本文作者王立軍，寧永強，秦莉，佟存柱，陳泳屹，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，僅作交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！
1 引 言
激光是 20 世紀以來繼原子能、電子計算機、半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明。半導(dǎo)體激光科學(xué)與技術(shù)以半導(dǎo)體激光器件為核心，涵蓋研究光的受激輻射放大的規(guī)律、產(chǎn)生方法、器件技術(shù)、調(diào)控手段和應(yīng)用技術(shù)，所需知識綜合了幾何光學(xué)、物理光學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科。
半導(dǎo)體激光歷經(jīng)五十余年發(fā)展，作為一個世界前沿的研究方向，伴隨著國際科技進步突飛猛進的發(fā)展，也受益于各類關(guān)聯(lián)技術(shù)、材料與工藝等的突破性進步。半導(dǎo)體激光的進步在國際范圍內(nèi)受到了高度的關(guān)注和重視，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域不斷研究深化，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，而且在應(yīng)用領(lǐng)域上不斷拓展和創(chuàng)新，應(yīng)用技術(shù)和裝備層出不窮，應(yīng)用水平同樣取得較大幅度的提升，在世界各國的國民經(jīng)濟發(fā)展中，特別是信息、工業(yè)、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。
當前，國際上半導(dǎo)體激光的發(fā)展正處于新一階段的快速發(fā)展時期，而我國的激光科學(xué)技術(shù)基本保持了與國際同步發(fā)展的態(tài)勢。從社會全面發(fā)展、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟提升、國防安全應(yīng)用和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等各方面，從國家競爭性發(fā)展的角度，對包括半導(dǎo)體激光科技的全面創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)型發(fā)展提出了更為明確的需求。本文對半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行了綜述，并且具體介紹了長春光學(xué)精密機械與物理研究所近年來在大功率半導(dǎo)體激光器，特別是在大功率半導(dǎo)體激光器的激光光源、垂直腔面發(fā)射激光器和新型激光器芯片等方面所取得的成就。
2 大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程
1962 年，美國科學(xué)家宣布成功研制出了第一代半導(dǎo)體激光器———GaAs 同質(zhì)結(jié)構(gòu)注入型半導(dǎo)體激光器。由于該結(jié)構(gòu)的激光器受激發(fā)射的閾值電流密度非常高，需要 5 × 10^4 ～ 1 × 10^5 A/ cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低頻脈沖狀態(tài)工作。從此開始，半導(dǎo)體激光器的研制與開發(fā)利用成為人們關(guān)注的焦點。
1963 年，美國的 Kroemer 和前蘇聯(lián)科學(xué)院的Alferov 提出把一個窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個寬帶隙半導(dǎo)體之間，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以期在窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率的輻射復(fù)合。隨著異質(zhì)結(jié)材料的生長工藝，如氣相外延(VPE)、液相外延(LPE) 等的發(fā)展，1967 年，IMB 公司的 Woodall 成功地 利 用 LPE 在 GaAs 上 生 長 了 AlGaAs。在 1968—1970 年期間，美國貝爾實驗室的 Panish， Hayashi 和 Sμmski 成功研究了 AlGaAs/GaAs 單異質(zhì)結(jié)激光器，室溫閾值電流密度為 8.6 × 10^3 A/ cm2，比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級。
正當美國學(xué)者們致力于單異質(zhì)結(jié)激光器的研究時，前蘇聯(lián)科學(xué)院約飛物理研究所的 Alferov 等宣布研制成功雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器( HD-LD) 。該結(jié)構(gòu)是將 p-GaAs 半導(dǎo)體有源區(qū)夾在寬禁帶的n-AlGaAs 層和 p-AlGaAs 層之間，使得室溫下的閾值電流降低到 4 × 10^3 A/cm2。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器閾值電流密度之所以能夠明顯降低，主要是依靠雙異質(zhì)結(jié)的兩個作用: ( 1) 有源區(qū)兩邊包層材料的帶隙寬于有源區(qū)材料的帶隙，這使得注入雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的載流子被有效地限制在有源區(qū)內(nèi)，以利于產(chǎn)生高的增益; ( 2) 有源區(qū)材料的折射率大于兩邊包層材料的折射率，形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能將大部分光限制在有源區(qū)內(nèi)。
雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的問世標志著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展進入了新時期。1978 年，半導(dǎo)體激光器成功地應(yīng)用于光纖通訊系統(tǒng)中。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的電學(xué)和光學(xué)性能有了很大的提高。進入 20 世紀 80 年代以后，由于引入了半導(dǎo)體物理研究的新成果———能帶工程理論，同時晶體外延材料生長新工藝如分子束 外 延 ( MBE ) 、金屬有機化學(xué)氣相沉積( MOCVD) 和化學(xué)束外延( CBE)等取得重大成就，使得半導(dǎo)體激光器成功地采用了量子阱和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，制備出了許多性能優(yōu)良的激光器件，如各類量子阱激光器、應(yīng)變量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器和高功率半導(dǎo)體激光器陣列等，實現(xiàn)了高功率輸出。
量子阱激光器窄帶隙有源區(qū)材料的厚度通常小于電子在該材料的德布羅意波長( 一般小于10 ～ 20 nm) ，這樣能使注入的電子被勢阱有效地吸收。在量子阱中電子和空穴沿著垂直阱壁方向的運動呈現(xiàn)量子化的特點，電子的態(tài)密度也變?yōu)殡A梯狀，這時只需要很小的注入電流就可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此量子阱激光器具有很小的閾值電流、很高的微分量子效率和高輸出功率。
1977 年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一( Kenichi Iga) 提出垂直腔面發(fā)射激光器( Vertical- cavity surface-emitting laser，VCSEL) 的概念，其工作原理如圖 1 所示。這種激光器由于光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片的襯底垂直，因此能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有著低閾值電流、穩(wěn)定單波長工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點。隨著材料生長工藝的成熟和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，VCSEL器件在低閾值電流及室溫工作等方面取得了一系列進展，并于1988年實現(xiàn)了室溫連續(xù)激射。目前，VCSEL已經(jīng)在光通信、光互連、激光引信、激光顯示、光信號處理以及芯片級原子鐘等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
隨著理論研究和制備工藝的發(fā)展，尤其是在美國SHEDS、ADHEL和德國BIOLAS等項目的支持下，半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)、外延生長和器件封裝等技術(shù)均有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制及易與其他半導(dǎo)體器件集成等特點，在軍事、工業(yè)加工、激光醫(yī)療、光通信、光存儲和激光打印等信息領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。
3 大功率半導(dǎo)體激光器的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在國際上半導(dǎo)體激光器研究的重大技術(shù)問題是: 如何同時獲得高功率、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率，同時提高光束質(zhì)量并擁有良好的光譜特性。隨著材料生長技術(shù)和器件制備工藝的發(fā)展和進步，新的有源材料不斷涌現(xiàn)，更好的器件結(jié)構(gòu)和工藝日趨成熟，半導(dǎo)體激光器的功率、可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率都得到了迅速提高; 以往相比于其他激光器的劣勢，如光束質(zhì)量差、光譜線寬過大等問題也得到了相當程度的改善，半導(dǎo)體激光器的性能得到不斷的提升，在很多領(lǐng)域正在逐漸取代其他激光光源，并且其應(yīng)用前景也越來越廣泛。
3.1 半導(dǎo)體激光器的輸出功率
商用大功率半導(dǎo)體激光器主要工作在近紅外波段，其波長范圍在800 ～ 1100 nm 之間。目前，提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率主要有兩種方式:一種是提高半導(dǎo)體激光器芯片上單管激光的輸出功率，另一種是增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)光點個數(shù)。
提高單管激光的輸出功率，需要改進激光器的芯片結(jié)構(gòu)，提升材料生長、芯片制備、腔面鍍膜及封裝散熱等關(guān)鍵技術(shù)。增加激光器發(fā)光點的個數(shù)則主要表現(xiàn)為激光器線陣( 多個激光單元在外延層方向同芯片集成，也叫做激光器 bar 條) 、迭陣、單管模組、面陣等激光合束技術(shù)。傳統(tǒng)激光合束(Traditional beam combining，TBC) 技術(shù)基于半導(dǎo)體激光器的光斑、偏振和光譜特性，單純從外部光學(xué)系統(tǒng)考慮，利用空間合束、偏振合束和波長合束對單管、線陣和迭陣進行能量合束和光束整形。外腔光譜合束( External cavity feedback wavelength beam combining，ECFWBC) 技術(shù)利用光柵進行外部光學(xué)反饋實現(xiàn)光譜合束，可以在提高功率的基礎(chǔ)上保證良好的光束質(zhì)量。
