楊硯方

遼寧科技大學(xué)，遼寧沈陽，110325

0 引言

半導(dǎo)體激光器因高輸出功率、光束質(zhì)量良好等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。從1962年提出半導(dǎo)體激光器的概念至今，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展時(shí)長已有六十余年，經(jīng)過不斷改進(jìn)，其性能在近幾年來已經(jīng)得到了很大的提升。目前，國內(nèi)外紛紛對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的研究加大了力度，促使其進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，國防安全越來越受到各個(gè)國家和地區(qū)的重視，因此也對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更加明確的要求。

1 大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展歷程

早期的注入型半導(dǎo)體激光器因轉(zhuǎn)換率低導(dǎo)致產(chǎn)生的廢棄熱能較多，所以需要在散熱狀況極好的環(huán)境下才可以用低頻脈沖狀態(tài)進(jìn)行工作[2]。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們后來又成功研制了單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器，這種激光器在正常室溫下工作產(chǎn)生的廢棄熱能相較于之前的激光器已經(jīng)有了明顯的降低。緊隨其后研發(fā)出的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器在室溫下的電流閾值達(dá)到4×103A/cm3，這也標(biāo)志著對(duì)半導(dǎo)體激光器的研究走進(jìn)了一個(gè)全新的階段。

垂直腔面發(fā)射激光器相較于以往的激光發(fā)射器，具有受激發(fā)射的閾值電流低、工作狀態(tài)穩(wěn)定、易拆解且易組裝集成等優(yōu)勢(shì)。其工作原理如圖1所示。

圖1 邊發(fā)射激光器和面發(fā)射激光器

由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們對(duì)激光器的研究更加深入，制作水平也有了明顯的提升，尤其是有SHEDS、ADHEL等項(xiàng)目的支持，半導(dǎo)體激光器芯片、外延和器件封裝等方面的技術(shù)都有了極大的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器因相較于以往的激光器有著各方面的優(yōu)勢(shì)，所以逐步被推廣到各類與激光相關(guān)聯(lián)的工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)工作中。

2 大功率半導(dǎo)體激光器研究現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展

2.1 研究現(xiàn)狀

提高輸出功率和設(shè)備工作穩(wěn)定性、減少廢熱的產(chǎn)生是當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的研究重點(diǎn)，越來越多的領(lǐng)域正在使用半導(dǎo)體激光器代替其他激光光源，使得其實(shí)際應(yīng)用的前景也越來越好。

2.1.1 半導(dǎo)體激光器的輸出功率

提高單管輸出功率或增加激光發(fā)光點(diǎn)數(shù)量都可以提高激光器的輸出功率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高芯片制作工藝等技術(shù)可以提高單管輸出功率。一般情況下，將激光器線陣等與之相關(guān)聯(lián)的激光合束技術(shù)統(tǒng)稱為增加激光發(fā)光點(diǎn)數(shù)量。而過去的激光合束技術(shù)主要是以光斑、偏振合光譜特性為基礎(chǔ)，從外部光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，通過利用空間合束、波長合束合偏振合束對(duì)單管、線陣以及迭陣進(jìn)行能量合束和光束整形，而外腔光譜合束技術(shù)則是實(shí)用光柵對(duì)外部光學(xué)反饋進(jìn)行光譜合束，這樣做不僅可以提高攻略，還可以保證良好的光束質(zhì)量[3]。

2.1.2 半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率

若想要減少能源的浪費(fèi)，就需要保證設(shè)備在工作中產(chǎn)生更少的熱能，這樣不僅可以延長設(shè)備的使用壽命，而且工作的穩(wěn)定性和可靠性也都會(huì)隨之提高。設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱能少，就可以在散熱方面減少投入，這是其他激光器無法相較的優(yōu)勢(shì)。

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各國科研立項(xiàng)的支持，大功率半導(dǎo)體激光器的光源效率已達(dá)到了很高的水平，其中紅外波段高達(dá)70%以上。目前國際上關(guān)于大功率半導(dǎo)體激光器器件轉(zhuǎn)換效率和波長的關(guān)系如表1所示。

表1 半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率與波長的關(guān)系

2.1.3 半導(dǎo)體激光器可靠性

目前，小功率半導(dǎo)體設(shè)備工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使用壽命也達(dá)到了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求。為了解決大功率半導(dǎo)體激光器因其特點(diǎn)導(dǎo)致的各種影響設(shè)備使用的問題，可以從以下幾個(gè)方面入手：

（1）提高材料質(zhì)量，保證零件可靠；

（2）增大光斑尺寸[4]；

（3）提高制作工藝，保證設(shè)備可靠；

（4）優(yōu)化散熱公益，減緩老化速度。

半導(dǎo)體激光器可靠性的發(fā)展見表2和表3。

表2 bar條可靠性的發(fā)展

表3 單管可靠性的發(fā)展

2.1.4 半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量

通常情況下都是采取改變芯片結(jié)構(gòu)和工藝手段的方式來提高半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，使其出射激光受到面的限制來保證模式的單一和穩(wěn)定；與此同時(shí)，還可以利用外腔反饋技術(shù)來提高光束質(zhì)量。外腔半導(dǎo)體激光器能精確地控制其波長，并有功耗低、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)不復(fù)雜等優(yōu)勢(shì)。一般采用脊形波導(dǎo)（RW）的方式去提高側(cè)面的光束質(zhì)量。外腔反饋光譜合束技術(shù)的原理如圖2所示。

