本文作者王立軍，寧永強(qiáng)，秦莉，佟存柱，陳泳屹，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)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(jì)以來繼原子能、電子計(jì)算機(jī)、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(shí)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(gè)世界前沿的研究方向，伴隨著國(guó)際科技進(jìn)步突飛猛進(jìn)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(jìn)步。半導(dǎo)體激光的進(jìn)步在國(guó)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(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，特別是信息、工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。

當(dāng)前，國(guó)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(shí)期，而我國(guó)的激光科學(xué)技術(shù)基本保持了與國(guó)際同步發(fā)展的態(tài)勢(shì)。從社會(huì)全面發(fā)展、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)提升、國(guó)防安全應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等各方面，從國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)展的角度，對(duì)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(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并且具體介紹了長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)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(guó)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(diǎn)。

1963 年，美國(guó)的 Kroemer 和前蘇聯(lián)科學(xué)院的Alferov 提出把一個(gè)窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng) 了 AlGaAs。在 1968—1970 年期間，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。

正當(dāng)美國(guó)學(xué)者們致力于單異質(zhì)結(jié)激光器的研究時(shí)，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(gè)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(biāo)志著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)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(jìn)入 20 世紀(jì) 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(shí)晶體外延材料生長(zhǎng)新工藝如分子束 外 延 ( MBE ) 、金屬有機(jī)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(shí)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(zhǎng)( 一般小于10 ～ 20 nm) ，這樣能使注入的電子被勢(shì)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(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)量子化的特點(diǎn)，電子的態(tài)密度也變?yōu)殡A梯狀，這時(shí)只需要很小的注入電流就可以實(shí)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(zhǎng)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(diǎn)。隨著材料生長(zhǎng)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(jìn)展，并于1988年實(shí)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(hào)處理以及芯片級(jí)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(guó)SHEDS、ADHEL和德國(guó)BIOLAS等項(xiàng)目的支持下，半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)、外延生長(zhǎng)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(zhǎng)、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(diǎn)，在軍事、工業(yè)加工、激光醫(yī)療、光通信、光存儲(chǔ)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(guó)際上半導(dǎo)體激光器研究的重大技術(shù)問題是: 如何同時(shí)獲得高功率、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)提高光束質(zhì)量并擁有良好的光譜特性。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備工藝的發(fā)展和進(jìn)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(shì)，如光束質(zhì)量差、光譜線寬過大等問題也得到了相當(dāng)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(zhǎng)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(diǎn)個(gè)數(shù)。

提高單管激光的輸出功率，需要改進(jìn)激光器的芯片結(jié)構(gòu)，提升材料生長(zhǎng)、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(diǎn)的個(gè)數(shù)則主要表現(xiàn)為激光器線陣( 多個(gè)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(zhǎng)合束對(duì)單管、線陣和迭陣進(jìn)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(jìn)行外部光學(xué)反饋實(shí)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(dá)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(shí)現(xiàn)光纖輸出。激光器單管合束的優(yōu)點(diǎn)是: 壽命長(zhǎng)、可靠性高，慢軸光束質(zhì)量比較好，可耦合進(jìn)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(dòng)，可以采用并聯(lián)方式，對(duì)電源要求也比較低。但是，相對(duì)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(duì)體積和可靠性要求非常高的場(chǎng)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(guó)Fraunhofer USA 采用 120個(gè)單管耦合進(jìn) 200 μm 光纖，功率輸出 ＞ 700 W。美國(guó) nLight 采用 72 個(gè) 940 nm 波長(zhǎng)的單管，排列成 4 個(gè)單元，實(shí)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(shí)的 240 W 已經(jīng)提高至1 000 W 左右，增大到原來的 4 倍，增長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)是線陣光路獨(dú)立，裝調(diào)簡(jiǎn)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(zhǔn)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(gè)，因此該技術(shù)適用于輸出功率為數(shù)百瓦級(jí)至 3 000 W 級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)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(guó) Limo 采用 38 個(gè)傳導(dǎo)熱沉封裝激光器線陣，形成 8 個(gè)線陣合束單元，實(shí)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(guó) Dilas 采用 28 個(gè)激光器線陣，實(shí)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(zhǎng)激光輸出，然后通過波長(zhǎng)合束，實(shí)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(guó) 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(gè)模塊經(jīng)過光纖捆綁方式實(shí)現(xiàn)空間合束，再通過波長(zhǎng)合束方式實(shí)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(gè)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(jìn)行激光合束，能夠?qū)崿F(xiàn)上萬(wàn)瓦甚至數(shù)十萬(wàn)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(gè)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(diǎn)，是目前半導(dǎo)體激光光源實(shí)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(jí)，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(hù)更換，因而對(duì)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(chǎng)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(guó)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(jī)，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(zhǎng)達(dá) 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(chǎng)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前該公司產(chǎn)品已直接應(yīng)用在熔覆、表面強(qiáng)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(biāo)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(zhǎng)器件的工作壽命，提升可靠性; 同時(shí)也意味著可以采用更小、更輕、更經(jīng)濟(jì)的冷卻系統(tǒng)，使得半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的移動(dòng)平臺(tái)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展和各國(guó)科研項(xiàng)目的支持( 美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)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(biāo)的超高效率激光器光源( SHEDS) 項(xiàng)目) ，高功率半導(dǎo)體激光器光源的效率已經(jīng)達(dá)到很高的水平。紅外波段可達(dá)到 70% 以上。目前國(guó)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(zhǎng)對(duì)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(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。在通信、光存儲(chǔ)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(dá)到實(shí)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(shí)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(zhǎng)質(zhì)量;改進(jìn)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(jìn)，半導(dǎo)體激光器單管報(bào)道的最長(zhǎng)壽命很多已達(dá)到十萬(wàn)小時(shí)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(jìn)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(shí)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(diǎn)，但其易于產(chǎn)生光絲效應(yīng)和復(fù)雜多瓣的近場(chǎng)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，通常可以通過改變芯片結(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(jiǎn)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(jì)，改善光束質(zhì)量并提高亮度。但是脊形波導(dǎo)對(duì)側(cè)向模式限制比較弱，在大電流高功率工作時(shí)，高階模容易激射。