3.1.1 單管輸出功率及單管合束光源
近幾年來，半導(dǎo)體激光器近紅外波段的輸出功率得到了顯著提高，目前單管激光器的連續(xù)輸出功率已超過 10 W，最高可達到 25 W，如表 1所示。
半導(dǎo)體激光器單管合束是由激光單管組成的最小光學(xué)模組，可以直接合束實現(xiàn)光纖輸出。激光器單管合束的優(yōu)點是: 壽命長、可靠性高，慢軸光束質(zhì)量比較好，可耦合進芯徑≤100μm的光纖; 由于熱源分散且發(fā)熱量小，可以采用傳導(dǎo)冷卻或風(fēng)冷，因而光源模組整體體積小，重量輕; 無需高電流驅(qū)動，可以采用并聯(lián)方式，對電源要求也比較低。但是，相對于線陣和迭陣，激光單管經(jīng)過合束后輸出的功率一般為數(shù)百瓦，因此一般用在功率需求為幾十瓦至數(shù)百瓦、或者對體積和可靠性要求非常高的場合，如光纖激光器泵浦、激光醫(yī)療等。
近年來，單管耦合光源的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，發(fā)展迅速。美國Fraunhofer USA 采用 120個單管耦合進 200 μm 光纖，功率輸出 ＞ 700 W。美國 nLight 采用 72 個 940 nm 波長的單管，排列成 4 個單元，實現(xiàn)光纖輸出 700 W 連續(xù)功率 。
3.1.2 激光器線陣輸出功率與線陣合束光源
隨著技術(shù)發(fā)展和單管輸出功率的提高，半導(dǎo)體激光bar條的輸出功率也顯著增加。厘米 bar條的輸出功率從 2000 年時的 240 W 已經(jīng)提高至1 000 W 左右，增大到原來的 4 倍，增長非常迅速，如表 2 所示。
半導(dǎo)體激光器線陣合束，指的是若干傳導(dǎo)冷卻或大通道熱沉封裝的激光器線陣，通過光學(xué)元件實現(xiàn)分立空間位置上的激光能量疊加。這種激光器線陣合束技術(shù)的優(yōu)點是線陣光路獨立，裝調(diào)簡便精度高，不存在公差積累問題; 熱源分散，可以采用傳導(dǎo)冷卻或大通道水冷，散熱要求低; 線陣之間的電連接與冷卻液隔絕，因而可以采用普通純凈水作為冷卻液; 被準直的線陣光束不受熱沉厚度影響，合束光斑無暗區(qū)疊加。但是，由于半導(dǎo)體激光器線陣排布比較分散，所以相同功率的線陣合束光源體積明顯大于迭陣合束光源?？紤]到總體積和光路復(fù)雜性，參與合束的激光器線陣一般不超過 50 個，因此該技術(shù)適用于輸出功率為數(shù)百瓦級至 3 000 W 級的應(yīng)用場合。
近年來，半導(dǎo)體激光器線陣合束的研究也有了很快的發(fā)展。德國 Limo 采用 38 個傳導(dǎo)熱沉封裝激光器線陣，形成 8 個線陣合束單元，實現(xiàn)了 200 μm 芯徑、0． 22 數(shù)值孔徑的光纖的 1 200 W功率輸出。德國 Dilas 采用 28 個激光器線陣，實現(xiàn)了 200 μm 芯徑、0.22 數(shù)值孔徑的光纖的 775 W 功率單波長激光輸出，然后通過波長合束，實現(xiàn)了 500 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 3 835 W 連續(xù)功率輸出。德國 Trumf 采用低填充因子的激光器線陣，制成 100 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 100 W 線陣合束模塊，然后以 19 個模塊經(jīng)過光纖捆綁方式實現(xiàn)空間合束，再通過波長合束方式實現(xiàn) 600 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 3 000 W 連續(xù)功率輸出。
3.1.3 激光器迭陣合束光源
半導(dǎo)體激光器迭陣是通過若干微通道熱沉封裝的bar條在快軸方向直接堆疊而成，激光器迭陣合束技術(shù)是高功率半導(dǎo)體激光光源最常采用的合束方式。
在可以保證單層激光器bar條連續(xù)輸出數(shù)百瓦激光功率的情況下，受限于熱沉內(nèi)微通道的水壓降，激光器迭陣中激光器 bar 條數(shù)一般不能超過 50 層。這樣，單個激光器迭陣能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作數(shù)千瓦的激光輸出。通過增加激光器迭陣數(shù)量進行激光合束，能夠?qū)崿F(xiàn)上萬瓦甚至數(shù)十萬瓦的半導(dǎo)體激光輸出。激光器迭陣光源具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小( 包括微通道熱沉在內(nèi)，單個激光器bar條體積為 0.6 cm3 左右，50 層 bar 條不超過 30 cm3 ) 的優(yōu)點，是目前半導(dǎo)體激光光源實現(xiàn)高功率輸出的主要封裝方式。
激光器迭陣通過熱沉與激光芯片之間的串聯(lián)加電，另外，微通道熱沉中水道截面直徑在微米量級，容易發(fā)生堵塞，這就要求激光器迭陣的冷卻液必須采用高度絕緣性的純凈去離子水，并定期維護更換，因而對冷卻液和熱沉的要求非常高。
綜合考慮輸出功率和可靠性等方面，在要求連續(xù)輸出 3 000 W 甚至更高功率的應(yīng)用場合，應(yīng)該使用基于激光器迭陣的半導(dǎo)體激光合束技術(shù)。
