半導體激光器的研究進展

1、半導體激光器的研究進展摘要：本文主要述寫了半導體激光器的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀。以及對單晶光纖激光器進行了重點描述，因其在激光醫(yī)療、激光成像、光電對抗以及人眼安全測照等領(lǐng)域具有重大的應用價值，近年來成為新型固體激光源研究的熱點。一、 引言。激光是 20 世紀以來繼原子能、電子計算機、半導體之后人類的又一重大發(fā)明。半導體激光科學與技術(shù)以半導體激光器件為核心， 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)控手段和應用技術(shù)，所需知識綜合了幾何光學、物理光學、半導體電子學、熱力學等學科。半導體激光歷經(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)

2、聯(lián)技術(shù)、 材料與工藝等的突破性進步。半導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)科學領(lǐng)域不斷研究深化，科學技術(shù)水平不斷提升，而且在應用領(lǐng)域上不斷拓展和創(chuàng)新，應用技術(shù)和裝備層出不窮，應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)域得到了重要應用。本文對半導體激光器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行了綜述，同時因單晶光纖激光器在激光醫(yī)療、 激光成像、 光電對抗以及人眼安全測照等領(lǐng)域具有重大的應用價值， 本文也將對其做重點描述。二、 大功率半導體激光器的發(fā)展歷程。1962 年，美國科學家宣布成功研制出了第一代半導體激光器GaAs 同質(zhì)結(jié)構(gòu)注入型半導體

3、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 × 1041 × 105 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)科學院的Alferov 提出把一個窄帶隙的半導體材料夾在兩個寬帶隙半導體之間，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以期在窄帶隙半導體中產(chǎn)生高效率的輻射復合。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 Al

4、GaAs。在19681970 年期間， 美國貝爾實驗室的 Panish，Hayashi 和 Smski 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 × 103 A /cm2，比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級。正當美國學者們致力于單異質(zhì)結(jié)激光器的研究時，前蘇聯(lián)科學院約飛物理研究所的 Alferov 等宣布研制成功雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器( HD-LD) 。該結(jié)構(gòu)是將 p-GaAs 半導體有源區(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 × 103 A /cm2。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導體激光器閾值電流密

5、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，形成的光波導結(jié)構(gòu)能將大部分光限制在有源區(qū)內(nèi)。 1- 2雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器 3- 4 的問世標志著半導體激光器的發(fā)展進入了新時期。1978 年， 半導體激光器成功地應用于光纖通訊系統(tǒng)中。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，半導體激光器的電學和光學性能有了很大的提高。進入 20 世紀 80 年代以后，由于引入了半導體物理研究的新成果能帶工程理論，同時晶體外延材料

6、生長新工藝如分子束 外 延 ( MBE ) 、金 屬 有 機 化 學 氣 相 沉 積( MOCVD) 和化學束外延 ( CBE) 等取得重大成就，使得半導體激光器成功地采用了量子阱和應變量子阱結(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、應變量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器和高功率半導體激光器陣列等，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 20nm)，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

7、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。半導體激光器以其轉(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用。三、 大功率半導體激光器的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國際上半導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

8、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，并且其應用前景也越來越廣泛。3.1半導體激光器的輸出功率商用大功率半導體激光器主要工作在近紅外波段，其波長范圍在 800 1 100 nm 之間。目前，提高半導體激光器的輸出功率主要有兩種方式:一種是提高半導體激光器芯片上單管激光的輸出功率，另一種是增加半導體激光器的發(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

9、集成，也叫做激光器 bar 條) 、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)基于半導體激光器的光斑、 偏振和光譜特性，單純從外部光學系統(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 wavelengthbeam combining，ECFWBC) 技術(shù)利用光柵進行外部光學反饋實現(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。3.2半導體激光器的轉(zhuǎn)換效率半導體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率是半導體激光器非常重要的指標之

10、一。高轉(zhuǎn)換效率的半導體激光器產(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( DAPA) 專門設(shè)立了提高半導體激光器的電光轉(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)于高功率半導體激光器件的轉(zhuǎn)換效率與波長對應關(guān)系如表4。3.3半導體激光器的可靠性半導體激光器的可靠性在應用中是一個重要的技術(shù)指標

11、。在通信、光存儲等領(lǐng)域，小功率半導體的可靠性已基本解決，工作壽命可以達到實用要求。高功率半導體激光器在大電流工作連續(xù)輸出時面臨著端面災變性損傷、燒孔、電熱燒毀、光絲效應，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。3.4 半導體激光器的光束質(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)生光絲效應和復雜多瓣的近場圖案，光束質(zhì)量不高。為了改善半導體激光器單

12、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)，則可以改善半導體激光器合束光源的光束質(zhì)量。3.5 半導體激光器的窄光譜線寬窄線寬半導體激光器在激光通信、光互聯(lián)、非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著重要的應用。一般通過在半導體激光器上制備布拉格光柵進行選頻，光柵可以放在半導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