在提高側(cè)向光束質(zhì)量方面，當(dāng)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(jìn)行放大，當(dāng)采用整個(gè)芯片作為諧振腔單片集成時(shí)就是所說的錐形激光器。其優(yōu)點(diǎn)是只需一次外延生長(zhǎng)，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(jìn)行光譜線寬的調(diào)制。

錐形激光器誕生已將近 20 年，其性提升非常快。德國(guó) FBH 研究所先后報(bào)道了多種波長(zhǎng)的錐形激光器。其中，808 nm 波長(zhǎng)器件的近衍射極限連續(xù)輸出功率可達(dá) 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(dá) 27 W，近衍射極限輸出功率可達(dá) 9 W。979 nm 波長(zhǎng)的 DBＲ 錐形激光器連續(xù)輸出功率達(dá)到了 12 W，轉(zhuǎn)換效率約為 44% ， 在 11. 4 W 時(shí)光束質(zhì)量為 1.1 mm·mrad，亮度可達(dá) 1 100 MW·cm ^－ 2 ·sr ^－ 1。1 060 nm波長(zhǎng)的DBＲ 錐形激光器的輸出功率達(dá)到了 12.2 W，10 W時(shí)光束質(zhì)量?jī)H為 1. 2 mm·mrad，線寬只有 17 pm ( FWHM) ，亮度達(dá)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(zhǎng)的半導(dǎo)體層構(gòu)成有帶隙的光子晶體進(jìn)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(shí)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(biāo)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(huì)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(zhǎng)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)每個(gè)激光單元的諧振波長(zhǎng)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)相重合的方式輸出。合束激光的光束質(zhì)量與單個(gè)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(shí)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(diǎn)。

美國(guó)麻省理工( MIT) 、美國(guó) Teradiode、美國(guó)Coherent、美國(guó) Aculight、法國(guó) 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(jìn)展，如表 8 所示。美國(guó) Teradiode 公司已達(dá)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(dá)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(jìn)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(wàn)瓦量級(jí)提高 3 倍左右，接近并部分達(dá)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(jí)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(dá)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(duì)功率和光束質(zhì)量要求嚴(yán)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(dá)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(jìn)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(zhǎng)反射器( 分布布拉格反射，DBＲ) 選擇激射波長(zhǎng)，或者分布在沿整個(gè)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(gè)解理腔面，不需要二次外延技術(shù)。2010 年，德國(guó) 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(dá)到14 W，最大轉(zhuǎn)換效率為 50% ，波長(zhǎng)偏移為 0.074 nm /K。同年，該單位又報(bào)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(zhǎng)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(bào)道了窄線寬 1 064 nm 波長(zhǎng) 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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室的 H． Kogelikn等于 1972 年提出并在 1975 年實(shí)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(jìn)展如表9所示。DFB 激光器的特點(diǎn)是光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光波在反饋的同時(shí)獲得增益和激射，依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。它的制作方法有兩種: 一種是在生長(zhǎng)完一部分 p 型波導(dǎo)層時(shí)中斷，外延一層低折射率光柵層，然后將晶片移出生長(zhǎng)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(zhǎng)反應(yīng)室，在光柵上繼續(xù)生長(zhǎng)，最終形成 DFB 激光器，這種方法需要二次外延生長(zhǎng)，對(duì)工藝要求比較高; 另一種方法是外延生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波長(zhǎng)的目的。通常外腔激光器由于采用了比較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)和針對(duì)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(jìn)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(zhǎng)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(diǎn)，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(zhǎng)，從而獲得很高的材料增益，還可以在單片上通過外延生長(zhǎng)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì) 90 年代末和 21 世紀(jì)初得到迅速提高。