德國Laserline公司基于激光器迭陣，結(jié)合平行平板堆整形方法和激光合束技術(shù)，已研制出了多種半導(dǎo)體激光直接加工機，代表參數(shù)如表 3 所示。15 kW 功率的光束質(zhì)量為 100 mm·mrad，2 kW 功率的光束質(zhì)量為20 mm·mrad，后者超過了相同功率下燈泵 Nd∶ YAG 激光的光束質(zhì)量。該公司半導(dǎo)體激光光源保質(zhì)期長達 5 年( 43 800 h) ，是燈泵 Nd∶ YAG 激光( ＜ 2 000 h) 的數(shù)十倍，這使得它在材料加工市場非常具有競爭力。目前該公司產(chǎn)品已直接應(yīng)用在熔覆、表面強化、金屬焊接和深熔焊等材料加工領(lǐng)域。
3.2 半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率
半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率是半導(dǎo)體激光器非常重要的指標之一。高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的廢熱少、能量利用率高，可以大大延長器件的工作壽命，提升可靠性; 同時也意味著可以采用更小、更輕、更經(jīng)濟的冷卻系統(tǒng)，使得半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的移動平臺具有無可比擬的優(yōu)點。
隨著技術(shù)的發(fā)展和各國科研項目的支持( 美國國防先進技術(shù)研究計劃署( DAＲPA) 專門設(shè)立了提高半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率到 80% 為目標的超高效率激光器光源( SHEDS) 項目) ，高功率半導(dǎo)體激光器光源的效率已經(jīng)達到很高的水平。紅外波段可達到 70% 以上。目前國際上關(guān)于高功率半導(dǎo)體激光器件的轉(zhuǎn)換效率與波長對應(yīng)關(guān)系如表 4 所示。
3.3 半導(dǎo)體激光器的可靠性
半導(dǎo)體激光器的可靠性在應(yīng)用中是一個重要的技術(shù)指標。在通信、光存儲等領(lǐng)域，小功率半導(dǎo)體的可靠性已基本解決，工作壽命可以達到實用要求。高功率半導(dǎo)體激光器在大電流工作連續(xù)輸出時面臨著端面災(zāi)變性損傷、燒孔、電熱燒毀、光絲效應(yīng)，以及微通道熱沉的壽命等基本問題。解決這些問題一般通過以下方法: 提高晶體生長質(zhì)量;改進制備工藝和封裝技術(shù);增大光斑尺寸;優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)和散熱方法等。
近年來，由于半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率的提升和封裝散熱工程的改進，半導(dǎo)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。單管和 bar 條的研究進展如表 5 和表 6所示。
3. 4 半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量
在激光醫(yī)療、顯示、自由空間光通信、泵浦光纖激光器、直接材料加工等應(yīng)用領(lǐng)域，需要激光光源同時滿足高輸出功率和高光束質(zhì)量。傳統(tǒng)的寬條結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器雖然具有高功率、高效率的優(yōu)點，但其易于產(chǎn)生光絲效應(yīng)和復(fù)雜多瓣的近場圖案，光束質(zhì)量不高。
為了改善半導(dǎo)體激光器單管的光束質(zhì)量，通?？梢酝ㄟ^改變芯片結(jié)構(gòu)和加工工藝，使得出射激光在側(cè)向和橫向受到一定的限制，從而保持出光模式 單 一 穩(wěn) 定; 而采用外腔反饋光譜合束( Wavelength beam combining，WBC) 技術(shù)，則可以改善半導(dǎo)體激光器合束光源的光束質(zhì)量。
3.4.1 半導(dǎo)體激光器單管的側(cè)向模式限制
改善半導(dǎo)體激光器單管的側(cè)向模式，最簡單的方法是采用脊形波導(dǎo)(Ｒidge waveguide，ＲW)，在激光器側(cè)向引入選模設(shè)計，改善光束質(zhì)量并提高亮度。但是脊形波導(dǎo)對側(cè)向模式限制比較弱，在大電流高功率工作時，高階模容易激射。
在提高側(cè)向光束質(zhì)量方面，當前的代表性器件是種子振蕩功率放大器( Master oscillator popwer amplifier，MOPA) 結(jié)構(gòu)的錐形激光器，如圖 2 所 示。MOPA 結(jié)構(gòu)是指將具有較小功率和極高光束質(zhì)量的單模種子振蕩源 ( Master oscillator， MO) 激光注入到半導(dǎo)體放大器( Power amplifier， PA) 中進行放大，當采用整個芯片作為諧振腔單片集成時就是所說的錐形激光器。其優(yōu)點是只需一次外延生長，易于制造而且結(jié)構(gòu)緊湊，還可以集成光柵等結(jié)構(gòu)用于進行光譜線寬的調(diào)制。
錐形激光器誕生已將近 20 年，其性提升非?？臁５聡?FBH 研究所先后報道了多種波長的錐形激光器。其中，808 nm 波長器件的近衍射極限連續(xù)輸出功率可達 4.4 W，光束質(zhì)量為 1.9 mm·mrad，在 3.9 W 功率下光束質(zhì)量為 1.3 mm· mrad，亮度為 460 MW·cm^ － 2·sr^ － 1; 在脈沖條件下工作輸出功率可達 27 W，近衍射極限輸出功率可達 9 W。979 nm 波長的 DBＲ 錐形激光器連續(xù)輸出功率達到了 12 W，轉(zhuǎn)換效率約為 44% ， 在 11. 4 W 時光束質(zhì)量為 1.1 mm·mrad，亮度可達 1 100 MW·cm ^－ 2 ·sr ^－ 1。1 060 nm波長的DBＲ 錐形激光器的輸出功率達到了 12.2 W，10 W時光束質(zhì)量僅為 1. 2 mm·mrad，線寬只有 17 pm ( FWHM) ，亮度達到了800 MW·cm ^－2·sr ^－1。
