高功率二極管激光器可能是將電能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率應(yīng)用）的最有效方法。

圖1低功率和中功率GaN激光二極管的應(yīng)用:近眼投影，舞臺(tái)照明，前燈和投影。右圖:TO包裝中的藍(lán)色激光器(來源:Osram)

高功率二極管激光器可能是將電能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率應(yīng)用）的最有效方法。雖然紅外激光器是50多年前發(fā)明的，在工業(yè)上已經(jīng)使用了20多年，但GaN高功率激光器直到最近才被用于材料加工，尤其是銅的焊接和釬焊。盡管在后一種應(yīng)用中，藍(lán)色波長(zhǎng)比紅外波長(zhǎng)具有獨(dú)特且無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)，但仍有一些困難需要克服。本文概述了GaN激光器的發(fā)展步驟，從其商業(yè)化初期作為藍(lán)光播放器中的1兆瓦光源，到今天的1.5千瓦系統(tǒng)。此外，還將解釋達(dá)到40%功率效率的重要調(diào)查，以及達(dá)到65 khr或更長(zhǎng)壽命的考慮因素。還根據(jù)與紅外激光二極管的比較，對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

上世紀(jì)70年代，二極管激光器首次在紅外光譜范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于CD播放器。類似地，30年后，GaN激光二極管首次廣泛應(yīng)用于405 nm藍(lán)光播放器。這些應(yīng)用要求地面模式下的輸出功率低，光束質(zhì)量好。此外，在低輸出功率范圍內(nèi)，AR、VR的近眼應(yīng)用中，MR設(shè)備需要用于紅光、綠光和藍(lán)光的單模式激光器。這些激光模具通常相當(dāng)小。

用于單模發(fā)射的激光芯片如圖2所示。它包含GaN襯底、包含發(fā)光量子阱層（<10 m厚）的外延層、波導(dǎo)層、電流分布層和金屬觸點(diǎn)。芯片設(shè)計(jì)還必須支持接地模式操作，并且其結(jié)構(gòu)使接地模式的增益減去損耗高于高階模式，以實(shí)現(xiàn)接地模式操作。

圖2中描繪了典型的LIV曲線?？梢钥闯?，對(duì)于436nm的低功率激光器，可以實(shí)現(xiàn)低至6mA的閾值電流。在24 mA的工作電流和4.1 V的電壓下，可以獲得10 mW的輸出功率。這相當(dāng)于約10%的效率。非常低的閾值電流很重要，因?yàn)檫@些設(shè)備需要在非常高的脈沖頻率下工作，因此它們通?？偸瞧迷陂撝惦娏鞲浇?。通過將反射鏡的HR側(cè)和AR側(cè)的反射率分別設(shè)計(jì)為99%和90%，可以達(dá)到較低的值。測(cè)距或調(diào)平應(yīng)用通常需要輸出功率更高的單模激光器。高功率單模激光器的LIV曲線如圖2所示?？梢钥闯?，藍(lán)色和綠色激光二極管的閾值分別為11 mA和30 mA，在130 mA和290 mA時(shí)分別達(dá)到100 mW的輸出功率。這種更高的工作電平與更高的閾值電流直接相關(guān)，因?yàn)樗峭ㄟ^諧振器AR側(cè)較低的反射率增加鏡損耗而實(shí)現(xiàn)的。

