大功率半導體激光器最新發展盤點

作者:王獅凌 房豐洲

半導體激光器的研究始於20世紀60年代。1962年，美國科學家Hall首次研製成功了第一代半導體激光器——低溫脈衝工作的GaAs同質結激光器，由於只能在液氮溫度下脈衝工作，難於實用化，但它為半導體激光器的研製和開發利用奠定了基礎。

從液氮溫度下到室溫下連續工作，從單異質結到雙異質結，半導體激光器逐漸邁入了新時期。再之後隨著能帶工程理論的引用，新材料、新結構、新工藝的不斷問世及發展，新製備出的量子阱激光器、垂直腔面發射激光器各方面的功能特性有了很大程度的提高，同時實現了高功率輸出。

在歐美等國大力研發的情況下，半導體激光器器件結構理論的研究日益深入，材料製備工藝也逐漸成熟，尤其在材料外延生長技術、腔面鈍化技術、晶元結構的優化技術和器件封裝等方面都實現了顯著的提高。因此，半導體激光器的應用已遍及通信光源、光陀螺、光存儲以及激光雷達等方面。

本文從半導體激光器的輸出功率、轉換效率和可靠性3個方面，總結了目前市場上的主流技術、技術最高值、代表廠商和產品，旨在供同行交流和參考。

半導體激光器的

輸出功率

目前國際上大功率半導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，其他指標例如高轉化效率、高可靠性、高光束質量都是在功率提升之後逐步改進的，繼而實現對大功率激光器整體功能特性的完善，方便其在各個領域中的更新換代。

單管輸出功率

Alfalight公司在2010年採用SE-DFB技術研製成功的半導體激光單管連續輸出功率可達73 W，峰值脈衝功率超過300 W。

美國Axcel Photonics生產的808 mm的半導體激光器單管，腔長2 mm，發光單元寬度為400 μm，連續輸出功率達到 29 W。

美國nLight公司生產的885 nm單管激光器，其峰值輸出功率超過25 W（額定功率12 W），轉換效率超過60%。

德國Ferdinand-Braun-Institut生產的980 mm 的半導體激光單管，它的發光單元寬度為96 μm，連續輸出功率達到20 W，工作4000小時後無損壞。

激光器線陣輸出功率

由於單個半導體激光器的腔體發光面積較小,其輸出功率最高只能達到幾十瓦，因此要實現更高量級的激光輸出，通常採用陣列式構造，實現多個激光器單管的組合。可根據需要達到的功率要求將成千上百個單管平行排列，構成一個Bar條，即線陣半導體激光器。

如表1所示，半導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波長單激光線陣結構將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；而若採用雙邊冷卻散熱方式，連續功率可以實現1010 W的輸出。同時該激光線陣相同的結構在波長980 nm和808 nm分別實現功率950 W和800 W連續激光輸出。

激光器迭陣輸出功率

為了提高半導體激光器的功率輸出，一方面可將若干個單管激光器晶元集成，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採用了激光合束技術，許多款大功率半導體激光器已經投入商用，主要參數如表2所示。

表2 德國Laserline公司的半導體激光器

迭陣合束光源參數

德國Dilas公司通過採用11×8個單元（每個單元25個bar）的二維列陣結構，製備了波長為 941 nm，脈衝輸出功率為 264 kW的半導體激光器列陣。該公司的產品已經廣泛應用於工業加工、國防、醫療以及科研等各個領域。

半導體激光器的

效率

評價半導體激光器的一項指標是電光轉換率。通常來講，進入材料的那一部分能量都轉化為有用的光了，而剩餘的大部分通常會以熱的形式殘留在設備中。對於一個給定的能量源來說，高效率可以獲得更多的有用輸出，產生的廢熱也會更少，這就意味著可以使用更為環保經濟的冷卻系統。

效率高的激光器設備產生較少廢熱的同時也意味著整個設備的溫度較低。而較低的工作溫度也保障了更長的工作壽命，因為半導體組件的降解速率是會隨著溫度的上升以指數的形式升高的。

