大功率半導體激光器的相關研究綜述

陳紹婷 蔣麗媛

摘 要 半導體激光器近些年發展十分迅速，應用領域也不斷擴大，成為發展比較迅猛的技術之一。大功率半導體激光器屬于半導體激光器的一種，其優勢明顯應用較為廣泛。本文從大功率半導體激光器發展研究進行分析，希望可以起到一定借鑒意義。

關鍵詞 半導體;激光器;大功率

引言

半導體激光器一般具有質量輕、調制效率高、體積小等特點，在民用、軍用、醫療等領域應用比較廣泛。大功率半導體激光器的研究從20世紀80年代開始，從未停止，隨著半導體技術與激光技術的不斷發展，大功率也半導體激光器在功率輸出、功率轉換、可靠性等方面取得了比較大的進步。

1大功率半導體激光器的基本概述

半導體激光器屬于激光器的一種，主要是借助半導體物質，完成相應的激光工作，常被稱之為激光二極管。不同半導體工作物質產生激光的過程存在一定差異，當前常用的半導體物質包括了InP（磷化銦）、CdS（硫化鎘）、ZnS（硫化鋅）、GaAs（砷化鎵）等。按照半導體器件不同可以將半導體劃分為單異質結、同質結、雙異質結等。按照輸出功率的不同可將半導體激光器分為小功率半導體激光器與大功率半導體激光器兩種。半導體激光器的工作原理為在半導體價帶與導帶之間通過激勵方式，實現空穴復合產生受激發射，在這一過程中由于激勵導致的粒子數反轉至關重要[1]。

2大功率半導體激光器的研究現狀綜述

大功率半導體激光器的研究現狀主要從輸出功率、轉化效率和可靠性三個方面展開分析。

2.1 輸出功率

隨著技術的不斷發展，大功率半導體激光器在輸出功率方面已經取得了不錯的成績。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，在輸出功率優化方面主要通過發光點個數與單管激光優化提升兩方面。首先，發光點個數的進一步增加。設計人員通過優化激光器內部線陣與單管模組、迭陣、面陣等，進一步增加了激光器發光點的數量，進一步增強激光器輸出功率。在線陣合束優化上，增加線陣數量，利用光學元件使得分立空間能量（激光）疊加，達到增加發光點的目的，此種方式簡便易操作，應用最為廣泛;在迭陣合束優化上，利用堆整形方法（平行平板）與迭陣合束技術相結合，轉換激光加工方式，進一步實現激光的直接加工，達到優化輸出的目的。其次，單管激光優化。單管激光優化是提升半導體激光器輸出功率的有效方式之一，設計人員通過改變芯片制備、芯片結構、腔面鍍膜等技術，進一步優化輸出功率（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）最高達25W以上[2]。

2.2 轉化效率

除了輸出效率之外，大功率半導體激光器的性能還與其轉化效率有很大關系，提升半導體轉換效率，減少半導體激光器廢熱產生，無疑可以提升能量利用率，延長激光器的使用壽命。在半導體轉化效率研究方面，各國重點在提升轉化效率，先制定轉化率目標，之后通過技術手段進行優化，當前激光器轉化效率目標制定上各國研究目標大多在80%以上。在轉化效率的優化上研究重點普遍集中在溫度控制上，Alfalight公司通過對970nm單條大功率半導體激光器的轉換率（50%）進行研究觀察分析得出轉化效率優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的復合效果有限，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，以優化粒子反轉，提升轉化效率。

2.3 可靠性

可靠性是半導體激光器優化的重點之一，與小功率半導體相比大功率半導體的可靠性優化還有很大的發展空間。大功率半導體激光器由于連續的大電流工作不得不面臨燒孔、光絲效應等問題，解決這一類問題可有效提升大功率半導體可靠性。近年來研究者利用傳熱結構優化、封裝技術改進、光斑尺寸增大、生長（晶體）質量提高等方法，進一步提升了大功率半導體的可靠性，延長大功率半導體使用壽命，將單管最長使用壽命延長到10萬小時以上[3]。

3大功率半導體激光器光束質量探討

大功率半導體激光器除了輸出功率等優化外，近些年在激光束質量方面的研究也取得了很大進展，激光束質量得到進一步提升。研究者利用加工工藝與芯片結構的改進，加強了對激光束兩側控制，確保射出的激光束穩定單一，提升了激光束子的質量。研究者還利用WBC（外腔反饋光譜合束）技術，對大功率半導體激光器的合束光源進行改善，進一步提升了大功率半導體激光束質量。首先，半導體單管兩側模式限制。Ledentsov等研究者提出一種新型的激光器結構，該種激光結構是基于帶晶體波導（縱向光子）的新形式，改變對激光兩側控制，可以提升激光束兩側機關控制水平，使得激光束集中度更優質，改善激光器傳統芯片光束質量差的現狀，更新激光束芯片質量，進一步提升激光束質量。其次，空間合束技術的應用。大功率半導體激光器的研究者利用空間合束技術，來增加激光功率，提升激光單元光束質量，從而達到提升整體激光光束質量的目的[4]。

4結束語

未來大功率半導體激光器的應用會進一步加深，通過對大功率的研究，探索大功率半導體激光器優化的方式，促進大功率激光器技術推廣與發展。相關研究人員可從輸出功率、轉化效率、可靠性、光束質量等方面全面優化技術應用，促進質量提升。

參考文獻

[1] 王立軍，彭航宇，張俊，等.高功率高亮度半導體激光器合束進展[J].紅外與激光工程，2017（4）：1-10.

[2] 袁慶賀，井紅旗，仲莉，等.大功率半導體激光器封裝熱應力研究[J].中國激光，2019（10）：91-96.

[3] 劉瑞科，王超臣，李森森，等.高功率半導體激光器散熱方法綜述[J].光電技術應用，2019（6）：1-6.

[4] 張繼業，張建偉，曾玉剛，等.高功率垂直外腔面發射半導體激光器增益設計及制備[J].物理學報，2020（5）：91-99.