1998 年，ULM 大學(xué)制作了電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到57% 的 VCSEL 器件，該指標(biāo)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(dá)到了 6 mW，單模抑制比達(dá)到了 40 dB; 2009 年，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了 32 Gbit /s。在這些進(jìn)展的推進(jìn)下， 850 nm 的 VCSEL 器件最早進(jìn)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(dá) 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(jìn)行了多模光纖15.6 Gb /s、1 km 和 20 Gb /s、200m的傳輸試驗(yàn)，結(jié)果顯示其指標(biāo)符合粗波分復(fù)用(CWDM) 2 × 20 Gbit/s 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2010 年，瑞士的 Westbergh 等進(jìn)行了直接調(diào)制的多模高速器件的無錯(cuò)碼大容量通信，擁有高達(dá) 40 Gbit /s 的傳輸速率。目前，850nm 的 VCSEL 可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)1000 m、25 GHz 的高速通訊，通信能耗低至 69 fJ/bit。在市場(chǎng)上，美國(guó)的 Coherent、Honeywell、EMCOＲE 和 AXT 等公司以及韓國(guó)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(shí)現(xiàn)高功率密度和高光束質(zhì)量方面。

2001 年，德國(guó) Ulm 大學(xué)報(bào)道了單管連續(xù)輸出890 mW 的器件，并且使用 19 個(gè)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(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出 6W 的集成單元面陣，共有 224 個(gè) VCSEL，斜率效率為 0. 6 W/A，轉(zhuǎn)換效率為 22% 。

美國(guó) 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(shí)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(dòng)激光照明的百瓦級(jí)高功率列陣，實(shí)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(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所在大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究進(jìn)展

經(jīng)過研究人員的辛勤努力，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所( 簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春光機(jī)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(zhǎng)春光機(jī)所在國(guó)際上率先研制出808 nm 連續(xù)輸出功率 3. 6 W、肖特基勢(shì)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(dá) 150 W，準(zhǔn)連續(xù)輸出超過 150 W，器件壽命超過 10 000 h。

2000 年，長(zhǎng)春光機(jī)所在國(guó)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(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。2004 年，該激光器基本滿足了大功率器件的要求，達(dá)到連續(xù)光功率輸出 60 W/bar，脈沖輸出 100 W/bar，發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǔn)直后，由各自的空間合束鏡轉(zhuǎn)折光路直接進(jìn)行合束，然后通過擴(kuò)束聚焦耦合進(jìn)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(diǎn)，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(gè)激光單管輸出功率一般不超過 10 W，且需配備獨(dú)立的快慢軸準(zhǔn)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(jìn)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(shì)。

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(shí)現(xiàn)光疊加，然后再進(jìn)行偏振波長(zhǎng)合束，可實(shí)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(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，具有可靠性高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于傳導(dǎo)熱沉的散熱限制，單個(gè)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(shí)現(xiàn)高功率輸出和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是目前半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)數(shù)千瓦甚至上萬(wàn)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(jìn)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(qiáng)化光源及萬(wàn)瓦級(jí)激光熔覆光源，如圖6 所示。

常規(guī) TBC 技術(shù)受限于合束機(jī)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(jìn)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?cè)鐾改さ陌雽?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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)完全重合，實(shí)現(xiàn)整體光束質(zhì)量?jī)H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?jī)H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(shí)驗(yàn)裝置。

4.3 VCSEL 單管及面陣

長(zhǎng)春光機(jī)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(jí)以上大功率 VCSEL 的可能性，并在國(guó)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(gè)應(yīng)變補(bǔ)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(jí)輸出器件遠(yuǎn)場(chǎng)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(guó)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(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外報(bào)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(dá)到千瓦的高密度集成列陣。

2010 年，我們?cè)趪?guó)際上首次提出并實(shí)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(shí)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(gè)/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(gè)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(dòng)下，峰值功率高達(dá) 92 W，為當(dāng)年國(guó)際報(bào)道的最好水平，創(chuàng)造了當(dāng)年單管激光器的世界紀(jì)錄。

2013 年，我們提出并設(shè)計(jì)了 AlGaAs/In- GaAlAs 寬勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)授時(shí)、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(duì)大功率 VCSEL 面陣低電壓( 4 V，大電流 50 ～ 500 A) 驅(qū)動(dòng)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(gè)高功率 VCSEL 單管串接，形成 980 nm 波段高功率準(zhǔn)列陣模塊，尺寸為 2.2 mm × 2. mm，輸出功率高達(dá) 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(cè)距及激光面陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(dāng)前報(bào)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(cè)條件下的單模準(zhǔn)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(cè)、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す夂显谝黄穑@種方式需要精確的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的對(duì)稱雙光束激光輸出，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，易于批量生產(chǎn)。我們?cè)趪?guó)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(duì)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(shì)

為滿足各行各業(yè)對(duì)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(gè)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(xiàng)指標(biāo); ( 2) 發(fā)展新材料、新結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)從紫外到遠(yuǎn)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(jìn)半導(dǎo)體激光器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。