半導(dǎo)體激光器的研究始于20世紀60年代。1962年，美國科學(xué)家Hall首次研制成功了第一代半導(dǎo)體激光器——低溫脈沖工作的GaAs同質(zhì)結(jié)激光器，由于只能在液氮溫度下脈沖工作，難于實用化，但它為半導(dǎo)體激光器的研制和開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。
從液氮溫度下到室溫下連續(xù)工作，從單異質(zhì)結(jié)到雙異質(zhì)結(jié)，半導(dǎo)體激光器逐漸邁入了新時期。再之后隨著能帶工程理論的引用，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的不斷問世及發(fā)展，新制備出的量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器各方面的功能特性有了很大程度的提高，同時實現(xiàn)了高功率輸出。
在歐美等國大力研發(fā)的情況下，半導(dǎo)體激光器器件結(jié)構(gòu)理論的研究日益深入，材料制備工藝也逐漸成熟，尤其在材料外延生長技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)和器件封裝等方面都實現(xiàn)了顯著的提高。因此，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用已遍及通信光源、光陀螺、光存儲以及激光雷達等方面。
本文從半導(dǎo)體激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性3個方面，總結(jié)了目前市場上的主流技術(shù)、技術(shù)最高值、代表廠商和產(chǎn)品，旨在供同行交流和參考。
半導(dǎo)體激光器的
輸出功率
目前國際上大功率半導(dǎo)體激光器的標準封裝形式主要有單管、線陣、迭陣這3大類。而圍繞半導(dǎo)體激光器性能方面的提升首先考慮的通常是功率，其他指標例如高轉(zhuǎn)化效率、高可靠性、高光束質(zhì)量都是在功率提升之后逐步改進的，繼而實現(xiàn)對大功率激光器整體功能特性的完善，方便其在各個領(lǐng)域中的更新?lián)Q代。
單管輸出功率
Alfalight公司在2010年采用SE-DFB技術(shù)研制成功的半導(dǎo)體激光單管連續(xù)輸出功率可達73 W，峰值脈沖功率超過300 W。
美國Axcel Photonics生產(chǎn)的808 mm的半導(dǎo)體激光器單管，腔長2 mm，發(fā)光單元寬度為400 μm，連續(xù)輸出功率達到 29 W。
美國nLight公司生產(chǎn)的885 nm單管激光器，其峰值輸出功率超過25 W（額定功率12 W），轉(zhuǎn)換效率超過60%。
德國Ferdinand-Braun-Institut生產(chǎn)的980 mm 的半導(dǎo)體激光單管，它的發(fā)光單元寬度為96 μm，連續(xù)輸出功率達到20 W，工作4000小時后無損壞。
激光器線陣輸出功率
由于單個半導(dǎo)體激光器的腔體發(fā)光面積較小,其輸出功率最高只能達到幾十瓦，因此要實現(xiàn)更高量級的激光輸出，通常采用陣列式構(gòu)造，實現(xiàn)多個激光器單管的組合?？筛鶕?jù)需要達到的功率要求將成千上百個單管平行排列，構(gòu)成一個Bar條，即線陣半導(dǎo)體激光器。
如表1所示，半導(dǎo)體激光線陣的輸出功率增加在10年增長了近3倍。
表1 半導(dǎo)體激光器bar條輸出功率
美國Spectra-Physics的940 nm波長單激光線陣結(jié)構(gòu)將65個填充因子為83%、腔長5 mm、125 μm 條寬的激光單元以150 μm為間隔集成在一個標準厘米線陣上在水溫5℃單邊冷卻散熱的情況下可以達到640 W；而若采用雙邊冷卻散熱方式，連續(xù)功率可以實現(xiàn)1010 W的輸出。同時該激光線陣相同的結(jié)構(gòu)在波長980 nm和808 nm分別實現(xiàn)功率950 W和800 W連續(xù)激光輸出。
激光器迭陣輸出功率
為了提高半導(dǎo)體激光器的功率輸出，一方面可將若干個單管激光器芯片集成，形成激光器Bar條。同時，還可以將多個Bar條堆疊起來形成二維面陣，激光器面陣的光功率可以達到幾十千瓦乃甚至幾百千瓦。
德國Laserline公司在激光器迭陣中采用了激光合束技術(shù)，許多款大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)投入商用，主要參數(shù)如表2所示。
表2 德國Laserline公司的半導(dǎo)體激光器
迭陣合束光源參數(shù)
德國Dilas公司通過采用11×8個單元（每個單元25個bar）的二維列陣結(jié)構(gòu)，制備了波長為 941 nm，脈沖輸出功率為 264 kW的半導(dǎo)體激光器列陣。該公司的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、國防、醫(yī)療以及科研等各個領(lǐng)域。
半導(dǎo)體激光器的
效率
評價半導(dǎo)體激光器的一項指標是電光轉(zhuǎn)換率。通常來講，進入材料的那一部分能量都轉(zhuǎn)化為有用的光了，而剩余的大部分通常會以熱的形式殘留在設(shè)備中。對于一個給定的能量源來說，高效率可以獲得更多的有用輸出，產(chǎn)生的廢熱也會更少，這就意味著可以使用更為環(huán)保經(jīng)濟的冷卻系統(tǒng)。
效率高的激光器設(shè)備產(chǎn)生較少廢熱的同時也意味著整個設(shè)備的溫度較低。而較低的工作溫度也保障了更長的工作壽命，因為半導(dǎo)體組件的降解速率是會隨著溫度的上升以指數(shù)的形式升高的。
相對來說，更低的廢熱產(chǎn)生也意味著激光器可以輸出更高的功率。高質(zhì)量低缺陷的激光器可獲得的峰值功率是會受到熱效應(yīng)影響的，也就是說它的峰值功率只會在給定的特定溫度才能實現(xiàn)。低廢熱的話意味著激光器可以在達到給定溫度之前盡可能提高輸出功率。
