半导体激光器的工作原理 3分钟看懂大功率半导体激光器|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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。

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。

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。

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。

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。

3分钟了解高功率半导体激光器的关键技术

激光应用需求的不断提高，对半导体激光器的要求也越来越高，主要体现在以下几个方面：

提高输出功率，开发高功率的二维或者三维列阵，以满足工业加工等领域对功率的需求；提高电光转换效率，实现激光系统的小型化和高效化，较少散热压力，降低成本；提高光束质量；提高可靠性，即在高峰值功率和极其恶劣的环境中也能自由使用，如满足空间航天飞行器在辐射大、温差大环境中使用。

高功率半导体激光器的关键技术

结构设计优化

高功率半导体激光器的发展与其外延与芯片结构的研究设计紧密相关。结构设计是高功率半导体激光器器件的基础。半导体激光器的三个基本原理性问题是：电注入和限制、电光转换、光限制和输出，分别对应电注入设计、量子阱设计、波导结构的光场设计。半导体激光器的结构研究改进就是从这三个方面进行不断优化，发展了非对称宽波导结构，优化了量子阱、量子线、量子点以及光子晶体结构，促进了激光器技术水平的不断提升，使得激光器的输出功率、电光转换效率越来越高，光束质量越来越好，可靠性越来越高。

高质量的外延材料生长技术

半导体激光器外延材料生长技术是半导体激光器研制的核心。高质量的外延材料生长工艺，极低的表面缺陷密度和体内缺陷密度是实现高峰值功率输出的前提和保证。另外杂质在半导体材料中也起着重要的作用，可以说，没有精确的半导体外延掺杂工艺，就没有高性能的量子阱激光器。主要通过对掺杂曲线的优化，减少光场与重掺杂区域的重叠，从而减少自由载流子吸收损耗，提高器件的转换效率。

腔面处理技术

大功率半导体激光器的应用通常要求激光器输出功率很高且有较好的可靠性。而制约半导体激光器输出功率的主要瓶颈就是高功率密度下腔面退化导致的光学灾变损伤(COMD)。

在半导体激光器的腔面区域，由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷，这些缺陷成为光吸收中心和非辐射复合中心。光吸收产生的热量使腔面温度升高，温度升高造成带隙减小，因而在腔面区域与激光器内部区域之间形成了一个电势梯度，引导载流子向腔面区域注入，更重要的是带隙减小后带间光吸收增强，两者都会使腔面区域的载流子浓度升高，增强非辐射复合，使腔面温度进一步升高。另一方面，大功率半导体激光器较大的电流注入也增强了腔面非辐射复合。正是光吸收、非辐射复合、温度升高和带隙减小的正反馈过程使腔面的温度快速升高，最终腔面烧毁，即发生COMD。

腔面问题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，这些腔面缺陷首先影响COMD的一致性，其次会导致器件的退化，影响长期稳定性。一般可以通过各种腔面钝化和镀膜技术，减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，从而实现高峰值功率输出。

集成封装技术

激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，而激光器光束整形和激光集成技术是获得千瓦、万瓦级激光的主要途径。由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对封装结构和工艺提出了更高要求。高功率半导体激光器封装关键技术研究，就是从热、封装材料、应力方面着手，解决热管理和热应力的封装设计，实现直接半导体激光器向高功率、高亮度、高可靠性发展的技术突破。

半导体激光器的应用

半导体激光器的直接应用领域已经有了广泛的拓展。除了作为固体激光器、光纤激光器的泵源之外，还直接应用于光通讯、工业加工、医疗美容、照明监控等很多领域。近年来半导体激光器在3D传感、激光雷达、激光显示等领域的新应用已吸引了人们极大的关注。

通信与光存储

光通信领域目前仍是半导体激光器应用的最大市场，光纤通信已经成为当代通信技术的主流。同时也是光并行处理系统的理想光源，可以用于光计算机和光神经网络。目前光通信领域主要应用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半导体激光器。而光信息和存储主要应用的红光激光器和蓝光激光器，可实现高密度信息存储和处理。

抽运光源

半导体激光器抽运固体激光器和光纤激光器是大功率半导体激光器应用最多的领域。作为抽运源，半导体激光器有着其他光源不可取代的优越性，光纤激光器成为近五年来影响最大的抽运市场。而其抽运源，分为单芯片耦合光纤输出和bar条耦合光纤两大类。常用的是105 μm/NA0.22光纤连续输出30-120 W；200 μm /NA0.22光纤连续输出50-300 W，波长覆盖808-976 nm。

图光纤耦合输出抽运源

激光显示与医疗

激光显示因具有色域空间大、亮度高、寿命长、易于实现大屏显示等优势，市场潜力巨大。为了获得更好的视觉体验，激光显示用的红光激光器波长越短，能获得更好的视觉体验。比如人眼在640 nm的敏感系数是660 nm的3倍。但对于AlGaInP红光半导体激光器，波长越短，有源区材料的带隙越高，载流子更容易从有源区中溢出进入限制层，降低激光器的效率及可靠性。综合各种因素，激光显示用红光激光器的波长一般选择640 nm。在激光医疗领域，650 -680 nm红光激光器的使用也越来越抢眼，在理疗、细胞检测、光动力治疗等方面得到了很好的应用。