圖2 外腔反饋光譜合束技術(shù)原理

2.2 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過了六十多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在國際和國內(nèi)都受到了極高的關(guān)注，在各行業(yè)領(lǐng)域都充分發(fā)揮著它的特長。近年來，各國為了提升自身的科技力量，在半導(dǎo)體激光器的研究和制作工藝上投入了極大的精力，使半導(dǎo)體激光器的可靠性和實(shí)用性得到了更進(jìn)一步的提高。

3 大功率半導(dǎo)體激光器可靠性分析

延長使用壽命、延緩老化速度、提高可靠性是目前大功率半導(dǎo)體激光器的研究重點(diǎn)。接下來從溫度應(yīng)力和電流步進(jìn)應(yīng)力加速老化方向?qū)煽啃赃M(jìn)行分析。

將半導(dǎo)體激光器置于溫度為70℃的環(huán)境下（遠(yuǎn)高于工作環(huán)境正常溫度），以正常電流應(yīng)力（1A）開始工作，這種方式可以直觀地展現(xiàn)出激光器的失效狀況。將實(shí)驗(yàn)開始的光功率設(shè)為基點(diǎn)，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，光功率緩慢降低，直至失效（一般將功率下降30%時(shí)視為失效）。在這個(gè)過程中得到時(shí)間和功率的關(guān)系曲線，如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地推斷出激光器的使用壽命，但實(shí)驗(yàn)過程較長，并且對(duì)水冷設(shè)備和水溫的穩(wěn)定性有著較高的要求。

圖3 溫度應(yīng)力老化曲線

半導(dǎo)體激光器保持工作環(huán)境溫度不變，越大的電流應(yīng)力會(huì)使得激光器的老化速度越快。根據(jù)電流步進(jìn)應(yīng)力可以推算出半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

一般將激光器輸出功率下降30%規(guī)定為無法繼續(xù)使用，在實(shí)驗(yàn)中，將激光器放在不同的電流應(yīng)力狀態(tài)下工作120小時(shí)，得出激光器輸出功率的變化情況。實(shí)驗(yàn)要求被測(cè)激光器應(yīng)屬于同一批設(shè)備，這樣可以盡可能地保證實(shí)驗(yàn)變量的單一性。根據(jù)逆冪律加速模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得出大功率半導(dǎo)體激光器在正常工作環(huán)境溫度狀態(tài)下以1A的電流工作的使用壽命是1451小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體激光器電流步進(jìn)應(yīng)力老化結(jié)果

4 大功率半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用

大功率半導(dǎo)體屬于用途非常多樣化的一種光電子設(shè)備，它的輸出功率可以達(dá)到上千瓦特，并且可以以此狀態(tài)持續(xù)性穩(wěn)定輸出如此高的功率，而且這種設(shè)備有著能量轉(zhuǎn)換率極高的優(yōu)勢(shì)。大功率半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用范圍非常廣泛。

目前半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療方面主要用于激光多普勒成像，可以對(duì)人體進(jìn)行血流探測(cè)、活體人血成像、人視網(wǎng)膜血流的彩色成像等；還用于激光全息技術(shù)，通過激光器生成全息圖像，多用于牙科、眼科或婦科；還可以進(jìn)行組織切割、照射理療等醫(yī)療手段；當(dāng)今流行的激光脫毛技術(shù)與半導(dǎo)體激光器也是息息相關(guān)。

在軍事方面，主要用于制導(dǎo)跟蹤、激光雷達(dá)、檢測(cè)污染、激光引信、制作夜視儀等。

在工業(yè)加工方面，主要用于激光切割、激光清洗、激光熔覆、激光焊接等[5]。

5 結(jié)論與展望

為了更好地滿足各領(lǐng)域?qū)Υ蠊β拾雽?dǎo)體激光器的需求，需要從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和提升：

（1）發(fā)展新工藝，提高各項(xiàng)指標(biāo)；

（2）拓展應(yīng)用領(lǐng)域；

（3）發(fā)展新型激光合束技術(shù)，提高輸出功率；

（4）研發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)的激光器，實(shí)現(xiàn)全波段的激光輸出。

大功率半導(dǎo)體激光器的技術(shù)幾乎涵蓋了光電子的所有領(lǐng)域，它的研究進(jìn)展表明了我國光電子領(lǐng)域技術(shù)的整體提升。隨著大功率半導(dǎo)體激光器性能的不斷提升，未來大功率半導(dǎo)體激光器將在各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，今后還可以根據(jù)客戶需求對(duì)激光器進(jìn)行定制、模塊化配置，這將是一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。