總而言之，半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率十分重要，尤其是在需要高輸出功率的工業(yè)、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，半導(dǎo)體激光器在不斷追求高功率的同時也試圖在更加寬闊的波段領(lǐng)域?qū)で笸黄啤?/div>
表3列舉了市場上應(yīng)用最為廣泛的波長在800-1000 nm的半導(dǎo)體激光器近年來的最高輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和工作溫度。
表3 半導(dǎo)體激光器Bar條輸出功率及轉(zhuǎn)化效率
半導(dǎo)體激光器的
可靠性
目前，隨著工業(yè)加工、國防安全等領(lǐng)域?qū)τ诎雽?dǎo)體激光器的功率要求日益提升，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展進入了快車道，單管輸出功率已超千萬，陣列式激光器的輸出功率亦水漲船高，同時電光轉(zhuǎn)化率也突破80%。但與此同時，激光器功率的急劇上升也會給其帶來可靠性水平的下降，造成工作壽命縮短。因此，國內(nèi)外學(xué)者對于如何保證高功率的同時進一步增強其可靠性與壽命展開了深入的研究工作。
在通信光存儲等領(lǐng)域，單管激光器的工作時間可超百萬小時，而線陣半導(dǎo)體激光器的壽命則降低到1-3萬小時，而多個bar條組成的半導(dǎo)體激光器陣列更是降低了好幾個數(shù)量級。
考慮到整體激光器系統(tǒng)的體積，陣列中各個激光發(fā)射單元的排布較為緊密，帶來高功率激光輸出的同時也為系統(tǒng)的散熱帶來了諸多問題，在連續(xù)大電流工作時，各個發(fā)光單元產(chǎn)生的熱量分別累計相互影響，從而產(chǎn)生熱量梯度，因此常常會造成燒孔、電熱燒毀和端面災(zāi)變性損傷。
與此同時，各單元緊密的排列在提升了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的同時，也對激光器件的整體封裝技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。由于封裝工藝不到位引起的焊料空洞、引線脫落等都對激光器的可靠性帶來巨大的潛在影響。
解決這些問題一般通過以下方法:
提高晶體生長質(zhì)量、改進制備工藝和封裝技術(shù)、增大光斑尺寸、優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)和散熱方法等。
近年來，由于半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率的提高以及封裝散熱工程的改進，半導(dǎo)體激光器單管報道的最長壽命很多已達到十萬小時以上，線陣的可靠性也有了非常明顯的提高。半導(dǎo)體激光器高的電光轉(zhuǎn)換率可能會在重量、空間以及電能吃緊的領(lǐng)域產(chǎn)生新的用途。高的電光轉(zhuǎn)換效率可以降低內(nèi)部工作溫度也因此會減輕折射率分布產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
全固態(tài)激光器
近來發(fā)展迅速
全固態(tài)激光器全稱為半導(dǎo)體激光器抽運的固態(tài)激光器，是以半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體激光器陣列作為抽運源，摻入金屬離子的晶體或玻璃基質(zhì)作為增益介質(zhì)的激光器裝置。因此，從某種意義上來講，全固態(tài)激光器綜合了半導(dǎo)體激光器和固體激光器兩者的優(yōu)點。
基于其自身的優(yōu)勢以及巨大的市場潛力，在歐美等國的努力研發(fā)下，輔之以相干合成和熱容技術(shù)，目前全固態(tài)激光器輸出平均功率均已超過萬瓦，可用于工業(yè)加工和國防安全領(lǐng)域。國內(nèi)對于全固態(tài)激光器的研究受限于早期大功率激光器抽運源禁運，起步較晚，但近來發(fā)展迅速。
半導(dǎo)體抽運堿金屬
蒸汽激光器
半導(dǎo)體抽運堿金屬蒸汽激光器（DPAL）屬于非全固態(tài)激光器，工作物質(zhì)為堿金屬原子飽和蒸汽，與氣體激光器一樣，通過外層價電子能級躍遷來實現(xiàn)激光輸出，由于集合了氣體和固體激光器的長處，系統(tǒng)散熱好、轉(zhuǎn)換效率高，市場應(yīng)用前景巨大。
目前，人們對DPAL的功率定標放大能力開展了系統(tǒng)深入的研究，并于近期成功實現(xiàn)了高效的千瓦級連續(xù)輸出，正處于功率提升的關(guān)鍵發(fā)展時期。
國內(nèi)對于半導(dǎo)體抽運堿金屬蒸汽激光器的研究大多還處于理論研究階段，浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)以及深圳大學(xué)都開展了相關(guān)方面的研究工作。而國防科技大學(xué)在2009年首次完成了半導(dǎo)體抽運銣蒸汽激光器的出光實驗，也是國內(nèi)對于該領(lǐng)域研究的一項重大突破。
總結(jié)
目前各類激光器的發(fā)展水平迅速，其中商業(yè)應(yīng)用較為廣泛的大功率激光器型號如表4所述。
表4 各類商用大功率激光器發(fā)展水平
激光領(lǐng)域已經(jīng)為人類結(jié)出許多碩大的科研果實。然而，眾多新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品接連問世的同時，各類激光器的性能也存在著或多或少的不足與缺陷，大功率激光器的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用還面臨著諸多難題。
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