大功率半導體激光器研究

楊硯方

遼寧科技大學，遼寧沈陽，110325

0 引言

半導體激光器因高輸出功率、光束質量良好等特點，在工業領域被廣泛應用[1]。從1962年提出半導體激光器的概念至今，半導體激光器的發展時長已有六十余年，經過不斷改進，其性能在近幾年來已經得到了很大的提升。目前，國內外紛紛對大功率半導體激光器的研究加大了力度，促使其進一步發展，同時由于社會經濟的不斷進步，國防安全越來越受到各個國家和地區的重視，因此也對半導體激光器提出了更加明確的要求。

1 大功率半導體激光器發展歷程

早期的注入型半導體激光器因轉換率低導致產生的廢棄熱能較多，所以需要在散熱狀況極好的環境下才可以用低頻脈沖狀態進行工作[2]。美國貝爾實驗室的科學家們后來又成功研制了單異質結構激光器，這種激光器在正常室溫下工作產生的廢棄熱能相較于之前的激光器已經有了明顯的降低。緊隨其后研發出的雙異質結構激光器在室溫下的電流閾值達到4×103A/cm3，這也標志著對半導體激光器的研究走進了一個全新的階段。

垂直腔面發射激光器相較于以往的激光發射器，具有受激發射的閾值電流低、工作狀態穩定、易拆解且易組裝集成等優勢。其工作原理如圖1所示。

圖1 邊發射激光器和面發射激光器

由于科學技術的不斷發展，使得人們對激光器的研究更加深入，制作水平也有了明顯的提升，尤其是有SHEDS、ADHEL等項目的支持，半導體激光器芯片、外延和器件封裝等方面的技術都有了極大的發展。半導體激光器因相較于以往的激光器有著各方面的優勢，所以逐步被推廣到各類與激光相關聯的工業領域的實際生產工作中。

2 大功率半導體激光器研究現狀與技術進展

2.1 研究現狀

提高輸出功率和設備工作穩定性、減少廢熱的產生是當前半導體激光器的研究重點，越來越多的領域正在使用半導體激光器代替其他激光光源，使得其實際應用的前景也越來越好。

2.1.1 半導體激光器的輸出功率

提高單管輸出功率或增加激光發光點數量都可以提高激光器的輸出功率。優化結構、提高芯片制作工藝等技術可以提高單管輸出功率。一般情況下，將激光器線陣等與之相關聯的激光合束技術統稱為增加激光發光點數量。而過去的激光合束技術主要是以光斑、偏振合光譜特性為基礎，從外部光學系統進行考慮，通過利用空間合束、波長合束合偏振合束對單管、線陣以及迭陣進行能量合束和光束整形，而外腔光譜合束技術則是實用光柵對外部光學反饋進行光譜合束，這樣做不僅可以提高攻略，還可以保證良好的光束質量[3]。

2.1.2 半導體激光器轉換效率

若想要減少能源的浪費，就需要保證設備在工作中產生更少的熱能，這樣不僅可以延長設備的使用壽命，而且工作的穩定性和可靠性也都會隨之提高。設備工作時產生的熱能少，就可以在散熱方面減少投入，這是其他激光器無法相較的優勢。

由于科學技術的發展和各國科研立項的支持，大功率半導體激光器的光源效率已達到了很高的水平，其中紅外波段高達70%以上。目前國際上關于大功率半導體激光器器件轉換效率和波長的關系如表1所示。

表1 半導體激光器轉換效率與波長的關系

2.1.3 半導體激光器可靠性

目前，小功率半導體設備工作時的穩定性和可靠性已經符合標準規范，使用壽命也達到了應用標準要求。為了解決大功率半導體激光器因其特點導致的各種影響設備使用的問題，可以從以下幾個方面入手：