其他用于激光器單管的側(cè)向模式限制的方法還有傾斜光柵分布反饋激光器以及平板耦合波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器等。
3.4.2 半導(dǎo)體激光器單管的橫向模式限制
2002 年，Ledentsov等提出了一種基于縱向光子帶晶體波導(dǎo)的新型激光器結(jié)構(gòu)，它在激光器垂直方向采用周期性生長的半導(dǎo)體層構(gòu)成有帶隙的光子晶體進行光限制。隨著這一技術(shù)的提出，傳統(tǒng)芯片光束質(zhì)量差的問題得到了很大的改善。半導(dǎo)體激光器可以從芯片上實現(xiàn)大模式光斑尺寸、低腔面損傷閾值、單橫模、低發(fā)散角、近圓形光斑工作，因而更容易獲得高光束質(zhì)量和高亮度激光。近幾年來，這種基于光子帶晶體波導(dǎo)的新型激光器得到了快速的發(fā)展，性能指標如表 7 所示。
3. 4. 3 半導(dǎo)體激光器外腔反饋光譜合束技術(shù)
由TBC原理，通過空間合束增加激光功率，會導(dǎo)致激光系統(tǒng)整體的光束質(zhì)量降低。偏振合束和波長合束技術(shù)只能在維持光束質(zhì)量不變的情況下，以一定的倍數(shù)提高激光功率。TBC 光源的光束質(zhì)量一般遠大于激光單元的光束質(zhì)量。
ECFWBC 技術(shù)結(jié)合半導(dǎo)體激光內(nèi)部振蕩與外部光學(xué)系統(tǒng)反饋，實現(xiàn)每個激光單元的諧振波長均與外部光柵色散和外腔反饋匹配，使得所有激光單元沿相同方向諧振，以保持近場和遠場相重合的方式輸出。合束激光的光束質(zhì)量與單個激光單元一致，激光功率為所有激光單元總和，其原理如圖 3 所示。因此只要激光單元具有高光束質(zhì)量，半導(dǎo)體激光合束光源也可實現(xiàn)近衍射極限的高功率激光輸出。這種 ECFWBC 技術(shù)有著衍射效率高、損傷閾值高、耦合單元多、更容易輸出高功率等優(yōu)點。
美國麻省理工( MIT) 、美國 Teradiode、美國Coherent、美國 Aculight、法國 Thales 和丹麥科技大學(xué)(DTU) 在 ECFWBC 技術(shù)的研究上取得了重要進展，如表 8 所示。美國 Teradiode 公司已達到商品化水平，2012 年，其 2 030 W 半導(dǎo)體激光合束光源產(chǎn)品已達到相同功率條件下商用全固態(tài)激光水平。
3. 4.4 高功率半導(dǎo)體激光合束光源的光束質(zhì)量
圖 4 為近年來高功率半導(dǎo)體激光器合束光源的光束質(zhì)量發(fā)展進程。從 1998 年至 2007 年，相同功率激光的光束質(zhì)量提高近 10 倍。從 2007 年 到 2012 年，基于傳統(tǒng)激光合束的光源光束質(zhì)量在千瓦至萬瓦量級提高 3 倍左右，接近并部分達到燈泵 Nd∶ YAG 激光器水平。光譜合束技術(shù)大大提高了合束光源的光束質(zhì)量，在百瓦至千瓦量級提高 10 倍左右，其中 940 W 光束質(zhì)量為 3.5 mm· mrad，2 030 W 光束質(zhì)量為 3.75 mm·mrad，達到CO2 激光器的光束質(zhì)量水平; 360 W 光束質(zhì)量為0.6 mm·mrad( 2 倍衍射極限) ，超過 CO2 激光器的光束質(zhì)量，接近全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量水平?，F(xiàn)在半導(dǎo)體激光器合束光源可以勝任包括金屬切割、深熔焊等對功率和光束質(zhì)量要求嚴格的應(yīng)用領(lǐng)域，其中基于傳統(tǒng)合束的半導(dǎo)體激光合束光源可以用于激光熔覆、深熔焊等，基于光譜合束的半導(dǎo)體激光合束光源達到金屬切割的加工要求。
3.5 半導(dǎo)體激光器的窄光譜線寬窄線寬
半導(dǎo)體激光器在激光通信、光互聯(lián)、非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。一般通過在半導(dǎo)體激光器上制備布拉格光柵進行選頻，光柵可以放在半導(dǎo)體激光器一端的腔面處作為波長反射器( 分布布拉格反射，DBＲ) 選擇激射波長，或者分布在沿整個半導(dǎo)體激光器諧振腔( 分布反饋，DFB) ，也可以采用外部光柵( 例如體布拉格光柵——VBG，或體全息光柵——VHG) 。
3.5.1 分布布拉格反射激光器
DBＲ 激光器采用布拉格光柵代替激光器的一個解理腔面，不需要二次外延技術(shù)。2010 年，德國 FBH 研究所采用表面布拉格光柵獲得了高功率 DBＲ 激光器，90 μm 條寬單管輸出功率達到14 W，最大轉(zhuǎn)換效率為 50% ，波長偏移為 0.074 nm /K。同年，該單位又報道了一種窄線寬脊形波導(dǎo) DBＲ 激光器，采用六階表面光柵，激射波長為 974 nm，單模輸出功率超過 1 W，3 dB 光譜線寬僅為 1. 4 MHz。2011 年，該單位報道了窄線寬 1 064 nm 波長 DBＲ 激 光 器，半 高 全 寬( FWHM) 為 180 kHz，在 180 mW 功率下本征線寬僅為 2 kHz，波長偏移為 0.083 nm /K。
3. 5.2 分布反饋激光器DFB 激光器
最早由貝爾實驗室的 H． Kogelikn等于 1972 年提出并在 1975 年實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，之后在光通信領(lǐng)域得到了重視并迅速發(fā)展，其研究進展如表9所示。DFB 激光器的特點是光柵分布在整個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增益和激射，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)波長選擇。它的制作方法有兩種: 一種是在生長完一部分 p 型波導(dǎo)層時中斷，外延一層低折射率光柵層，然后將晶片移出生長反應(yīng)室，采用光刻和刻蝕形成統(tǒng)一的光柵，然后重新外延生長反應(yīng)室，在光柵上繼續(xù)生長，最終形成 DFB 激光器，這種方法需要二次外延生長，對工藝要求比較高; 另一種方法是外延生長全部結(jié)束后，通過刻蝕形成表面光柵，不需要二次外延技術(shù)。
