提高輸出功率，開發高功率的二維或者三維列陣，以滿足工業(ye) 加工等領域對功率的需求；提高電光轉換效率，實現激光係統的小型化和高效化，較少散熱壓力，降低成本；提高光束質量；提高可靠性，即在高峰值功率和極其惡劣的環境中也能自由使用，如滿足空間航天飛行器在輻射大、溫差大環境中使用。

高功率半導體(ti) 激光器的關(guan) 鍵技術

結構設計優(you) 化

高功率半導體(ti) 激光器的發展與(yu) 其外延與(yu) 芯片結構的研究設計緊密相關(guan) 。結構設計是高功率半導體(ti) 激光器器件的基礎。半導體(ti) 激光器的三個(ge) 基本原理性問題是：電注入和限製、電光轉換、光限製和輸出，分別對應電注入設計、量子阱設計、波導結構的光場設計。半導體(ti) 激光器的結構研究改進就是從(cong) 這三個(ge) 方麵進行不斷優(you) 化，發展了非對稱寬波導結構，優(you) 化了量子阱、量子線、量子點以及光子晶體(ti) 結構，促進了激光器技術水平的不斷提升，使得激光器的輸出功率、電光轉換效率越來越高，光束質量越來越好，可靠性越來越高。

高質量的外延材料生長技術

半導體(ti) 激光器外延材料生長技術是半導體(ti) 激光器研製的核心。高質量的外延材料生長工藝，極低的表麵缺陷密度和體(ti) 內(nei) 缺陷密度是實現高峰值功率輸出的前提和保證。另外雜質在半導體(ti) 材料中也起著重要的作用，可以說，沒有精確的半導體(ti) 外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。主要通過對摻雜曲線的優(you) 化，減少光場與(yu) 重摻雜區域的重疊，從(cong) 而減少自由載流子吸收損耗，提高器件的轉換效率。

腔麵處理技術

大功率半導體(ti) 激光器的應用通常要求激光器輸出功率很高且有較好的可靠性。而製約半導體(ti) 激光器輸出功率的主要瓶頸就是高功率密度下腔麵退化導致的光學災變損傷(shang) (COMD)。

在半導體(ti) 激光器的腔麵區域，由於(yu) 解理、氧化等原因存在大量的缺陷，這些缺陷成為(wei) 光吸收中心和非輻射複合中心。光吸收產(chan) 生的熱量使腔麵溫度升高，溫度升高造成帶隙減小，因而在腔麵區域與(yu) 激光器內(nei) 部區域之間形成了一個(ge) 電勢梯度，引導載流子向腔麵區域注入，更重要的是帶隙減小後帶間光吸收增強，兩(liang) 者都會(hui) 使腔麵區域的載流子濃度升高，增強非輻射複合，使腔麵溫度進一步升高。另一方麵，大功率半導體(ti) 激光器較大的電流注入也增強了腔麵非輻射複合。正是光吸收、非輻射複合、溫度升高和帶隙減小的正反饋過程使腔麵的溫度快速升高，最終腔麵燒毀，即發生COMD。

腔麵問題的根源是腔麵缺陷的存在，包括腔麵的汙染、氧化、材料缺陷等，這些腔麵缺陷首先影響COMD的一致性，其次會(hui) 導致器件的退化，影響長期穩定性。一般可以通過各種腔麵鈍化和鍍膜技術，減少或者消除腔麵的缺陷和氧化，降低腔麵的光吸收，提高腔麵的 COMD 值，從(cong) 而實現高峰值功率輸出。

集成封裝技術

激光芯片的冷卻和封裝是製造大功率半導體(ti) 激光器的重要環節，而激光器光束整形和激光集成技術是獲得千瓦、萬(wan) 瓦級激光的主要途徑。由於(yu) 大功率半導體(ti) 激光器的輸出功率高、發光麵積小，其工作時產(chan) 生的熱量密度很高，這對封裝結構和工藝提出了更高要求。高功率半導體(ti) 激光器封裝關(guan) 鍵技術研究，就是從(cong) 熱、封裝材料、應力方麵著手，解決(jue) 熱管理和熱應力的封裝設計，實現直接半導體(ti) 激光器向高功率、高亮度、高可靠性發展的技術突破。

