3分鐘了解高功率半導體激光器的關鍵技術
激光應用需求的不斷提高，對半導體激光器的要求也越來越高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
- 提高輸出功率，開發(fā)高功率的二維或者三維列陣，以滿足工業(yè)加工等領域對功率的需求；
- 提高電光轉換效率，實現(xiàn)激光系統(tǒng)的小型化和高效化，較少散熱壓力，降低成本；
- 提高光束質量；
- 提高可靠性，即在高峰值功率和極其惡劣的環(huán)境中也能自由使用，如滿足空間航天飛行器在輻射大、溫差大環(huán)境中使用。
高功率半導體激光器的關鍵技術
結構設計優(yōu)化
高功率半導體激光器的發(fā)展與其外延與芯片結構的研究設計緊密相關。結構設計是高功率半導體激光器器件的基礎。半導體激光器的三個基本原理性問題是：電注入和限制、電光轉換、光限制和輸出，分別對應電注入設計、量子阱設計、波導結構的光場設計。半導體激光器的結構研究改進就是從這三個方面進行不斷優(yōu)化，發(fā)展了非對稱寬波導結構，優(yōu)化了量子阱、量子線、量子點以及光子晶體結構，促進了激光器技術水平的不斷提升，使得激光器的輸出功率、電光轉換效率越來越高，光束質量越來越好，可靠性越來越高。
高質量的外延材料生長技術
半導體激光器外延材料生長技術是半導體激光器研制的核心。高質量的外延材料生長工藝，極低的表面缺陷密度和體內缺陷密度是實現(xiàn)高峰值功率輸出的前提和保證。另外雜質在半導體材料中也起著重要的作用，可以說，沒有精確的半導體外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。主要通過對摻雜曲線的優(yōu)化，減少光場與重摻雜區(qū)域的重疊，從而減少自由載流子吸收損耗，提高器件的轉換效率。
腔面處理技術
大功率半導體激光器的應用通常要求激光器輸出功率很高且有較好的可靠性。而制約半導體激光器輸出功率的主要瓶頸就是高功率密度下腔面退化導致的光學災變損傷(COMD)。
在半導體激光器的腔面區(qū)域，由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷，這些缺陷成為光吸收中心和非輻射復合中心。光吸收產生的熱量使腔面溫度升高，溫度升高造成帶隙減小，因而在腔面區(qū)域與激光器內部區(qū)域之間形成了一個電勢梯度，引導載流子向腔面區(qū)域注入，更重要的是帶隙減小后帶間光吸收增強，兩者都會使腔面區(qū)域的載流子濃度升高，增強非輻射復合，使腔面溫度進一步升高。另一方面，大功率半導體激光器較大的電流注入也增強了腔面非輻射復合。正是光吸收、非輻射復合、溫度升高和帶隙減小的正反饋過程使腔面的溫度快速升高，最終腔面燒毀，即發(fā)生COMD。
腔面問題的根源是腔面缺陷的存在，包括腔面的污染、氧化、材料缺陷等，這些腔面缺陷首先影響COMD的一致性，其次會導致器件的退化，影響長期穩(wěn)定性。一般可以通過各種腔面鈍化和鍍膜技術，減少或者消除腔面的缺陷和氧化，降低腔面的光吸收，提高腔面的 COMD 值，從而實現(xiàn)高峰值功率輸出。
集成封裝技術
激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導體激光器的重要環(huán)節(jié)，而激光器光束整形和激光集成技術是獲得千瓦、萬瓦級激光的主要途徑。由于大功率半導體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時產生的熱量密度很高，這對封裝結構和工藝提出了更高要求。高功率半導體激光器封裝關鍵技術研究，就是從熱、封裝材料、應力方面著手，解決熱管理和熱應力的封裝設計，實現(xiàn)直接半導體激光器向高功率、高亮度、高可靠性發(fā)展的技術突破。
