高功率二極管激光器可能是將電能用於(yu) 材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率應用）的最有效方法。

圖1低功率和中功率GaN激光二極管的應用:近眼投影，舞台照明，前燈和投影。右圖:TO包裝中的藍色激光器(來源:Osram)

高功率二極管激光器可能是將電能用於(yu) 材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率應用）的最有效方法。雖然紅外激光器是50多年前發明的，在工業(ye) 上已經使用了20多年，但GaN高功率激光器直到最近才被用於(yu) 材料加工，尤其是銅的焊接和釺焊。盡管在後一種應用中，藍色波長比紅外波長具有獨特且無可爭(zheng) 議的優(you) 勢，但仍有一些困難需要克服。本文概述了GaN激光器的發展步驟，從(cong) 其商業(ye) 化初期作為(wei) 藍光播放器中的1兆瓦光源，到今天的1.5千瓦係統。此外，還將解釋達到40%功率效率的重要調查，以及達到65 khr或更長壽命的考慮因素。還根據與(yu) 紅外激光二極管的比較，對未來的發展進行了預測。

上世紀70年代，二極管激光器首次在紅外光譜範圍內(nei) 廣泛應用於(yu) CD播放器。類似地，30年後，GaN激光二極管首次廣泛應用於(yu) 405 nm藍光播放器。這些應用要求地麵模式下的輸出功率低，光束質量好。此外，在低輸出功率範圍內(nei) ，AR、VR的近眼應用中，MR設備需要用於(yu) 紅光、綠光和藍光的單模式激光器。這些激光模具通常相當小。

用於(yu) 單模發射的激光芯片如圖2所示。它包含GaN襯底、包含發光量子阱層（<10 m厚）的外延層、波導層、電流分布層和金屬觸點。芯片設計還必須支持接地模式操作，並且其結構使接地模式的增益減去損耗高於(yu) 高階模式，以實現接地模式操作。

圖2中描繪了典型的LIV曲線。可以看出，對於(yu) 436nm的低功率激光器，可以實現低至6mA的閾值電流。在24 mA的工作電流和4.1 V的電壓下，可以獲得10 mW的輸出功率。這相當於(yu) 約10%的效率。非常低的閾值電流很重要，因為(wei) 這些設備需要在非常高的脈衝(chong) 頻率下工作，因此它們(men) 通常總是偏置在閾值電流附近。通過將反射鏡的HR側(ce) 和AR側(ce) 的反射率分別設計為(wei) 99%和90%，可以達到較低的值。測距或調平應用通常需要輸出功率更高的單模激光器。高功率單模激光器的LIV曲線如圖2所示。可以看出，藍色和綠色激光二極管的閾值分別為(wei) 11 mA和30 mA，在130 mA和290 mA時分別達到100 mW的輸出功率。這種更高的工作電平與(yu) 更高的閾值電流直接相關(guan) ，因為(wei) 它是通過諧振器AR側(ce) 較低的反射率增加鏡損耗而實現的。

圖2激光二極管示意圖(左)，低閾值的LI曲線(中)和大功率單模二極管的LIV曲線。

1–10 W範圍內(nei) 的激光二極管通常用於(yu) 紅外能量傳(chuan) 輸或低功率焊接應用。隨著時間的推移，用於(yu) 更高輸出功率的設備和封裝得到了發展。每個(ge) 光源隨時間的輸出功率如圖3所示。對於(yu) 紅外激光器，在1980年左右實現了1W，並在2008年穩步增加至約100W，現在已達到每1cm激光棒1kW，或在大批量生產(chan) 的商用係統中超過300W（連續波或硬脈衝(chong) ）。同樣對於(yu) GaN激光二極管，有許多應用需要不同的輸出電平。這如圖3右所示。如今，一位數瓦特級別的激光器用於(yu) 照明（通過泵送轉換器將激光管芯的450 nm轉換為(wei) 所需顏色或白光）或舞台和表演照明。要求功率在10 W範圍內(nei) 的汽車前照燈如今通常用於(yu) 高端車輛。未來的應用，如商業(ye) 環境或電影院中的投影，在每個(ge) 封裝約100 W的功率水平下開始變得有趣，甚至在不久的將來，切割、焊接和焊接等材料加工方法也將成為(wei) 可能。對於(yu) 這些應用，需要1千瓦及以上的功率水平。對於(yu) 紅外激光器和激光係統，半導體(ti) 芯片的開發花費了幾十年時間，但封裝技術、材料和光學元件也必須改進，以便能夠配置多千瓦係統。

圖3紅外GaAs和可見光發射GaN基半導體(ti) 激光器芯片和封裝輸出功率的開發。

對於(yu) GaN來說，電源應用的開發始於(yu) 2000年之後。這方麵的進展比紅外技術更快，因為(wei) 為(wei) 紅外技術開發的許多構件也可用於(yu) 450納米係統。雖然紅外激光器最初的諧振腔長度為(wei) 300µm，發射器較窄，模具較小，但現在它們(men) 的諧振腔長度已達到4至6 mm，在10 mm寬的激光棒中填充係數達到70%或更高。如今的GaN激光器遠遠沒有這些設計特點。

當觀察一些材料參數時，這種差異的原因變得可以理解。表1比較了一些特性。第一個(ge) 最明顯的區別是帶隙。GaAs的紅外帶隙約為(wei) 1.42eV，GaN的高帶隙約為(wei) 3.42eV。當人們(men) 需要不同的波長時，這種差異是不可避免的。p型摻雜的活化能、空穴遷移率、光在激光諧振腔中的吸收係數和特征溫度T0都有進一步的技術影響。