13、體全息光柵VHG) 。四、半導體激光器相比于空間合束、波長合束和偏振合束而言，光譜合束是從半導體激光器內(nèi)部激光振蕩、 增益競爭及外部光學元件的相互作用出發(fā)， 實現(xiàn)單個合束單元的光譜鎖定和合束輸出， 其具體的原理如圖 1 所示。2010 年德國夫瑯禾費實驗室和丹麥技術(shù)大學合作，采用擁有12個錐形合束單元的半導體激光線陣在連續(xù)波(CW)30 A時輸出光功率為14.5 W，波長為980 nm進行光柵外腔光譜合束實驗，結(jié)構(gòu)如圖3所示，在驅(qū)動電流CW30A時得到光譜合束輸出功率為 9.3 W，光譜合束效率為63%，光束質(zhì)量因子M2約為5.3，與單個的合束單元在相同電流下自由運轉(zhuǎn)時的慢軸 M2相當。半導體

14、激光器線陣進行光譜合束時，由于芯片封裝應力造成Smile效應，在非合束方向上反饋光的錯位、離軸直接降低有效反饋量甚至不形成有效反饋。為消除非合束方向?qū)Ψ答佇实挠绊?，該實驗組在實驗裝置中引入一柱頭鏡 L2，其作用是將快軸方向的光束聚焦于外腔鏡上，消除由于芯片封裝帶來的Smile效應對反饋光強的影響，增強反饋作用，提高這個裝置的穩(wěn)定性。2013 年該實驗組還對兩個分布布拉格反射(DBR)錐形半導體激光器單管利用 VBG 進行光譜合束，再將合束光束通過非線性晶體的三階和頻，獲得了慢軸M21.3，快軸M21.1， 輸出功率為3.9 W，近衍射極限的綠光輸出，譜寬在5pm左右，光-光轉(zhuǎn)換效率約為24.

15、8%12， 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示。五、單晶光纖的固體激光器單晶光纖是一種新型的高性能光學材料，具有抗電磁干擾、 耐腐蝕和傳光性好等優(yōu)點， 除被用于全息數(shù)據(jù)儲存、 紅外激光傳導以及高溫探測等領(lǐng)域外，作為單晶光纖激光器和單晶光纖放大器的新型增益晶體，是其又一重要的應用方向。制備優(yōu)質(zhì)的單晶光纖是其重要應用的前提，單晶光纖的制備方法有導模法、 毛細管固化法、 激光加熱基座（ ） 法和微下拉（ ） 法。較 常 用 的 是 激 光 加 熱 基 座 法 和微下拉法。5.1 連續(xù)單晶光纖激光器相比于摻鐿光纖激光器幾米長的增益介質(zhì)，單晶光纖激光器的工作物質(zhì)要短的多， 只有幾厘米長，但輸出激光功率卻不少，從

16、幾瓦到幾百瓦。2009年，法國.Sangla等 報道了連續(xù)單晶光纖激光振蕩器，實現(xiàn)了1064 激光輸出。該連續(xù) 單晶光纖激光振蕩器采用110W400（ .） 光纖耦合輸出808 激光泵浦直徑.、長度50 的 單晶光纖，單晶光纖摻雜濃度為.，實驗裝置示意圖如圖所示。泵浦功率為100W 時，輸出33 1064激光，相應的斜效率為35，光束質(zhì)量因子小于，多模輸出的原因是單晶光纖直徑太粗，影響單晶光纖的散熱和模式。5.2 調(diào)單晶光纖激光器相比于連續(xù)輸出激光器，更多領(lǐng)域都需要調(diào)激光器，例如人眼安全激光雷達、激光醫(yī)療和激光打標等。單晶光纖調(diào)激光器輸出1645n 和1617 激光， 即對人眼安全，又處于大氣

17、透射窗口，常用于人眼安全激光雷達。單晶光纖激光器調(diào)方式分為被動調(diào)和主動調(diào)，被動調(diào)應用調(diào)晶體對激光的“ 漂白” 效應，輸出脈沖激光。結(jié)構(gòu)簡單，不需要電壓調(diào)制，也就是不需要電力和程序驅(qū) 動。2013年，.Aubourg 等報道了采用40W1533 二極管端面泵浦單晶光纖，Se被動調(diào)，輸出1645和1617 激光。實驗裝置如圖所示。初始透過率85，重復頻率1460時，輸出1645 激光單脈沖能量330，脈沖寬度61ns；初始透過率80，重復頻率820時，輸出1617 激光單脈沖能量510，脈沖寬度41ns。六、大功率半導體激光器的發(fā)展趨勢為滿足各行各業(yè)對半導體激光器的需求，大功率半導體激光器必須具有

18、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)，提高半導體激光器的輸出功率;( 4) 拓展半導體激光器的應用領(lǐng)域，如 3D打印、超短脈沖加工、 納米光學等新興領(lǐng)域，促進半導體激光器應用技術(shù)的發(fā)展七、參考文獻1 Hall N，F(xiàn)enner G E，Kingsley J D， et al Coherent light emission from GaAs junctions JPhysevLett，1962，9( 9): 366- 3682 孟慧成.半導體激光器光柵外腔光譜合束技術(shù)研究進展. 中國激光,52, 020003(2015)3 Limper