3.5.3 外腔光柵激光器
外腔光柵激光器是通過外部光柵元件的反饋和激光器腔體的諧振實現(xiàn)穩(wěn)定波長的目的。通常外腔激光器由于采用了比較長的腔長和針對特定縱模有選擇性反射的外腔光柵，可以窄化激光器線寬并且工作在單頻率狀態(tài)。其研究進展如表10 所示。
3.6 VCSEL 半導(dǎo)體激光器
由于 VCSEL 有著低閾值電流、穩(wěn)定單波長工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點，因而在半導(dǎo)體激光器中占有很重要的地位。VCSEL 器件基于 GaAs 襯底可以做到高質(zhì)量的材料生長，從而獲得很高的材料增益，還可以在單片上通過外延生長晶格匹配、高折射率差、較低電阻的 AlAs 和 GaAs 材料來構(gòu)成 DBＲ。從器件性能和實用化程度來看，850 nm 波段和 980 nm波段的器件始終代表著 VCSEL 半導(dǎo)體激光器研究的最高水平。
3.6.1 850 nm 波段 VCSEL
850 nm 是石英系光纖的第一個低損窗口，高速調(diào)制的 850 nm VCSEL 可以用于中短距離的局域網(wǎng)、自由空間光通信和光互連。隨著信息時代的巨大應(yīng)用需求，VCSEL 的低功耗和高速調(diào)制等性能在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初得到迅速提高。
1998 年，ULM 大學(xué)制作了電光轉(zhuǎn)換效率達到57% 的 VCSEL 器件，該指標一直保持了近 10 年的最高轉(zhuǎn)換效率記錄。2004 年，ULM 大學(xué)采用表面浮雕結(jié)構(gòu)的器件單模達到了 6 mW，單模抑制比達到了 40 dB; 2009 年，數(shù)據(jù)傳輸速率達到了 32 Gbit /s。在這些進展的推進下， 850 nm 的 VCSEL 器件最早進行商業(yè)化生產(chǎn)。
隨后，850 nm 的 VCSEL 器件在短距離光纖通信方面開始取代邊發(fā)射激光器。2002 年 1 月， Ulm Photonics 公司采用 flip-chip 方法制備的 VC- SEL 列陣和分立器件速率已達 10 Gbit /s，并已大批量生產(chǎn); 同期，日本 FujiXerox 開 始 批量生產(chǎn)VCSEL。
2003 年，Petar Pepeljugoski 等進行了多模光纖15.6 Gb /s、1 km 和 20 Gb /s、200m的傳輸試驗，結(jié)果顯示其指標符合粗波分復(fù)用(CWDM) 2 × 20 Gbit/s 以太網(wǎng)標準。2010 年，瑞士的 Westbergh 等進行了直接調(diào)制的多模高速器件的無錯碼大容量通信，擁有高達 40 Gbit /s 的傳輸速率。目前，850nm 的 VCSEL 可以實現(xiàn)最長1000 m、25 GHz 的高速通訊，通信能耗低至 69 fJ/bit。在市場上，美國的 Coherent、Honeywell、EMCOＲE 和 AXT 等公司以及韓國和日本的一些光通信設(shè)備制造商都有商品化的 VCSEL 器件和芯片。
3.6. 2 980 nm 波段 VCSEL
由于受到光纖激光和固體激光器泵浦、激光照明、倍頻等應(yīng)用方向的牽引，980 nm 波段的 VCSEL 在過去的 10 年發(fā)展非常迅速。最近幾年的研制主要集中于提高面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的功率和效率、實現(xiàn)高功率密度和高光束質(zhì)量方面。
2001 年，德國 Ulm 大學(xué)報道了單管連續(xù)輸出890 mW 的器件，并且使用 19 個單管并聯(lián)集成了連續(xù)輸出1.4W的二維面陣。2004 年，Ulm Photonics 公司實現(xiàn)了連續(xù)輸出 6W 的集成單元面陣，共有 224 個 VCSEL，斜率效率為 0. 6 W/A，轉(zhuǎn)換效率為 22% 。
美國 Princeton Optronics 公司是專門從事高功率近紅外 VCSEL 的企業(yè)。該公司于 2005 年實現(xiàn)了 3 W 連續(xù)輸出的 980 nm 器件。2007 年，該公司推出了面積為 0. 22 cm2、連續(xù)輸出功率超過 230 W 的面陣，轉(zhuǎn)換效率為 50% ，溫度漂移系數(shù)小于 0.07 nm /℃。2010 年，該公司推出了用于近紅外主動激光照明的百瓦級高功率列陣，實現(xiàn)了 500 m 的無散斑成像。2012 年，該公司又推出了用于固態(tài)激光泵浦的 980 nm 高功率 VC- SEL 面陣和面陣組合模塊產(chǎn)品，面陣組合模塊連續(xù)輸出超過 l 4 kW。
4 長春光學(xué)精密機械與物理研究所在大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究進展
經(jīng)過研究人員的辛勤努力，長春光學(xué)精密機械與物理研究所( 簡稱長春光機所) 在過去幾十年中在大功率半導(dǎo)體激光器方面取得了令人矚目的成就。
4.1 新材料量子阱激光器
1996 年，長春光機所在國際上率先研制出808 nm 連續(xù)輸出功率 3. 6 W、肖特基勢壘電流限制的 InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱新材料高功率激光器，工作壽命超過 10 000 h。808 nm 激光器線陣連續(xù)輸出功率最高達 150 W，準連續(xù)輸出超過 150 W，器件壽命超過 10 000 h。
