight公司通過對970nm單條大功率半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換率（50%）進行研究觀察分析得出轉(zhuǎn)化效率優(yōu)化上可以從以下幾方面入手：①載流子消耗控制，研究中由于載流子溢出導(dǎo)致消耗，占總體消耗的比例相對較高，大約8%左右，通過空穴和電子在量子阱中實現(xiàn)的復(fù)合效果有限，所以需要進一步控制載流子消耗。以提升激光器轉(zhuǎn)化效率。②閾值下消耗控制，這部分消耗所占比例相對較高，需要進行控制，以優(yōu)化粒子反轉(zhuǎn)，提升轉(zhuǎn)化效率。

2.3 可靠性

可靠性是半導(dǎo)體激光器優(yōu)化的重點之一，與小功率半導(dǎo)體相比大功率半導(dǎo)體的可靠性優(yōu)化還有很大的發(fā)展空間。大功率半導(dǎo)體激光器由于連續(xù)的大電流工作不得不面臨燒孔、光絲效應(yīng)等問題，解決這一類問題可有效提升大功率半導(dǎo)體可靠性。近年來研究者利用傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、封裝技術(shù)改進、光斑尺寸增大、生長（晶體）質(zhì)量提高等方法，進一步提升了大功率半導(dǎo)體的可靠性，延長大功率半導(dǎo)體使用壽命，將單管最長使用壽命延長到10萬小時以上。

3 大功率半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量探討

大功率半導(dǎo)體激光器除了輸出功率等優(yōu)化外，近些年在激光束質(zhì)量方面的研究也取得了很大進展，激光束質(zhì)量得到進一步提升。研究者利用加工工藝與芯片結(jié)構(gòu)的改進，加強了對激光束兩側(cè)控制，確保射出的激光束穩(wěn)定單一，提升了激光束子的質(zhì)量。研究者還利用WBC（外腔反饋光譜合束）技術(shù)，對大功率半導(dǎo)體激光器的合束光源進行改善，進一步提升了大功率半導(dǎo)體激光束質(zhì)量。首先，半導(dǎo)體單管兩側(cè)模式限制。

Ledentsov等研究者提出一種新型的激光器結(jié)構(gòu)，該種激光結(jié)構(gòu)是基于帶晶體波導(dǎo)（縱向光子）的新形式，改變對激光兩側(cè)控制，可以提升激光束兩側(cè)機關(guān)控制水平，使得激光束集中度更優(yōu)質(zhì)，改善激光器傳統(tǒng)芯片光束質(zhì)量差的現(xiàn)狀，更新激光束芯片質(zhì)量，進一步提升激光束質(zhì)量。其次，空間合束技術(shù)的應(yīng)用。大功率半導(dǎo)體激光器的研究者利用空間合束技術(shù)，來增加激光功率，提升激光單元光束質(zhì)量，從而達到提升整體激光光束質(zhì)量的目的。

4 結(jié)束語

未來大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用會進一步加深，通過對大功率的研究，探索大功率半導(dǎo)體激光器優(yōu)化的方式，促進大功率激光器技術(shù)推廣與發(fā)展。相關(guān)研究人員可從輸出功率、轉(zhuǎn)化效率、可靠性、光束質(zhì)量等方面全面優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用，促進質(zhì)量提升。

責任編輯：haq