蓝光半导体激光器结构工作原理，谐振腔，阈值条件发光效率
一 蓝光半导体激光器结构
蓝光半导体激光器根据有源区材料的不同，半导体材料的带隙宽度存在差异，所以半导体激光器能够向外激射不同颜色的光。蓝光半导体激光器的有源区材料为 GaN 或 InGaN。
典型的GaN基激光器的结构示意如图1，在z方向从下到上依次为n电极、GaN衬底、n型A1GaN下限制层、n型hGaN下波导层、多量子阱(MQW)有源区、非故意掺杂hGaN上波导层、p型电子阻挡层(EBL)、p型A1GaN上限制层、p型GaN层以及p电极。
图1 典型的GaN激光器芯片结构
多量子阱有源区（MQWs）的材料折射率最高，且有源区两侧材料的折射率呈现递减的趋势。通过z方向材料折射率中间高、上下低的分布，可以将z方向的光场限制在上、下波导层之间。在y方向，激光器两侧的部分p型层通过刻蚀去除，并沉积了二氧化硅(Si02)薄层，最终形成了一种脊型结构。二氧化硅和空气的折射率要小于p型层的折射率，因而y方向的折射率呈现中间高、两侧低的分布，光场被限制在脊型中间。由于y方向、z方向对光场的限制作用，yz平面内的光场呈现椭圆形分布。在x方向，通过机械解理或者刻蚀的方法可以形成前、后腔面，且前、后腔面的反射率可以通过蒸镀介质膜来进行调控。通常前腔面的反射率要小于后腔面，以保证激光从前腔面出射。
二 蓝光半导体激光器的工作原理
原理和其他类型的半导体激光器工作原理基本一样，其本质都是半导体材料的光电效应。所有的半导体激光器能够正常工作，实现光子的受激辐射，必须实现以下几个条件：粒子数反转、谐振腔、光增益，阈值条件等
1 粒子数反转
粒子数反转是指在一定条件下，导带中的电子数多于价带中的空穴数，或者反过来。数学上，这可以表示为：
n>p 或者 n<p
在GaN激光器中，我们通常关注的是 𝑛>𝑝n>p 的情况。
当外部电场作用于GaN激光器时，电子从导带底部被推向高能态，而空穴则从价带顶部被推向低能态。这个过程称为电注入。在没有外部注入的情况下，半导体中的电子和空穴数量是相等的，系统处于热平衡状态。电子和空穴的分布可以用费米-狄拉克分布来描述：
其中：𝑛0和 𝑝0分别是导带和价带中的平衡载流子浓度。𝐸𝐶和 𝐸𝑉分别是导带底和价带顶的能量。𝐸𝐹 是费米能级。𝑘𝐵是玻尔兹曼常数。𝑇是温度。
当外部电场作用下，电子和空穴被注入到有源层中，其浓度分别变为 𝑛n 和 𝑝p。如果注入的电流足够大，那么可以使得：
其中：𝑁𝐶和𝑁𝑉分别是导带和价带的有效态密度。
为了实现粒子数反转，注入的电流必须足够大，以至于费米能级 𝐸𝐹 被推向导带，导致𝑛大于𝑝这可以通过以下条件来描述：
激光器阈值电流 𝐼𝑡ℎ 可以通过以下关系得到
其中，𝑞 是电子电荷，𝐴 是有源区横截面积。
通常，阈值电流以电流密度 𝐽𝑡ℎ 表示，即：
结合以上条件，我们可以推导出阈值电流密度：
由此，我们可以解出阈值电流密度 𝐽𝑡ℎ 。
为了满足增益大于损耗的条件，我们需要：
其中𝛼𝑐为腔内损耗和 𝛼𝑜𝑐输出耦合损耗。
2 GaN 激光器谐振腔
GaN激光器的谐振腔理论是基于光学谐振腔的原理，它描述了如何在激光器中形成并维持光振荡。激光器的谐振腔是一种光学结构，它能够提供光波在两个或多个反射面之间的多次往返，从而放大光信号。谐振腔通常由两个或多个镜子组成，这些镜子可以是部分透射的。
在谐振腔中，光波要形成稳定的振荡，必须满足谐振条件，即光波的波矢 𝑘k 满足以下关系：
其中，𝜆是光波的波长，𝐿是谐振腔的光学长度，𝑚是整数，代表模式的阶数。