2000 年，長春光機所在國際上首次研制出InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱 808 nm 激光列陣及激光光纖耦合模塊。與 GaAlAs/GaAs 半導(dǎo)體激光器相比，該激光器具有壽命長、可靠性高等優(yōu)點。2004 年，該激光器基本滿足了大功率器件的要求，達到連續(xù)光功率輸出 60 W/bar，脈沖輸出 100 W/bar，發(fā)射波長偏差控制在 3 nm。
4.2 大功率激光器合束光源
單純從外部光學(xué)系統(tǒng)考慮，激光合束分為空間合束、偏振合束和波長合束。結(jié)合幾何光學(xué)整形方式，我們研制出基于單管、線陣、迭陣3種傳統(tǒng)激光器件的合束光源。
4.2.1 基于 TBC 技術(shù)的單管合束激光光源
激光單管是半導(dǎo)體激光器的最小組成單元，光束質(zhì)量好、亮度高。單管合束光源無需光束整形，通過空間階梯排列、快慢軸準直后，由各自的空間合束鏡轉(zhuǎn)折光路直接進行合束，然后通過擴束聚焦耦合進光纖，具有易散熱、體積小、重量輕、可靠性高和成本低等優(yōu)點，是光纖泵浦、激光顯示和激光醫(yī)療等領(lǐng)域的有效光源。由于每個激光單管輸出功率一般不超過 10 W，且需配備獨立的快慢軸準直鏡、空間合束鏡，因此該光源輸出功率不宜過高，一般不超過 300 W。若功率進一步增加，則涉及的元件非常多，裝調(diào)變得非常復(fù)雜，失去成本和體積等優(yōu)勢。
基于單管合束技術(shù)，我們采用多只高亮度激光單管，結(jié)合其熱分散布局，研制出風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的多種合束光源: 105 μm/0. 2NA 光纖連續(xù)輸出 30 ～ 70 W; 200 μm/0. 2NA 光纖連續(xù)輸出功率 80 ～120 W。
4. 2.2 基于 TBC 技術(shù)的線陣合束激光光源
激光線陣合束是采用若干傳導(dǎo)冷卻熱沉封裝的激光線陣，在物理位置上分離，通過空間合束鏡實現(xiàn)光疊加，然后再進行偏振波長合束，可實現(xiàn)數(shù)百瓦至 3 kW 范圍的功率輸出。該結(jié)構(gòu)可以通過整體的工業(yè)用水進行傳導(dǎo)冷卻，具有可靠性高、便于維護等優(yōu)點。由于傳導(dǎo)熱沉的散熱限制，單個線陣輸出功率不宜過高，一般為40 ～ 80 W。常規(guī)的厘米線陣由于光束質(zhì)量差，需要額外的光束整形結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，因此線陣合束常采用條寬變小的迷你線陣或低填充因子的厘米線陣。
基于線陣合束光源，我 們 研 制 出 200 μm / 0.2NA光纖連續(xù) 400 W 功率輸出的激光器，可用于薄不銹鋼板的切割; 研制出 200 μm /0.2NA 光纖連續(xù) 3 000 W 功率輸出的激光器，用于金屬板焊接。設(shè)備照片如圖 5 所示。
4. 2.3 基于 TBC 技術(shù)的迭陣合束激光光源
激光迭陣是采用微通道熱沉封裝去離子水冷卻的半導(dǎo)體激光線陣在快軸方向物理位置堆疊而成。由于其優(yōu)異的散熱特性，單層迭陣可工作在100 ～ 300 W，具有易實現(xiàn)高功率輸出和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，是目前半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)數(shù)千瓦甚至上萬瓦激光功率輸出最主要的合束形式。激光迭陣通常采用厘米線陣，因此需要進行光束整形后再激光合束。我們采用多組激光迭陣，研制出 6 kW球閥表面強化光源及萬瓦級激光熔覆光源，如圖6 所示。
常規(guī) TBC 技術(shù)受限于合束機理，合束后的激光光束質(zhì)量均差于激光單元光束質(zhì)量。為了進一步提高光束質(zhì)量，從半導(dǎo)體激光器和外部光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合考慮，WBC 被證明是解決該難題的有效途徑之一。它采用前腔面鍍增透膜的半導(dǎo)體激光芯片與外部光學(xué)系統(tǒng)整體構(gòu)成諧振腔，通過外部光柵調(diào)節(jié)，激光芯片上所有激光單元沿相同方向諧振，并在近場和遠場完全重合，實現(xiàn)整體光束質(zhì)量僅為單元光束質(zhì)量的激光輸出，相同高功率下的光束質(zhì)量較常規(guī)方法提高數(shù)十倍。
我們利用基于透射光柵的外腔 WBC 技術(shù)，先后研制出 808 nm、970 nm 的幾十瓦至數(shù)百瓦的光譜合束光源，光束質(zhì)量僅為 3 ～ 5 mm·mrad，接近激光單元的光束質(zhì)量。圖 7 為光譜合束的實驗裝置。
4.3 VCSEL 單管及面陣
長春光機所打破傳統(tǒng)觀念束縛，提出了多增益區(qū)、調(diào)制摻雜 DBＲ、大出光孔徑等新思想，理論上預(yù)期了瓦級以上大功率 VCSEL 的可能性，并在國內(nèi)最早開展了高功率 980 nm VCSEL 的研究工作，取得了一系列突破性的成果。2003 年，我們采用 3 個應(yīng)變補償?shù)?InGaAs/GaAsP 量子阱為有源區(qū)得到高性能的 987 nm VCSEL: 口 徑 為430 μm 的器件在室溫下的連續(xù)輸出超過 1.5 W，激射峰半高寬僅為 0.8 nm，瓦級輸出器件遠場發(fā)散角低于 10°，特征溫度超過 220 K。隨后通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝，2004 年在國際上將 980 nm VCSEL 的輸出功率刷新到 1.95 W，脈沖輸出為10. 5 W，是當時國內(nèi)外報道中的最高水平。2009 年，我們研制出連續(xù)輸出超過 2.5 W 的單管( 效率 20% ) 和脈沖輸出達到千瓦的高密度集成列陣。