圖2激光二極管示意圖(左)，低閾值的LI曲線(中)和大功率單模二極管的LIV曲線。

1–10 W范圍內(nèi)的激光二極管通常用于紅外能量傳輸或低功率焊接應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，用于更高輸出功率的設(shè)備和封裝得到了發(fā)展。每個(gè)光源隨時(shí)間的輸出功率如圖3所示。對(duì)于紅外激光器，在1980年左右實(shí)現(xiàn)了1W，并在2008年穩(wěn)步增加至約100W，現(xiàn)在已達(dá)到每1cm激光棒1kW，或在大批量生產(chǎn)的商用系統(tǒng)中超過300W（連續(xù)波或硬脈沖）。同樣對(duì)于GaN激光二極管，有許多應(yīng)用需要不同的輸出電平。這如圖3右所示。如今，一位數(shù)瓦特級(jí)別的激光器用于照明（通過泵送轉(zhuǎn)換器將激光管芯的450 nm轉(zhuǎn)換為所需顏色或白光）或舞臺(tái)和表演照明。要求功率在10 W范圍內(nèi)的汽車前照燈如今通常用于高端車輛。未來的應(yīng)用，如商業(yè)環(huán)境或電影院中的投影，在每個(gè)封裝約100 W的功率水平下開始變得有趣，甚至在不久的將來，切割、焊接和焊接等材料加工方法也將成為可能。對(duì)于這些應(yīng)用，需要1千瓦及以上的功率水平。對(duì)于紅外激光器和激光系統(tǒng)，半導(dǎo)體芯片的開發(fā)花費(fèi)了幾十年時(shí)間，但封裝技術(shù)、材料和光學(xué)元件也必須改進(jìn)，以便能夠配置多千瓦系統(tǒng)。

圖3紅外GaAs和可見光發(fā)射GaN基半導(dǎo)體激光器芯片和封裝輸出功率的開發(fā)。

對(duì)于GaN來說，電源應(yīng)用的開發(fā)始于2000年之后。這方面的進(jìn)展比紅外技術(shù)更快，因?yàn)闉榧t外技術(shù)開發(fā)的許多構(gòu)件也可用于450納米系統(tǒng)。雖然紅外激光器最初的諧振腔長(zhǎng)度為300μm，發(fā)射器較窄，模具較小，但現(xiàn)在它們的諧振腔長(zhǎng)度已達(dá)到4至6 mm，在10 mm寬的激光棒中填充系數(shù)達(dá)到70%或更高。如今的GaN激光器遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

當(dāng)觀察一些材料參數(shù)時(shí)，這種差異的原因變得可以理解。表1比較了一些特性。第一個(gè)最明顯的區(qū)別是帶隙。GaAs的紅外帶隙約為1.42eV，GaN的高帶隙約為3.42eV。當(dāng)人們需要不同的波長(zhǎng)時(shí)，這種差異是不可避免的。p型摻雜的活化能、空穴遷移率、光在激光諧振腔中的吸收系數(shù)和特征溫度T0都有進(jìn)一步的技術(shù)影響。

表1 GaAs和GaN材料參數(shù)的比較。

由于高活化能，只有一小部分摻入的鎂實(shí)際上起到摻雜劑的作用，導(dǎo)致許多鎂原子擾亂晶格并增加吸收，但不會(huì)提高載流子密度和導(dǎo)電率。在砷化鎵中，碳常被用作p型摻雜劑。這是100%離子化的，這意味著包含的所有碳都有助于實(shí)現(xiàn)高摻雜和低電阻。類似地，GaAs中的空穴遷移率大約是GaN中的兩倍，導(dǎo)致更低的電阻率，因此更低的電損耗，即使在GaAs中的C雜質(zhì)密度低于GaN中的Mg雜質(zhì)密度的情況下也是如此。

GaN基激光二極管的最佳諧振腔長(zhǎng)度為1.2/cm，相比于高功率GaAs激光器的小于0.5/cm，因?yàn)樗鼈兊奈崭?。這些都使得描述閾值電流隨溫度變化的T0值很低。在GaAs高功率激光器中，當(dāng)工作溫度越高時(shí)，閾值電流的增長(zhǎng)速度越快、幅度越大。GaAs和GaN兩種器件的高T1值表明，斜坡效率對(duì)溫度的依賴性很小。兩者共同描述了GaN激光二極管對(duì)更高的工作溫度反應(yīng)更敏感，在給定的工作電流下，輸出功率隨溫度下降得更快。

