大功率半导体激光器

大功率半导体激光器的发展历程

1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs 同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要 5 × 10^4 ～ 1 × 10^5 A/ cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。

1963 年，美国的 Kroemer 和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺，如气相外延(VPE)、液相外延(LPE) 等的发展，1967 年，IMB 公司的 Woodall 成功地 利 用 LPE 在 GaAs 上 生 长 了 AlGaAs。在 1968—1970 年期间，美国贝尔实验室的 Panish， Hayashi 和 Sμmski 成功研究了 AlGaAs/GaAs 单异质结激光器，室温阈值电流密度为 8.6 × 10^3 A/ cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。

正当美国学者们致力于单异质结激光器的研究时，前苏联科学院约飞物理研究所的 Alferov 等宣布研制成功双异质结半导体激光器( HD-LD) 。该结构是将 p-GaAs 半导体有源区夹在宽禁带的n-AlGaAs 层和 p-AlGaAs 层之间，使得室温下的阈值电流降低到 4 × 10^3 A/cm2。双异质结构半导体激光器阈值电流密度之所以能够明显降低，主要是依靠双异质结的两个作用: ( 1) 有源区两边包层材料的带隙宽于有源区材料的带隙，这使得注入双异质结半导体激光器的载流子被有效地限制在有源区内，以利于产生高的增益; ( 2) 有源区材料的折射率大于两边包层材料的折射率，形成的光波导结构能将大部分光限制在有源区内。

双异质结构激光器的问世标志着半导体激光器的发展进入了新时期。1978 年，半导体激光器成功地应用于光纤通讯系统中。随着新材料、新结构的不断涌现，半导体激光器的电学和光学性能有了很大的提高。进入 20 世纪 80 年代以后，由于引入了半导体物理研究的新成果———能带工程理论，同时晶体外延材料生长新工艺如分子束 外 延 ( MBE ) 、金属有机化学气相沉积( MOCVD) 和化学束外延( CBE)等取得重大成就，使得半导体激光器成功地采用了量子阱和应变量子阱结构，制备出了许多性能优良的激光器件，如各类量子阱激光器、应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器和高功率半导体激光器阵列等，实现了高功率输出。

量子阱激光器窄带隙有源区材料的厚度通常小于电子在该材料的德布罗意波长( 一般小于10 ～ 20 nm) ，这样能使注入的电子被势阱有效地吸收。在量子阱中电子和空穴沿着垂直阱壁方向的运动呈现量子化的特点，电子的态密度也变为阶梯状，这时只需要很小的注入电流就可以实现粒子数反转，因此量子阱激光器具有很小的阈值电流、很高的微分量子效率和高输出功率。

1977 年，日本东京工业大学的伊贺健一( Kenichi Iga) 提出垂直腔面发射激光器( Vertical- cavity surface-emitting laser，VCSEL) 的概念，其工作原理如图 1 所示。这种激光器由于光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，因此能够实现芯片表面的激光发射，有着低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点。随着材料生长工艺的成熟和器件结构的优化，VCSEL器件在低阈值电流及室温工作等方面取得了一系列进展，并于1988年实现了室温连续激射。目前，VCSEL已经在光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟等领域获得了广泛的应用。

随着理论研究和制备工艺的发展，尤其是在美国SHEDS、ADHEL和德国BIOLAS等项目的支持下，半导体激光器芯片结构、外延生长和器件封装等技术均有了很大的发展。半导体激光器以其转换效率高、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及易与其他半导体器件集成等特点，在军事、工业加工、激光医疗、光通信、光存储和激光打印等信息领域中有着非常广泛的应用。

大功率半导体激光器的研究现状

现在国际上半导体激光器研究的重大技术问题是: 如何同时获得高功率、高可靠性和高能量转换效率，同时提高光束质量并拥有良好的光谱特性。随着材料生长技术和器件制备工艺的发展和进步，新的有源材料不断涌现，更好的器件结构和工艺日趋成熟，半导体激光器的功率、可靠性和能量转换效率都得到了迅速提高; 以往相比于其他激光器的劣势，如光束质量差、光谱线宽过大等问题也得到了相当程度的改善，半导体激光器的性能得到不断的提升，在很多领域正在逐渐取代其他激光光源，并且其应用前景也越来越广泛。