谐振腔中的模式可以是横向模式（TEM模式）、纵向模式（TE或TM模式）或者它们的组合。对于半导体激光器，通常关注的是横向模式，因为它们在垂直于激光器波导方向的平面上具有固定的电场和磁场分布。
谐振腔中的损耗主要包括两部分：内部损耗 𝛼c 和输出耦合损耗 𝛼𝑜𝑐 。内部损耗包括腔内材料的吸收和散射损耗，而输出耦合损耗则是光从谐振腔中输出的部分。
为了产生激光，谐振腔内的增益𝐺 必须大于或等于总损耗𝛼 ，即：
G≥αc+αoc
在阈值条件下，增益刚好等于总损耗：
G=αc+αoc
3 GaN 激光器发光效率
GaN（氮化镓）激光器的发光效率是衡量其性能的一个重要参数。发光效率通常指的是激光器输出光功率与输入电功率的比值。发光效率 𝜂 是指激光器输出的光功率 𝑃out与输入的电功率 𝑃in之比：
η=Pin/Pout
输出光功率 𝑃out可以通过测量得到，也可以根据激光器的工作原理来估算。在阈值以上，输出光功率与注入电流的关系可以表示为：
其中：𝜂𝑠是斜率效率，表示输出功率随注入电流变化的速率；𝐼是注入电流；𝐼th是阈值电流。
输入电功率𝑃in输入电功率 𝑃in是指激光器两端的电压 𝑉与注入电流 𝐼的乘积：
𝑃in=𝑉⋅𝐼
结合上述定义，效率 𝜂可以表示为：
效率 𝜂受到多个因素的影响，包括材料质量，高质量的材料可以减少非辐射复合路径，提高效率。温度管理，温度对效率有显著影响，温度升高会导致载流子扩散增强，从而减少效率。量子阱设计，通过优化量子阱的厚度和成分，可以提高效率。腔体设计，通过优化激光器的谐振腔设计，可以减少内部损耗，从而提高效率。
3分钟看懂大功率半导体激光器
半导体激光器一般具有质量轻、调制效率高、体积小等特点，在民用、军用、医疗等领域应用比较广泛。大功率半导体激光器的研究从20世纪80年代开始，从未停止，随着半导体技术与激光技术的不断发展，大功率也半导体激光器在功率输出、功率转换、可靠性等方面取得了比较大的进步。
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大功率半导体激光器的基本概述
半导体激光器属于激光器的一种，主要是借助半导体物质，完成相应的激光工作，常被称之为激光二极管。不同半导体工作物质产生激光的过程存在一定差异，当前常用的半导体物质包括了InP（磷化铟）、CdS（硫化镉）、ZnS（硫化锌）、GaAs（砷化镓）等。按照半导体器件不同可以将半导体划分为单异质结、同质结、双异质结等。按照输出功率的不同可将半导体激光器分为小功率半导体激光器与大功率半导体激光器两种。半导体激光器的工作原理为在半导体价带与导带之间通过激励方式，实现空穴复合产生受激发射，在这一过程中由于激励导致的粒子数反转至关重要。
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大功率半导体激光器的研究现状综述
大功率半导体激光器的研究现状主要从输出功率、转化效率和可靠性三个方面展开分析。
2.1
输出功率
随着技术的不断发展，大功率半导体激光器在输出功率方面已经取得了不错的成绩。以商用的此类激光器为例，一般商用大功率激光器波长主要在800~1100nm之间，在输出功率优化方面主要通过发光点个数与单管激光优化提升两方面。首先，发光点个数的进一步增加。设计人员通过优化激光器内部线阵与单管模组、迭阵、面阵等，进一步增加了激光器发光点的数量，进一步增强激光器输出功率。在线阵合束优化上，增加线阵数量，利用光学元件使得分立空间能量（激光）叠加，达到增加发光点的目的，此种方式简便易操作，应用最为广泛；在迭阵合束优化上，利用堆整形方法（平行平板）与迭阵合束技术相结合，转换激光加工方式，进一步实现激光的直接加工，达到优化输出的目的。