一開始就必須克服一些非?；镜膯栴}，才能制作和操作GaN棒。由于激光棒是非常大的設(shè)備，因此必須保證基板的低缺陷密度。此外，還必須提高外延層的結(jié)晶質(zhì)量。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為制作激光棒是不可能的，因?yàn)镚aN是一種位錯(cuò)密度高于GaAs的材料。據(jù)推測(cè)，單一發(fā)射極故障將導(dǎo)致災(zāi)難性故障，正如過去觀察到的GaAs激光棒故障一樣。由于工作電壓也取決于溫度，一根棒上一個(gè)發(fā)射極的低效運(yùn)行會(huì)影響到鄰近的發(fā)射極，因此必須通過盡可能多地對(duì)單個(gè)發(fā)射極進(jìn)行熱解耦來防止熱失控。所有這些都使GaN激光棒的實(shí)現(xiàn)成為可能。

在圖4中，顯示了相同諧振腔長(zhǎng)度的藍(lán)色激光棒和紅外激光棒的LI、UI和WPE過工作電流曲線。在左邊的圖片時(shí),輸出功率85 W的藍(lán)色條50歲的遠(yuǎn)高于紅外激光(47 W),但很明顯，這只是由于更寬的帶隙，并導(dǎo)致4.1 V的工作電壓遠(yuǎn)高于紅外激光條的1.5 V。這導(dǎo)致在50 a時(shí)，壁塞效率較低，僅為40%而不是>60%（圖4右圖）。

圖4 LI, UI和效率超過電流的藍(lán)色和紅外激光棒。

對(duì)于紅外二極管來說，過去幾年的策略是降低吸收，增加填充因子增加接觸尺寸，增加諧振器長(zhǎng)度，并通過降低電阻率進(jìn)一步降低歐姆損耗。商業(yè)應(yīng)用中cw運(yùn)行的高輸出功率>300W是當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)。相比之下，氮化鎵激光器不能用長(zhǎng)諧振腔，而器件中的光吸收很高。同樣，填充因子不能增加，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致高閾值電流。因此，必須進(jìn)一步改進(jìn)不同的材料參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)更多的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。

目前，用于450 nm發(fā)射的GaN激光器的填充系數(shù)低于10%(以保持低閾值電流并允許有效冷卻)，諧振器長(zhǎng)度可達(dá)1200μm，以避免吸收導(dǎo)致的低斜率效率。它們安裝在水冷式微通道冷卻器上，在熱滾轉(zhuǎn)前可輸出功率107w以上，峰值效率約為44%(圖5左)。如圖5所示，AlGaInN的材料組合提供了調(diào)節(jié)不同發(fā)射波長(zhǎng)的可能性，這是波長(zhǎng)復(fù)用的要求。

圖5 1 cm激光棒450 nm的LI和WPE曲線[6](左)，不同工作電流下不同波長(zhǎng)的激光棒光譜[5](右)。

如今，與基于GaAs的紅外激光光源的可比系統(tǒng)相比，基于GaN的用于發(fā)射450 nm光的激光二極管仍然表現(xiàn)出較低的效率和較低的總輸出功率。此外，由于組件更昂貴，而且這種新型材料系統(tǒng)的產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本仍然高得多。然而，它們具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即一些材料吸收紅外光相當(dāng)差，而對(duì)藍(lán)光或紫外光的吸收很好，如圖6所示。

圖6銅、銅、金、金的吸收光譜。

有幾家公司已經(jīng)成功地將發(fā)射波長(zhǎng)為450 nm的氮化鎵激光二極管整合到輸出功率超過1 kW的系統(tǒng)中。這些激光器是專為使用藍(lán)光超強(qiáng)吸收的重型材料加工而設(shè)計(jì)的。在一些應(yīng)用中，所有的藍(lán)色和混合系統(tǒng)已經(jīng)證明了它們比純紅外系統(tǒng)更好的性能?？梢灶A(yù)見，隨著成本的穩(wěn)步降低，輸出功率和效率的提高，越來越多的系統(tǒng)將使用GaN二極管作為它們的光源。

來源：Blue High-Power Laser Diodes–Beam Sources for Novel Applications, Photonics Views, DOI:10.1002/phvs.202000018

參考文獻(xiàn)：T. Hager, U. Strauss,C. Eichler et al.: Power blue and green laser diodes and their applications, Proc. SPIE 8640, 864015 (2013).