3.1 半导体激光器的输出功率

商用大功率半导体激光器主要工作在近红外波段，其波长范围在800 ～ 1100 nm 之间。目前，提高半导体激光器的输出功率主要有两种方式:一种是提高半导体激光器芯片上单管激光的输出功率，另一种是增加半导体激光器的发光点个数。

提高单管激光的输出功率，需要改进激光器的芯片结构，提升材料生长、芯片制备、腔面镀膜及封装散热等关键技术。增加激光器发光点的个数则主要表现为激光器线阵( 多个激光单元在外延层方向同芯片集成，也叫做激光器 bar 条) 、迭阵、单管模组、面阵等激光合束技术。传统激光合束(Traditional beam combining，TBC) 技术基于半导体激光器的光斑、偏振和光谱特性，单纯从外部光学系统考虑，利用空间合束、偏振合束和波长合束对单管、线阵和迭阵进行能量合束和光束整形。外腔光谱合束( External cavity feedback wavelength beam combining，ECFWBC) 技术利用光栅进行外部光学反馈实现光谱合束，可以在提高功率的基础上保证良好的光束质量。

3.1.1 单管输出功率及单管合束光源

近几年来，半导体激光器近红外波段的输出功率得到了显著提高，目前单管激光器的连续输出功率已超过 10 W，最高可达到 25 W，如表 1所示。

半导体激光器单管合束是由激光单管组成的最小光学模组，可以直接合束实现光纤输出。激光器单管合束的优点是: 寿命长、可靠性高，慢轴光束质量比较好，可耦合进芯径≤100μm的光纤; 由于热源分散且发热量小，可以采用传导冷却或风冷，因而光源模组整体体积小，重量轻; 无需高电流驱动，可以采用并联方式，对电源要求也比较低。但是，相对于线阵和迭阵，激光单管经过合束后输出的功率一般为数百瓦，因此一般用在功率需求为几十瓦至数百瓦、或者对体积和可靠性要求非常高的场合，如光纤激光器泵浦、激光医疗等。

近年来，单管耦合光源的应用范围越发广泛，发展迅速。美国Fraunhofer USA 采用 120个单管耦合进 200 μm 光纤，功率输出 ＞ 700 W。美国 nLight 采用 72 个 940 nm 波长的单管，排列成 4 个单元，实现光纤输出 700 W 连续功率 。

3.1.2 激光器线阵输出功率与线阵合束光源

随着技术发展和单管输出功率的提高，半导体激光bar条的输出功率也显著增加。厘米 bar条的输出功率从 2000 年时的 240 W 已经提高至1 000 W 左右，增大到原来的 4 倍，增长非常迅速，如表 2 所示。

半导体激光器线阵合束，指的是若干传导冷却或大通道热沉封装的激光器线阵，通过光学元件实现分立空间位置上的激光能量叠加。这种激光器线阵合束技术的优点是线阵光路独立，装调简便精度高，不存在公差积累问题; 热源分散，可以采用传导冷却或大通道水冷，散热要求低; 线阵之间的电连接与冷却液隔绝，因而可以采用普通纯净水作为冷却液; 被准直的线阵光束不受热沉厚度影响，合束光斑无暗区叠加。但是，由于半导体激光器线阵排布比较分散，所以相同功率的线阵合束光源体积明显大于迭阵合束光源。考虑到总体积和光路复杂性，参与合束的激光器线阵一般不超过 50 个，因此该技术适用于输出功率为数百瓦级至 3 000 W 级的应用场合。

近年来，半导体激光器线阵合束的研究也有了很快的发展。德国 Limo 采用 38 个传导热沉封装激光器线阵，形成 8 个线阵合束单元，实现了 200 μm 芯径、0． 22 数值孔径的光纤的 1 200 W功率输出。德国 Dilas 采用 28 个激光器线阵，实现了 200 μm 芯径、0.22 数值孔径的光纤的 775 W 功率单波长激光输出，然后通过波长合束，实现了 500 μm 芯径、0.12 数值孔径的光纤的 3 835 W 连续功率输出。德国 Trumf 采用低填充因子的激光器线阵，制成 100 μm 芯径、0.12 数值孔径的光纤的 100 W 线阵合束模块，然后以 19 个模块经过光纤捆绑方式实现空间合束，再通过波长合束方式实现 600 μm 芯径、0.12 数值孔径的光纤的 3 000 W 连续功率输出。