（1）提高材料質量，保證零件可靠；

（2）增大光斑尺寸[4]；

（3）提高制作工藝，保證設備可靠；

（4）優化散熱公益，減緩老化速度。

半導體激光器可靠性的發展見表2和表3。

表2 bar條可靠性的發展

表3 單管可靠性的發展

2.1.4 半導體激光器光束質量

通常情況下都是采取改變芯片結構和工藝手段的方式來提高半導體激光器的光束質量，使其出射激光受到面的限制來保證模式的單一和穩定；與此同時，還可以利用外腔反饋技術來提高光束質量。外腔半導體激光器能精確地控制其波長，并有功耗低、工作穩定、結構不復雜等優勢。一般采用脊形波導（RW）的方式去提高側面的光束質量。外腔反饋光譜合束技術的原理如圖2所示。

圖2 外腔反饋光譜合束技術原理

2.2 研究現狀

經過了六十多年的發展，半導體激光器在國際和國內都受到了極高的關注，在各行業領域都充分發揮著它的特長。近年來，各國為了提升自身的科技力量，在半導體激光器的研究和制作工藝上投入了極大的精力，使半導體激光器的可靠性和實用性得到了更進一步的提高。

3 大功率半導體激光器可靠性分析

延長使用壽命、延緩老化速度、提高可靠性是目前大功率半導體激光器的研究重點。接下來從溫度應力和電流步進應力加速老化方向對可靠性進行分析。

將半導體激光器置于溫度為70℃的環境下（遠高于工作環境正常溫度），以正常電流應力（1A）開始工作，這種方式可以直觀地展現出激光器的失效狀況。將實驗開始的光功率設為基點，隨著實驗時間的增加，光功率緩慢降低，直至失效（一般將功率下降30%時視為失效）。在這個過程中得到時間和功率的關系曲線，如圖3所示。該實驗可以較為準確地推斷出激光器的使用壽命，但實驗過程較長，并且對水冷設備和水溫的穩定性有著較高的要求。

圖3 溫度應力老化曲線

半導體激光器保持工作環境溫度不變，越大的電流應力會使得激光器的老化速度越快。根據電流步進應力可以推算出半導體激光器的使用壽命。

一般將激光器輸出功率下降30%規定為無法繼續使用，在實驗中，將激光器放在不同的電流應力狀態下工作120小時，得出激光器輸出功率的變化情況。實驗要求被測激光器應屬于同一批設備，這樣可以盡可能地保證實驗變量的單一性。根據逆冪律加速模型對實驗結果進行計算，得出大功率半導體激光器在正常工作環境溫度狀態下以1A的電流工作的使用壽命是1451小時。實驗結果如圖4所示。

圖4 半導體激光器電流步進應力老化結果

4 大功率半導體激光器的實際應用

大功率半導體屬于用途非常多樣化的一種光電子設備，它的輸出功率可以達到上千瓦特，并且可以以此狀態持續性穩定輸出如此高的功率，而且這種設備有著能量轉換率極高的優勢。大功率半導體激光器的實際應用范圍非常廣泛。

目前半導體激光器在醫療方面主要用于激光多普勒成像，可以對人體進行血流探測、活體人血成像、人視網膜血流的彩色成像等；還用于激光全息技術，通過激光器生成全息圖像，多用于牙科、眼科或婦科；還可以進行組織切割、照射理療等醫療手段；當今流行的激光脫毛技術與半導體激光器也是息息相關。

在軍事方面，主要用于制導跟蹤、激光雷達、檢測污染、激光引信、制作夜視儀等。

在工業加工方面，主要用于激光切割、激光清洗、激光熔覆、激光焊接等[5]。

5 結論與展望

為了更好地滿足各領域對大功率半導體激光器的需求，需要從以下幾個方面對其進行優化和提升：

（1）發展新工藝，提高各項指標；

（2）拓展應用領域；

（3）發展新型激光合束技術，提高輸出功率；

（4）研發新材料、新結構的激光器，實現全波段的激光輸出。

大功率半導體激光器的技術幾乎涵蓋了光電子的所有領域，它的研究進展表明了我國光電子領域技術的整體提升。隨著大功率半導體激光器性能的不斷提升，未來大功率半導體激光器將在各個領域得到更廣泛的應用，今后還可以根據客戶需求對激光器進行定制、模塊化配置，這將是一個非常重要的發展方向。