作者陳紹婷、蔣麗媛

半導體激光器一般具有質(zhì)量輕、調(diào)制效率高、體積小等特點，在民用、軍用、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。大功率半導體激光器的研究從20世紀80年代開始，從未停止，隨著半導體技術(shù)與激光技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率也半導體激光器在功率輸出、功率轉(zhuǎn)換、可靠性等方面取得了比較大的進步。

1 大功率半導體激光器的基本概述

半導體激光器屬于激光器的一種，主要是借助半導體物質(zhì)，完成相應(yīng)的激光工作，常被稱之為激光二極管。不同半導體工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的過程存在一定差異，當前常用的半導體物質(zhì)包括了InP（磷化銦）、CdS（硫化鎘）、ZnS（硫化鋅）、GaAs（砷化鎵）等。按照半導體器件不同可以將半導體劃分為單異質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等。按照輸出功率的不同可將半導體激光器分為小功率半導體激光器與大功率半導體激光器兩種。半導體激光器的工作原理為在半導體價帶與導帶之間通過激勵方式，實現(xiàn)空穴復合產(chǎn)生受激發(fā)射，在這一過程中由于激勵導致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

2 大功率半導體激光器的研究現(xiàn)狀綜述

大功率半導體激光器的研究現(xiàn)狀主要從輸出功率、轉(zhuǎn)化效率和可靠性三個方面展開分析。

2.1 輸出功率

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率半導體激光器在輸出功率方面已經(jīng)取得了不錯的成績。以商用的此類激光器為例，一般商用大功率激光器波長主要在800~1100nm之間，在輸出功率優(yōu)化方面主要通過發(fā)光點個數(shù)與單管激光優(yōu)化提升兩方面。首先，發(fā)光點個數(shù)的進一步增加。設(shè)計人員通過優(yōu)化激光器內(nèi)部線陣與單管模組、迭陣、面陣等，進一步增加了激光器發(fā)光點的數(shù)量，進一步增強激光器輸出功率。在線陣合束優(yōu)化上，增加線陣數(shù)量，利用光學元件使得分立空間能量（激光）疊加，達到增加發(fā)光點的目的，此種方式簡便易操作，應(yīng)用最為廣泛；在迭陣合束優(yōu)化上，利用堆整形方法（平行平板）與迭陣合束技術(shù)相結(jié)合，轉(zhuǎn)換激光加工方式，進一步實現(xiàn)激光的直接加工，達到優(yōu)化輸出的目的。

其次，單管激光優(yōu)化。單管激光優(yōu)化是提升半導體激光器輸出功率的有效方式之一，設(shè)計人員通過改變芯片制備、芯片結(jié)構(gòu)、腔面鍍膜等技術(shù)，進一步優(yōu)化輸出功率（單管激光）促進激光器性能的提升。近些年單管激光器的輸出功率（連續(xù)）最高達25W以上。

2.2 轉(zhuǎn)化效率

除了輸出效率之外，大功率半導體激光器的性能還與其轉(zhuǎn)化效率有很大關(guān)系，提升半導體轉(zhuǎn)換效率，減少半導體激光器廢熱產(chǎn)生，無疑可以提升能量利用率，延長激光器的使用壽命。

在半導體轉(zhuǎn)化效率研究方面，各國重點在提升轉(zhuǎn)化效率，先制定轉(zhuǎn)化率目標，之后通過技術(shù)手段進行優(yōu)化，當前激光器轉(zhuǎn)化效率目標制定上各國研究目標大多在80%以上。在轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)化上研究重點普遍集中在溫度控制上，Alfalight公司通過對970nm單條大功率半導體激光器的轉(zhuǎn)換率（50%）進行研究觀察分析得出轉(zhuǎn)化效率優(yōu)化上可以從以下幾方面入手：①載流子消耗控制，研究中由于載流子溢出導致消耗，占總體消耗的比例相對較高，大約8%左右，通過空穴和電子在量子阱中實現(xiàn)的復合效果有限，所以需要進一步控制載流子消耗。以提升激光器轉(zhuǎn)化效率。②閾值下消耗控制，這部分消耗所占比例相對較高，需要進行控制，以優(yōu)化粒子反轉(zhuǎn)，提升轉(zhuǎn)化效率。

2.3 可靠性

可靠性是半導體激光器優(yōu)化的重點之一，與小功率半導體相比大功率半導體的可靠性優(yōu)化還有很大的發(fā)展空間。大功率半導體激光器由于連續(xù)的大電流工作不得不面臨燒孔、光絲效應(yīng)等問題，解決這一類問題可有效提升大功率半導體可靠性。近年來研究者利用傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、封裝技術(shù)改進、光斑尺寸增大、生長（晶體）質(zhì)量提高等方法，進一步提升了大功率半導體的可靠性，延長大功率半導體使用壽命，將單管最長使用壽命延長到10萬小時以上。

3 大功率半導體激光器光束質(zhì)量探討

大功率半導體激光器除了輸出功率等優(yōu)化外，近些年在激光束質(zhì)量方面的研究也取得了很大進展，激光束質(zhì)量得到進一步提升。研究者利用加工工藝與芯片結(jié)構(gòu)的改進，加強了對激光束兩側(cè)控制，確保射出的激光束穩(wěn)定單一，提升了激光束子的質(zhì)量。研究者還利用WBC（外腔反饋光譜合束）技術(shù)，對大功率半導體激光器的合束光源進行改善，進一步提升了大功率半導體激光束質(zhì)量。首先，半導體單管兩側(cè)模式限制。

Ledentsov等研究者提出一種新型的激光器結(jié)構(gòu)，該種激光結(jié)構(gòu)是基于帶晶體波導（縱向光子）的新形式，改變對激光兩側(cè)控制，可以提升激光束兩側(cè)機關(guān)控制水平，使得激光束集中度更優(yōu)質(zhì)，改善激光器傳統(tǒng)芯片光束質(zhì)量差的現(xiàn)狀，更新激光束芯片質(zhì)量，進一步提升激光束質(zhì)量。其次，空間合束技術(shù)的應(yīng)用。大功率半導體激光器的研究者利用空間合束技術(shù)，來增加激光功率，提升激光單元光束質(zhì)量，從而達到提升整體激光光束質(zhì)量的目的。

4 結(jié)束語

未來大功率半導體激光器的應(yīng)用會進一步加深，通過對大功率的研究，探索大功率半導體激光器優(yōu)化的方式，促進大功率激光器技術(shù)推廣與發(fā)展。相關(guān)研究人員可從輸出功率、轉(zhuǎn)化效率、可靠性、光束質(zhì)量等方面全面優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用，促進質(zhì)量提升。

責任編輯：haq