3.1.3 激光器迭阵合束光源

半导体激光器迭阵是通过若干微通道热沉封装的bar条在快轴方向直接堆叠而成，激光器迭阵合束技术是高功率半导体激光光源最常采用的合束方式。

在可以保证单层激光器bar条连续输出数百瓦激光功率的情况下，受限于热沉内微通道的水压降，激光器迭阵中激光器 bar 条数一般不能超过 50 层。这样，单个激光器迭阵能够实现连续工作数千瓦的激光输出。通过增加激光器迭阵数量进行激光合束，能够实现上万瓦甚至数十万瓦的半导体激光输出。激光器迭阵光源具有结构紧凑、体积小( 包括微通道热沉在内，单个激光器bar条体积为 0.6 cm3 左右，50 层 bar 条不超过 30 cm3 ) 的优点，是目前半导体激光光源实现高功率输出的主要封装方式。

激光器迭阵通过热沉与激光芯片之间的串联加电，另外，微通道热沉中水道截面直径在微米量级，容易发生堵塞，这就要求激光器迭阵的冷却液必须采用高度绝缘性的纯净去离子水，并定期维护更换，因而对冷却液和热沉的要求非常高。

综合考虑输出功率和可靠性等方面，在要求连续输出 3 000 W 甚至更高功率的应用场合，应该使用基于激光器迭阵的半导体激光合束技术。

德国Laserline公司基于激光器迭阵，结合平行平板堆整形方法和激光合束技术，已研制出了多种半导体激光直接加工机，代表参数如表 3 所示。15 kW 功率的光束质量为 100 mm·mrad，2 kW 功率的光束质量为20 mm·mrad，后者超过了相同功率下灯泵 Nd∶ YAG 激光的光束质量。该公司半导体激光光源保质期长达 5 年( 43 800 h) ，是灯泵 Nd∶ YAG 激光( ＜ 2 000 h) 的数十倍，这使得它在材料加工市场非常具有竞争力。目前该公司产品已直接应用在熔覆、表面强化、金属焊接和深熔焊等材料加工领域。

3.2 半导体激光器的转换效率

半导体激光器的功率转换效率是半导体激光器非常重要的指标之一。高转换效率的半导体激光器产生的废热少、能量利用率高，可以大大延长器件的工作寿命，提升可靠性; 同时也意味着可以采用更小、更轻、更经济的冷却系统，使得半导体激光系统的移动平台具有无可比拟的优点。

随着技术的发展和各国科研项目的支持( 美国国防先进技术研究计划署( DAＲPA) 专门设立了提高半导体激光器的电光转换效率到 80% 为目标的超高效率激光器光源( SHEDS) 项目) ，高功率半导体激光器光源的效率已经达到很高的水平。红外波段可达到 70% 以上。目前国际上关于高功率半导体激光器件的转换效率与波长对应关系如表 4 所示。

3.3 半导体激光器的可靠性

半导体激光器的可靠性在应用中是一个重要的技术指标。在通信、光存储等领域，小功率半导体的可靠性已基本解决，工作寿命可以达到实用要求。高功率半导体激光器在大电流工作连续输出时面临着端面灾变性损伤、烧孔、电热烧毁、光丝效应，以及微通道热沉的寿命等基本问题。解决这些问题一般通过以下方法: 提高晶体生长质量;改进制备工艺和封装技术;增大光斑尺寸;优化传热结构和散热方法等。

近年来，由于半导体激光器转换效率的提升和封装散热工程的改进，半导体激光器单管报道的最长寿命很多已达到十万小时以上，线阵的可靠性也有了非常明显的提高。单管和 bar 条的研究进展如表 5 和表 6所示。