3分鐘了解高功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)
激光應(yīng)用需求的不斷提高，對半導(dǎo)體激光器的要求也越來越高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
- 提高輸出功率，開發(fā)高功率的二維或者三維列陣，以滿足工業(yè)加工等領(lǐng)域?qū)β实男枨螅?/li>
- 提高電光轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)激光系統(tǒng)的小型化和高效化，較少散熱壓力，降低成本；
- 提高光束質(zhì)量；
- 提高可靠性，即在高峰值功率和極其惡劣的環(huán)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(huán)境中使用。
高功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)
結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延與芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計是高功率半導(dǎo)體激光器器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體激光器的三個基本原理性問題是：電注入和限制、電光轉(zhuǎn)換、光限制和輸出，分別對應(yīng)電注入設(shè)計、量子阱設(shè)計、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場設(shè)計。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)研究改進就是從這三個方面進行不斷優(yōu)化，發(fā)展了非對稱寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了量子阱、量子線、量子點以及光子晶體結(jié)構(gòu)，促進了激光器技術(shù)水平的不斷提升，使得激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率越來越高，光束質(zhì)量越來越好，可靠性越來越高。
高質(zhì)量的外延材料生長技術(shù)
半導(dǎo)體激光器外延材料生長技術(shù)是半導(dǎo)體激光器研制的核心。高質(zhì)量的外延材料生長工藝，極低的表面缺陷密度和體內(nèi)缺陷密度是實現(xiàn)高峰值功率輸出的前提和保證。另外雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中也起著重要的作用，可以說，沒有精確的半導(dǎo)體外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。主要通過對摻雜曲線的優(yōu)化，減少光場與重摻雜區(qū)域的重疊，從而減少自由載流子吸收損耗，提高器件的轉(zhuǎn)換效率。
腔面處理技術(shù)
大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用通常要求激光器輸出功率很高且有較好的可靠性。而制約半導(dǎo)體激光器輸出功率的主要瓶頸就是高功率密度下腔面退化導(dǎo)致的光學(xué)災(zāi)變損傷(COMD)。
在半導(dǎo)體激光器的腔面區(qū)域，由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷，這些缺陷成為光吸收中心和非輻射復(fù)合中心。光吸收產(chǎn)生的熱量使腔面溫度升高，溫度升高造成帶隙減小，因而在腔面區(qū)域與激光器內(nèi)部區(qū)域之間形成了一個電勢梯度，引導(dǎo)載流子向腔面區(qū)域注入，更重要的是帶隙減小后帶間光吸收增強，兩者都會使腔面區(qū)域的載流子濃度升高，增強非輻射復(fù)合，使腔面溫度進一步升高。另一方面，大功率半導(dǎo)體激光器較大的電流注入也增強了腔面非輻射復(fù)合。正是光吸收、非輻射復(fù)合、溫度升高和帶隙減小的正反饋過程使腔面的溫度快速升高，最終腔面燒毀，即發(fā)生COMD。
腔面問題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，這些腔面缺陷首先影響COMD的一致性，其次會導(dǎo)致器件的退化，影響長期穩(wěn)定性。一般可以通過各種腔面鈍化和鍍膜技術(shù)，減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，從而實現(xiàn)高峰值功率輸出。
集成封裝技術(shù)
激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié)，而激光器光束整形和激光集成技術(shù)是獲得千瓦、萬瓦級激光的主要途徑。由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時產(chǎn)生的熱量密度很高，這對封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。高功率半導(dǎo)體激光器封裝關(guān)鍵技術(shù)研究，就是從熱、封裝材料、應(yīng)力方面著手，解決熱管理和熱應(yīng)力的封裝設(shè)計，實現(xiàn)直接半導(dǎo)體激光器向高功率、高亮度、高可靠性發(fā)展的技術(shù)突破。
半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的拓展。除了作為固體激光器、光纖激光器的泵源之外，還直接應(yīng)用于光通訊、工業(yè)加工、醫(yī)療美容、照明監(jiān)控等很多領(lǐng)域。近年來半導(dǎo)體激光器在3D傳感、激光雷達、激光顯示等領(lǐng)域的新應(yīng)用已吸引了人們極大的關(guān)注。
通信與光存儲
光通信領(lǐng)域目前仍是半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的最大市場，光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。同時也是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可以用于光計算機和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前光通信領(lǐng)域主要應(yīng)用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器。而光信息和存儲主要應(yīng)用的紅光激光器和藍光激光器，可實現(xiàn)高密度信息存儲和處理。
抽運光源
半導(dǎo)體激光器抽運固體激光器和光纖激光器是大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域。作為抽運源，半導(dǎo)體激光器有著其他光源不可取代的優(yōu)越性，光纖激光器成為近五年來影響最大的抽運市場。而其抽運源，分為單芯片耦合光纖輸出和bar條耦合光纖兩大類。常用的是105 μm/NA0.22光纖連續(xù)輸出30-120 W；200 μm /NA0.22光纖連續(xù)輸出50-300 W，波長覆蓋808-976 nm。
圖 光纖耦合輸出抽運源
激光顯示與醫(yī)療
激光顯示因具有色域空間大、亮度高、壽命長、易于實現(xiàn)大屏顯示等優(yōu)勢，市場潛力巨大。為了獲得更好的視覺體驗，激光顯示用的紅光激光器波長越短，能獲得更好的視覺體驗。比如人眼在640 nm的敏感系數(shù)是660 nm的3倍。但對于AlGaInP紅光半導(dǎo)體激光器，波長越短，有源區(qū)材料的帶隙越高，載流子更容易從有源區(qū)中溢出進入限制層，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(yī)療領(lǐng)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、光動力治療等方面得到了很好的應(yīng)用。
圖 瓦級640~680 nm紅光半導(dǎo)體激光器
工業(yè)加工
材料加工領(lǐng)域是目前激光應(yīng)用領(lǐng)域的第二大領(lǐng)域，也是最近發(fā)展最快的領(lǐng)域，這得益于光纖激光器技術(shù)的飛速發(fā)展。激光加工是基于各類材料的光熱效應(yīng)加工，在不同的激光功率密度下，材料表面區(qū)域發(fā)生溫度升高、融化、氣化以及光致等離子體等變化，根據(jù)表面變化程度形成了退火、熔覆、焊接、切割、打孔等不同的應(yīng)用。
圖 用于激光熔覆、醫(yī)療美容等領(lǐng)域的激光器bar條疊陣產(chǎn)品
照明監(jiān)控
隨著人們對安全防范意識的增強，對監(jiān)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(jiān)控具有探測距離遠、可靠性高、功耗小、清晰度高等優(yōu)點，在長距離監(jiān)控應(yīng)用中得到了飛速發(fā)展。以940 nm為代表的半導(dǎo)體激光器在高鐵、高速公路、森林防火、邊海防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著技術(shù)的不斷進步，半導(dǎo)體激光器本身在功率、波長、工作方式等方面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(xiàn)實、精密加工、醫(yī)學(xué)檢測等新興產(chǎn)業(yè)的崛起，半導(dǎo)體激光器作為核心元器件，已走進千家萬戶，在國計民生各個領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越重要的作用。
作者簡介
李沛旭，博士，山東華光光電子股份有限公司應(yīng)用研究員，主要從事半導(dǎo)體激光器的材料、結(jié)構(gòu)及器件的設(shè)計制作和研究工作；朱振，博士，高工，主要從事半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計、外延工藝等研究和生產(chǎn)工作。
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