表1 GaAs和GaN材料參數的比較。

由於(yu) 高活化能，隻有一小部分摻入的鎂實際上起到摻雜劑的作用，導致許多鎂原子擾亂(luan) 晶格並增加吸收，但不會(hui) 提高載流子密度和導電率。在砷化镓中，碳常被用作p型摻雜劑。這是100%離子化的，這意味著包含的所有碳都有助於(yu) 實現高摻雜和低電阻。類似地，GaAs中的空穴遷移率大約是GaN中的兩(liang) 倍，導致更低的電阻率，因此更低的電損耗，即使在GaAs中的C雜質密度低於(yu) GaN中的Mg雜質密度的情況下也是如此。

GaN基激光二極管的最佳諧振腔長度為(wei) 1.2/cm，相比於(yu) 高功率GaAs激光器的小於(yu) 0.5/cm，因為(wei) 它們(men) 的吸收更高。這些都使得描述閾值電流隨溫度變化的T0值很低。在GaAs高功率激光器中，當工作溫度越高時，閾值電流的增長速度越快、幅度越大。GaAs和GaN兩(liang) 種器件的高T1值表明，斜坡效率對溫度的依賴性很小。兩(liang) 者共同描述了GaN激光二極管對更高的工作溫度反應更敏感，在給定的工作電流下，輸出功率隨溫度下降得更快。

一開始就必須克服一些非常基本的問題，才能製作和操作GaN棒。由於(yu) 激光棒是非常大的設備，因此必須保證基板的低缺陷密度。此外，還必須提高外延層的結晶質量。長期以來，人們(men) 認為(wei) 製作激光棒是不可能的，因為(wei) GaN是一種位錯密度高於(yu) GaAs的材料。據推測，單一發射極故障將導致災難性故障，正如過去觀察到的GaAs激光棒故障一樣。由於(yu) 工作電壓也取決(jue) 於(yu) 溫度，一根棒上一個(ge) 發射極的低效運行會(hui) 影響到鄰近的發射極，因此必須通過盡可能多地對單個(ge) 發射極進行熱解耦來防止熱失控。所有這些都使GaN激光棒的實現成為(wei) 可能。

在圖4中，顯示了相同諧振腔長度的藍色激光棒和紅外激光棒的LI、UI和WPE過工作電流曲線。在左邊的圖片時,輸出功率85 W的藍色條50歲的遠高於(yu) 紅外激光(47 W),但很明顯，這隻是由於(yu) 更寬的帶隙，並導致4.1 V的工作電壓遠高於(yu) 紅外激光條的1.5 V。這導致在50 a時，壁塞效率較低，僅(jin) 為(wei) 40%而不是>60%（圖4右圖）。

圖4 LI, UI和效率超過電流的藍色和紅外激光棒。

對於(yu) 紅外二極管來說，過去幾年的策略是降低吸收，增加填充因子增加接觸尺寸，增加諧振器長度，並通過降低電阻率進一步降低歐姆損耗。商業(ye) 應用中cw運行的高輸出功率>300W是當今最先進的技術。相比之下，氮化镓激光器不能用長諧振腔，而器件中的光吸收很高。同樣，填充因子不能增加，因為(wei) 這會(hui) 導致高閾值電流。因此，必須進一步改進不同的材料參數，才能實現更多的設計機會(hui) 。

目前，用於(yu) 450 nm發射的GaN激光器的填充係數低於(yu) 10%(以保持低閾值電流並允許有效冷卻)，諧振器長度可達1200µm，以避免吸收導致的低斜率效率。它們(men) 安裝在水冷式微通道冷卻器上，在熱滾轉前可輸出功率107w以上，峰值效率約為(wei) 44%(圖5左)。如圖5所示，AlGaInN的材料組合提供了調節不同發射波長的可能性，這是波長複用的要求。

圖5 1 cm激光棒450 nm的LI和WPE曲線[6](左)，不同工作電流下不同波長的激光棒光譜[5](右)。

如今，與(yu) 基於(yu) GaAs的紅外激光光源的可比係統相比，基於(yu) GaN的用於(yu) 發射450 nm光的激光二極管仍然表現出較低的效率和較低的總輸出功率。此外，由於(yu) 組件更昂貴，而且這種新型材料係統的產(chan) 量較低，生產(chan) 成本仍然高得多。然而，它們(men) 具有獨特的優(you) 勢，即一些材料吸收紅外光相當差，而對藍光或紫外光的吸收很好，如圖6所示。

圖6銅、銅、金、金的吸收光譜。

有幾家公司已經成功地將發射波長為(wei) 450 nm的氮化镓激光二極管整合到輸出功率超過1 kW的係統中。這些激光器是專(zhuan) 為(wei) 使用藍光超強吸收的重型材料加工而設計的。在一些應用中，所有的藍色和混合係統已經證明了它們(men) 比純紅外係統更好的性能。可以預見，隨著成本的穩步降低，輸出功率和效率的提高，越來越多的係統將使用GaN二極管作為(wei) 它們(men) 的光源。

來源：Blue High-Power Laser Diodes–Beam Sources for Novel Applications, Photonics Views, DOI:10.1002/phvs.202000018

參考文獻：T. Hager, U. Strauss,C. Eichler et al.: Power blue and green laser diodes and their applications, Proc. SPIE 8640, 864015 (2013).