其次，单管激光优化。单管激光优化是提升半导体激光器输出功率的有效方式之一，设计人员通过改变芯片制备、芯片结构、腔面镀膜等技术，进一步优化输出功率（单管激光）促进激光器性能的提升。近些年单管激光器的输出功率（连续）最高达25W以上。
2.2
转化功率
除了输出效率之外，大功率半导体激光器的性能还与其转化效率有很大关系，提升半导体转换效率，减少半导体激光器废热产生，无疑可以提升能量利用率，延长激光器的使用寿命。
在半导体转化效率研究方面，各国重点在提升转化效率，先制定转化率目标，之后通过技术手段进行优化，当前激光器转化效率目标制定上各国研究目标大多在80%以上。在转化效率的优化上研究重点普遍集中在温度控制上，Alfalight公司通过对970nm单条大功率半导体激光器的转换率（50%）进行研究观察分析得出转化效率优化上可以从以下几方面入手：①载流子消耗控制，研究中由于载流子溢出导致消耗，占总体消耗的比例相对较高，大约8%左右，通过空穴和电子在量子阱中实现的复合效果有限，所以需要进一步控制载流子消耗。以提升激光器转化效率。②阈值下消耗控制，这部分消耗所占比例相对较高，需要进行控制，以优化粒子反转，提升转化效率。
2.3
可靠性
可靠性是半导体激光器优化的重点之一，与小功率半导体相比大功率半导体的可靠性优化还有很大的发展空间。大功率半导体激光器由于连续的大电流工作不得不面临烧孔、光丝效应等问题，解决这一类问题可有效提升大功率半导体可靠性。近年来研究者利用传热结构优化、封装技术改进、光斑尺寸增大、生长（晶体）质量提高等方法，进一步提升了大功率半导体的可靠性，延长大功率半导体使用寿命，将单管最长使用寿命延长到10万小时以上。
3
大功率半导体激光器光束质量探讨
大功率半导体激光器除了输出功率等优化外，近些年在激光束质量方面的研究也取得了很大进展，激光束质量得到进一步提升。研究者利用加工工艺与芯片结构的改进，加强了对激光束两侧控制，确保射出的激光束稳定单一，提升了激光束子的质量。研究者还利用WBC（外腔反馈光谱合束）技术，对大功率半导体激光器的合束光源进行改善，进一步提升了大功率半导体激光束质量。首先，半导体单管两侧模式限制。
Ledentsov等研究者提出一种新型的激光器结构，该种激光结构是基于带晶体波导（纵向光子）的新形式，改变对激光两侧控制，可以提升激光束两侧机关控制水平，使得激光束集中度更优质，改善激光器传统芯片光束质量差的现状，更新激光束芯片质量，进一步提升激光束质量。其次，空间合束技术的应用。大功率半导体激光器的研究者利用空间合束技术，来增加激光功率，提升激光单元光束质量，从而达到提升整体激光光束质量的目的。
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结束语
未来大功率半导体激光器的应用会进一步加深，通过对大功率的研究，探索大功率半导体激光器优化的方式，促进大功率激光器技术推广与发展。相关研究人员可从输出功率、转化效率、可靠性、光束质量等方面全面优化技术应用，促进质量提升。
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