相對來說，更低的廢熱產生也意味著激光器可以輸出更高的功率。高質量低缺陷的激光器可獲得的峰值功率是會受到熱效應影響的，也就是說它的峰值功率只會在給定的特定溫度才能實現。低廢熱的話意味著激光器可以在達到給定溫度之前儘可能提高輸出功率。

總而言之，半導體激光器的電光轉換效率十分重要，尤其是在需要高輸出功率的工業、醫療和軍事領域的應用。同時，半導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域尋求突破。

表3列舉了市場上應用最為廣泛的波長在800-1000 nm的半導體激光器近年來的最高輸出功率、轉換效率和工作溫度。

表3 半導體激光器Bar條輸出功率及轉化效率

半導體激光器的

可靠性

目前，隨著工業加工、國防安全等領域對於半導體激光器的功率要求日益提升，半導體激光器的發展進入了快車道，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，國內外學者對於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。

在通信光存儲等領域，單管激光器的工作時間可超百萬小時，而線陣半導體激光器的壽命則降低到1-3萬小時，而多個bar條組成的半導體激光器陣列更是降低了好幾個數量級。

考慮到整體激光器系統的體積，陣列中各個激光發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的散熱帶來了諸多問題，在連續大電流工作時，各個發光單元產生的熱量分別累計相互影響，從而產生熱量梯度，因此常常會造成燒孔、電熱燒毀和端面災變性損傷。

與此同時，各單元緊密的排列在提升了系統整體結構的複雜性的同時，也對激光器件的整體封裝技術提出了挑戰。由於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:

提高晶體生長質量、改進位備工藝和封裝技術、增大光斑尺寸、優化傳熱結構和散熱方法等。

近年來，由於半導體激光器轉換效率的提高以及封裝散熱工程的改進，半導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。半導體激光器高的電光轉換率可能會在重量、空間以及電能吃緊的領域產生新的用途。高的電光轉換效率可以降低內部工作溫度也因此會減輕折射率分布產生的熱效應。

全固態激光器

近來發展迅速

全固態激光器全稱為半導體激光器抽運的固態激光器，是以半導體激光器或者半導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作為增益介質的激光器裝置。因此，從某種意義上來講，全固態激光器綜合了半導體激光器和固體激光器兩者的優點。

基於其自身的優勢以及巨大的市場潛力，在歐美等國的努力研發下，輔之以相干合成和熱容技術，目前全固態激光器輸出平均功率均已超過萬瓦，可用於工業加工和國防安全領域。國內對於全固態激光器的研究受限於早期大功率激光器抽運源禁運，起步較晚，但近來發展迅速。

半導體抽運鹼金屬

蒸汽激光器

半導體抽運鹼金屬蒸汽激光器（DPAL）屬於非全固態激光器，工作物質為鹼金屬原子飽和蒸汽，與氣體激光器一樣，通過外層價電子能級躍遷來實現激光輸出，由於集合了氣體和固體激光器的長處，系統散熱好、轉換效率高，市場應用前景巨大。

目前，人們對DPAL的功率定標放大能力開展了系統深入的研究，並於近期成功實現了高效的千瓦級連續輸出，正處於功率提升的關鍵發展時期。

國內對於半導體抽運鹼金屬蒸汽激光器的研究大多還處於理論研究階段，浙江大學、北京工業大學以及深圳大學都開展了相關方面的研究工作。而國防科技大學在2009年首次完成了半導體抽運銣蒸汽激光器的出光實驗，也是國內對於該領域研究的一項重大突破。

總結

目前各類激光器的發展水平迅速，其中商業應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展水平

激光領域已經為人類結出許多碩大的科研果實。然而，眾多新技術、新工藝、新產品接連問世的同時，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展和廣泛應用還面臨著諸多難題。

本文詳細版發表於《激光與光電子學進展》2017.9期，來源：http://www.oeshow.cn