3分鐘瞭解高功率半導體激光器的關鍵技術

激光應用需求的不斷提高，對半導體激光器的要求也越來越高，主要體現在以下幾個方面：

提高輸出功率，開發高功率的二維或者三維列陣，以滿足工業加工等領域對功率的需求；
提高電光轉換效率，實現激光系統的小型化和高效化，較少散熱壓力，降低成本；
提高光束質量；
提高可靠性，即在高峯值功率和極其惡劣的環境中也能自由使用，如滿足空間航天飛行器在輻射大、溫差大環境中使用。

高功率半導體激光器的關鍵技術

結構設計優化

高功率半導體激光器的發展與其外延與晶元結構的研究設計緊密相關。結構設計是高功率半導體激光器器件的基礎。半導體激光器的三個基本原理性問題是：電注入和限制、電光轉換、光限制和輸出，分別對應電注入設計、量子阱設計、波導結構的光場設計。半導體激光器的結構研究改進就是從這三個方面進行不斷優化，發展了非對稱寬波導結構，優化了量子阱、量子線、量子點以及光子晶體結構，促進了激光器技術水平的不斷提升，使得激光器的輸出功率、電光轉換效率越來越高，光束質量越來越好，可靠性越來越高。

高質量的外延材料生長技術

半導體激光器外延材料生長技術是半導體激光器研製的核心。高質量的外延材料生長工藝，極低的表面缺陷密度和體內缺陷密度是實現高峯值功率輸出的前提和保證。另外雜質在半導體材料中也起著重要的作用，可以說，沒有精確的半導體外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。主要通過對摻雜曲線的優化，減少光場與重摻雜區域的重疊，從而減少自由載流子吸收損耗，提高器件的轉換效率。

腔面處理技術

大功率半導體激光器的應用通常要求激光器輸出功率很高且有較好的可靠性。而制約半導體激光器輸出功率的主要瓶頸就是高功率密度下腔面退化導致的光學災變損傷(COMD)。

在半導體激光器的腔面區域，由於解理、氧化等原因存在大量的缺陷，這些缺陷成為光吸收中心和非輻射複閤中心。光吸收產生的熱量使腔面溫度升高，溫度升高造成帶隙減小，因而在腔面區域與激光器內部區域之間形成了一個電勢梯度，引導載流子向腔面區域注入，更重要的是帶隙減小後帶間光吸收增強，兩者都會使腔面區域的載流子濃度升高，增強非輻射複合，使腔面溫度進一步升高。另一方面，大功率半導體激光器較大的電流注入也增強了腔面非輻射複合。正是光吸收、非輻射複合、溫度升高和帶隙減小的正反饋過程使腔面的溫度快速升高，最終腔面燒毀，即發生COMD。

腔面問題的根源是腔面缺陷的存在，包括腔面的污染、氧化、材料缺陷等，這些腔面缺陷首先影響COMD的一致性，其次會導致器件的退化，影響長期穩定性。一般可以通過各種腔面鈍化和鍍膜技術，減少或者消除腔面的缺陷和氧化，降低腔面的光吸收，提高腔面的 COMD 值，從而實現高峯值功率輸出。

集成封裝技術

激光晶元的冷卻和封裝是製造大功率半導體激光器的重要環節，而激光器光束整形和激光集成技術是獲得千瓦、萬瓦級激光的主要途徑。由於大功率半導體激光器的輸出功率高、發光面積小，其工作時產生的熱量密度很高，這對封裝結構和工藝提出了更高要求。高功率半導體激光器封裝關鍵技術研究，就是從熱、封裝材料、應力方面著手，解決熱管理和熱應力的封裝設計，實現直接半導體激光器向高功率、高亮度、高可靠性發展的技術突破。

半導體激光器的應用

半導體激光器的直接應用領域已經有了廣泛的拓展。除了作為固體激光器、光纖激光器的泵源之外，還直接應用於光通訊、工業加工、醫療美容、照明監控等很多領域。近年來半導體激光器在3D感測、激光雷達、激光顯示等領域的新應用已吸引了人們極大的關注。

通信與光存儲

光通信領域目前仍是半導體激光器應用的最大市場，光纖通信已經成為當代通信技術的主流。同時也是光並行處理系統的理想光源，可以用於光計算機和光神經網路。目前光通信領域主要應用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半導體激光器。而光信息和存儲主要應用的紅光激光器和藍光激光器，可實現高密度信息存儲和處理。

抽運光源

半導體激光器抽運固體激光器和光纖激光器是大功率半導體激光器應用最多的領域。作為抽運源，半導體激光器有著其他光源不可取代的優越性，光纖激光器成為近五年來影響最大的抽運市場。而其抽運源，分為單晶元耦合光纖輸出和bar條耦合光纖兩大類。常用的是105 μm/NA0.22光纖連續輸出30-120 W；200 μm /NA0.22光纖連續輸出50-300 W，波長覆蓋808-976 nm。