半導體激光器的應用
半導體激光器的直接應用領域已經有了廣泛的拓展。除了作為固體激光器、光纖激光器的泵源之外，還直接應用于光通訊、工業(yè)加工、醫(yī)療美容、照明監(jiān)控等很多領域。近年來半導體激光器在3D傳感、激光雷達、激光顯示等領域的新應用已吸引了人們極大的關注。
通信與光存儲
光通信領域目前仍是半導體激光器應用的最大市場，光纖通信已經成為當代通信技術的主流。同時也是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可以用于光計算機和光神經網絡。目前光通信領域主要應用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半導體激光器。而光信息和存儲主要應用的紅光激光器和藍光激光器，可實現(xiàn)高密度信息存儲和處理。
抽運光源
半導體激光器抽運固體激光器和光纖激光器是大功率半導體激光器應用最多的領域。作為抽運源，半導體激光器有著其他光源不可取代的優(yōu)越性，光纖激光器成為近五年來影響最大的抽運市場。而其抽運源，分為單芯片耦合光纖輸出和bar條耦合光纖兩大類。常用的是105 μm/NA0.22光纖連續(xù)輸出30-120 W；200 μm /NA0.22光纖連續(xù)輸出50-300 W，波長覆蓋808-976 nm。
圖 光纖耦合輸出抽運源
激光顯示與醫(yī)療
激光顯示因具有色域空間大、亮度高、壽命長、易于實現(xiàn)大屏顯示等優(yōu)勢，市場潛力巨大。為了獲得更好的視覺體驗，激光顯示用的紅光激光器波長越短，能獲得更好的視覺體驗。比如人眼在640 nm的敏感系數(shù)是660 nm的3倍。但對于AlGaInP紅光半導體激光器，波長越短，有源區(qū)材料的帶隙越高，載流子更容易從有源區(qū)中溢出進入限制層，降低激光器的效率及可靠性。綜合各種因素，激光顯示用紅光激光器的波長一般選擇640 nm。在激光醫(yī)療領域，650 -680 nm紅光激光器的使用也越來越搶眼，在理療、細胞檢測、光動力治療等方面得到了很好的應用。
圖 瓦級640~680 nm紅光半導體激光器
工業(yè)加工
材料加工領域是目前激光應用領域的第二大領域，也是最近發(fā)展最快的領域，這得益于光纖激光器技術的飛速發(fā)展。激光加工是基于各類材料的光熱效應加工，在不同的激光功率密度下，材料表面區(qū)域發(fā)生溫度升高、融化、氣化以及光致等離子體等變化，根據表面變化程度形成了退火、熔覆、焊接、切割、打孔等不同的應用。
圖 用于激光熔覆、醫(yī)療美容等領域的激光器bar條疊陣產品
照明監(jiān)控
隨著人們對安全防范意識的增強，對監(jiān)控攝像機的要求越來越高，特別是邊/海防、森林防火、鐵路交通等特殊場合。而激光監(jiān)控具有探測距離遠、可靠性高、功耗小、清晰度高等優(yōu)點，在長距離監(jiān)控應用中得到了飛速發(fā)展。以940 nm為代表的半導體激光器在高鐵、高速公路、森林防火、邊海防等領域得到了廣泛的應用。
隨著技術的不斷進步，半導體激光器本身在功率、波長、工作方式等方面都有很大的拓展空間，也進一步促進了激光顯示、激光智能識別、虛擬現(xiàn)實、精密加工、醫(yī)學檢測等新興產業(yè)的崛起，半導體激光器作為核心元器件，已走進千家萬戶，在國計民生各個領域都發(fā)揮著越來越重要的作用。
作者簡介
李沛旭，博士，山東華光光電子股份有限公司應用研究員，主要從事半導體激光器的材料、結構及器件的設計制作和研究工作；朱振，博士，高工，主要從事半導體激光器結構設計、外延工藝等研究和生產工作。
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