半導體(ti) 激光器的應用

半導體(ti) 激光器的直接應用領域已經有了廣泛的拓展。除了作為(wei) 固體(ti) 激光器、光纖激光器的泵源之外，還直接應用於(yu) 光通訊、工業(ye) 加工、醫療美容、照明監控等很多領域。近年來半導體(ti) 激光器在3D傳(chuan) 感、激光雷達、激光顯示等領域的新應用已吸引了人們(men) 極大的關(guan) 注。

通信與(yu) 光存儲(chu)

光通信領域目前仍是半導體(ti) 激光器應用的最大市場，光纖通信已經成為(wei) 當代通信技術的主流。同時也是光並行處理係統的理想光源，可以用於(yu) 光計算機和光神經網絡。目前光通信領域主要應用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半導體(ti) 激光器。而光信息和存儲(chu) 主要應用的紅光激光器和藍光激光器，可實現高密度信息存儲(chu) 和處理。

抽運光源

半導體(ti) 激光器抽運固體(ti) 激光器和光纖激光器是大功率半導體(ti) 激光器應用最多的領域。作為(wei) 抽運源，半導體(ti) 激光器有著其他光源不可取代的優(you) 越性，光纖激光器成為(wei) 近五年來影響最大的抽運市場。而其抽運源，分為(wei) 單芯片耦合光纖輸出和bar條耦合光纖兩(liang) 大類。常用的是105 μm/NA0.22光纖連續輸出30-120 W；200 μm /NA0.22光纖連續輸出50-300 W，波長覆蓋808-976 nm。

圖 光纖耦合輸出抽運源

激光顯示與(yu) 醫療

激光顯示因具有色域空間大、亮度高、壽命長、易於(yu) 實現大屏顯示等優(you) 勢，市場潛力巨大。為(wei) 了獲得更好的視覺體(ti) 驗，激光顯示用的紅光激光器波長越短，能獲得更好的視覺體(ti) 驗。比如人眼在640 nm的敏感係數是660 nm的3倍。但對於(yu) AlGaInP紅光半導體(ti) 激光器，波長越短，有源區材料的帶隙越高，載流子更容易從(cong) 有源區中溢出進入限製層，降低激光器的效率及可靠性。綜合各種因素，激光顯示用紅光激光器的波長一般選擇640 nm。在激光醫療領域，650 -680 nm紅光激光器的使用也越來越搶眼，在理療、細胞檢測、光動力治療等方麵得到了很好的應用。

圖 瓦級640~680 nm紅光半導體(ti) 激光器

工業(ye) 加工

材料加工領域是目前激光應用領域的第二大領域，也是最近發展最快的領域，這得益於(yu) 光纖激光器技術的飛速發展。激光加工是基於(yu) 各類材料的光熱效應加工，在不同的激光功率密度下，材料表麵區域發生溫度升高、融化、氣化以及光致等離子體(ti) 等變化，根據表麵變化程度形成了退火、熔覆、焊接、切割、打孔等不同的應用。

圖 用於(yu) 激光熔覆、醫療美容等領域的激光器bar條疊陣產(chan) 品

照明監控

隨著人們(men) 對安全防範意識的增強，對監控攝像機的要求越來越高，特別是邊/海防、森林防火、鐵路交通等特殊場合。而激光監控具有探測距離遠、可靠性高、功耗小、清晰度高等優(you) 點，在長距離監控應用中得到了飛速發展。以940 nm為(wei) 代表的半導體(ti) 激光器在高鐵、高速公路、森林防火、邊海防等領域得到了廣泛的應用。

隨著技術的不斷進步，半導體(ti) 激光器本身在功率、波長、工作方式等方麵都有很大的拓展空間，也進一步促進了激光顯示、激光智能識別、虛擬現實、精密加工、醫學檢測等新興(xing) 產(chan) 業(ye) 的崛起，半導體(ti) 激光器作為(wei) 核心元器件，已走進千家萬(wan) 戶，在國計民生各個(ge) 領域都發揮著越來越重要的作用。

作者簡介

李沛旭，博士，山東(dong) 華光光電子股份有限公司應用研究員，主要從(cong) 事半導體(ti) 激光器的材料、結構及器件的設計製作和研究工作；朱振，博士，高工，主要從(cong) 事半導體(ti) 激光器結構設計、外延工藝等研究和生產(chan) 工作。