2010 年，我們在國際上首次提出并實現(xiàn)了大功率 VCSEL 集成面陣與其微透鏡面陣的單片集成，6 × 6 VCSEL 集成微透鏡陣列實現(xiàn)了 1.0 W基模激光輸出，發(fā)散角由 14. 8°降到 6. 6°，光束質(zhì)量獲得成倍改善，為發(fā)展高光束質(zhì)量大規(guī)模集成列陣激光開辟了新方向。圖 8 為集成微透鏡陣列照片。
2010 年，我們研制出 5 × 5、10 × 10、20 × 20的脈沖輸出 138，319，510 W( 60 ns × 100 Hz) 的 VCSEL 面陣。2011 年，我們發(fā)明了兩種偏振控制的 VCSEL 激光結(jié)構(gòu)和激光器制備方法，研制出30 × 30 最高集成度( 64 個/mm^2 ) 的大功率 VC- SEL 面陣( 圖 9) ，在 3.75 nm × 3.75 mm 的面積共集成 900 個器件，單管器件連續(xù)輸出功率為 2.9 W，為發(fā)展兆瓦乃至更大功率激光光源開辟了新途徑。
2011 年，我們研制的 VCSEL 在 110 A、60 ns電流驅(qū)動下，峰值功率高達 92 W，為當年國際報道的最好水平，創(chuàng)造了當年單管激光器的世界紀錄。
2013 年，我們提出并設(shè)計了 AlGaAs/In- GaAlAs 寬勢壘結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 795 nm 和 894 nm 高溫工作( 75 ℃ ) VCSEL，適用于低功耗芯片尺寸整合微型原子鐘、原子陀螺儀等傳感器，同時實現(xiàn)授時、定位、導(dǎo)航等功能。芯片體積僅為0.05 mm3，器件高穩(wěn)定單模態(tài)激光輸出高于 0.2 mW，工作電流低于 1. 5 mA，功耗低于 3 mW。
2014 年，我們針對大功率 VCSEL 面陣低電壓( 4 V，大電流 50 ～ 500 A) 驅(qū)動問題，發(fā)明了一種面陣混合封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法，如圖 10 所 示。利用 4 個高功率 VCSEL 單管串接，形成 980 nm 波段高功率準列陣模塊，尺寸為 2.2 mm × 2. mm，輸出功率高達 210 W。該突破使得微小型高功率 VCSEL 模塊有望在激光引信、激光測距及激光面陣雷達系統(tǒng)中實現(xiàn)實用化。
4.4 新型激光器芯片
4. 4.1 高亮度布拉格反射波導(dǎo)光子晶體激光器
我們開展了 808 nm 波長布拉格反射波導(dǎo)光子晶體激光器( 圖 11) 的研究。利用光子晶體調(diào)控光學(xué)模式，實現(xiàn)了近圓形光束出光，成功地將傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光快軸( 垂直) 發(fā)散角從 40°壓縮到10°以下( 半高全寬) ，實現(xiàn)了穩(wěn)定的圓形光斑激光輸出，其中優(yōu)化的三量子阱激光器含 95% 功率的垂直發(fā)散角可低至 9.8°，為當前報道的最低值，如圖 12 所示。由于這種激光器垂直方向的模式尺寸增大，因此可有效抑制災(zāi)變光損傷。在腔面未鈍化條件下，寬條激光器單管連續(xù)和脈沖輸出功率分別可超過 3.5 W 和 11 W，bar 條脈沖輸出功率 ＞ 70 W，10 μm 條寬脊形器件壓測條件下的單模準連續(xù)功率也超過了 1.1 W。
4. 4.2 布拉格反射波導(dǎo)雙光束激光器
雙光束激光器在高速激光掃描、高精度激光檢測、原位深度監(jiān)控及離軸外腔激光等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的方法是將一束激光分成兩束或?qū)墒す夂显谝黄?，但這種方式需要精確的光學(xué)對準，結(jié)構(gòu)不緊湊，難以批量生產(chǎn)。
在半導(dǎo)體激光器的垂直方向引入布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用布拉格反射波導(dǎo)調(diào)控激光器工作在完全光子帶隙導(dǎo)引模式，可從芯片層次實現(xiàn)穩(wěn)定的對稱雙光束激光輸出，該方法結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，易于批量生產(chǎn)。我們在國際上首次研制出布拉格反射波導(dǎo)雙光束激光器( 圖 13) ，激光器輸出兩束對稱的、近圓形的激光，單光束激光垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角分別低至7.2°和5.4°。另外，這種激光器還具有明顯的光譜調(diào)制效應(yīng)。
5 大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢
為滿足各行各業(yè)對半導(dǎo)體激光器的需求，大功率半導(dǎo)體激光器必須具有更高的功率、轉(zhuǎn)換效率、可靠性、光束質(zhì)量和更好的光譜特性，需要從以下幾個方面入手: ( 1) 發(fā)展新結(jié)構(gòu)和工藝，提高半導(dǎo)體激光器單管的各項指標; ( 2) 發(fā)展新材料、新結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，實現(xiàn)從紫外到遠紅外各波段的激光輸出: ( 3) 發(fā)展新的激光合束技術(shù)，提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率; ( 4) 拓展半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，如3D打印、超短脈沖加工、納米光學(xué)等新興領(lǐng)域，促進半導(dǎo)體激光器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。
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