第十六屆全國化合物半導體、微波器件和光電器件學術會議西安’10中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，陜西西安）西安炬光科技有限公司，陜西西安)摘要：隨著其輸出功率，轉化效率，可靠性和制造工藝的提高以及成本的降低半導體激光器封裝技術，高功率半導體激光器越來越廣泛地應用于許多新的領域。如何進一步實現高功率、高亮度和高可靠性已經成為當前拓展和優化高功率半導體激光器技術的關鍵問題。本文探討了以光纖輸出或開放式半導體激光器為基礎的各種可能實現激光器功率擴展和高亮度的技術路線，介紹了影響高功率半導體激光器可靠性的因素，對各種因素進行了分析和討論，并提出了提高可靠性的策略和方法。關鍵詞：高功率半導體激光器，高亮度，高可靠性中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：,,,,,Xi’,Xi’,China)Xi’.,Ltd.,Xi’,China):power,,,,rove,.,.paper,,.:,,:引言自十九世紀六十年代問世以來，半導體激光器已經得到了舉世矚目的迅猛發展。
至今日，半導體激光器已被廣泛地應用于全固態激光器泵浦源、光纖激光器泵浦源、材料加工工業、國防軍事、醫療、印刷業以及顯示娛樂等各個領域。同時，隨著新應用的不斷擴展，對于高功率半導體激光器的要求也日益提高。其中，如何實現高功率、高亮度的同時，保證或甚至提高高可靠性已經成為當前進一步發展高功率半導體激光器技術產業和市場應用所面臨的幾個關鍵問題。本文基于當前存在的多種類型封裝的高功率半導體激光器，對于這幾個關鍵問題逐一進行分析和討論高功率半導體激光器技術的幾個關鍵問題探討-劉興勝.pdf，提出了提高或改進的方法和策略。高功率隨著激光芯片技術的進步，單發射腔半導體激光器的輸出功率顯著增加。然而，其輸出功率依然受限于光學災變（COMD）或現象。其輸出功率與這兩種參數的關系如圖1所示。COMD產生的主要原投稿分類號：ED第十六屆全國化合物半導體、微波器件和光電器件學術會議西安’10因是由于激光器腔面的光吸收和非輻射復合導致的腔面過熱所致。目前發展的一些新技能很好的提高激光器的光學災變限制水平114移動站，從而提高輸出功率。為了避免現象產生，應盡量降低器件的熱阻。增加腔長和增大發光區寬度能夠顯著降低器件的熱阻半導體激光器封裝技術，因而一般高功率單發射腔半導體激光器的腔長較長。
隨著COMD和現象的改善，發光區寬度分別為200μm和100μm的-8W和-12W單發射腔半導體激光器已在市場上廣泛銷售。(COMD)mage(COMD)單發射腔半導體激光器光輸出功率和驅動電流之間的關系示意圖為了進一步增加激光器在芯片/晶圓級的輸出功率，將多個單發射腔排成一維線陣集成在一起，此結構通常稱為半導體激光巴條(或半導體激光陣列)。半導體激光巴條可實現比單發射腔半導體激光器高一個量級的輸出功率。最常見的半導體激光器巴條封裝結構包括傳導冷卻型封裝（圖2a）和微通道液體制冷封裝（圖2b）兩種。根據巴條不同的填充因子和腔長，連續波輸出的巴條型半導體激光器的輸出功率高達上百瓦[2,3]陣列激光器實物圖（a）單巴條傳導冷卻封裝（b）單巴條微通道液體制冷封裝帶有準直（右圖）和不帶準直（左圖）（炬光科技產品）(right)(left)（）在更高輸出功率半導體激光的需求下，以單巴條為基礎的垂直疊陣和面陣成為當前發展千瓦-萬瓦級半導體激光器的主要技術路線。
圖3（a）是典型的準連續波輸出傳導冷卻G-stack型半導體激光器，此激光器不帶準直系統；圖3（b）為帶準直系統的微通道液體制冷疊陣，這兩種疊陣均是采用串聯連接。目前最新型的商業化產品每巴條的輸出功率可達到250W，一個G-stack產品由20條封裝而成。一個疊陣由30個巴條封裝而成,每個巴條的輸出功率可高達300W?；谝环N新型宏通道液體冷卻器（MaCC）的無銦化大功率產品，可實現疊陣或者面陣的光功率輸出。圖3垂直疊陣實物圖（a）準連續條件應用的傳導冷卻型G-Stack（b）有準直系統（右圖）和不帶準直系統（左圖）的微通道 液體制冷疊陣（炬光科技產品） ; G-Stack ; (left) lens（From ） 高亮度第十六屆全國化合物半導體、微波器件和光電器件學術會議 西安 ’10 對于大多數應用，如使用半導體激光器作為光源直接進行激光加工、激光切割、激 光熔覆及高功率光纖激光器泵浦等，不僅要 求高的輸出功率，而且要求高亮度輸出（即 單位面積或單位立體角發射光束的光功率 為了實現高功率半導體激光器的高亮度輸出，目前已有兩種方法，首先采用增強腔 長，發光區面積不變的方式提高半導體激光 器的輸出功率和亮度；其次采用光學整形的 方式壓縮輸出光束的光斑尺寸，或將壓縮后 光束耦合入光纖，達到提高亮度的目的。
從 目前來說采用光學整形的方法能更有效的提 高半導體激光器的亮度，可以將其亮度提高 到MW/cm 級。為了實現高亮度，目前存在的光束整形的關鍵技術有半導體激光器微光學 快慢軸準直技術，光束切割、旋轉和重排技 長合束技術，以及千瓦級光纖耦合技術等。[5,6] 以上述關鍵技術為基礎，采用多單管或多 巴條的半導體激光器光纖耦合技術可以實現 輸出功率數十瓦到數百瓦，亮度為10 的光束輸出，采用疊陣和多疊陣的耦合技術可以實現輸出功率數百瓦到數千瓦， 亮度為10 級）的光束輸出。 采用上述半導體激光器光學整形及耦合 技術，目前市場已有多款高功率、高亮度輸 出的半導體激光器耦合產品。西安炬光科技 有限公司生產的50W/600μm光纖耦合模塊， 亮度可達到1.7*10 ；以及他們生產的400W/400μm光纖耦合模塊，亮度可達到 3.1*10 。美國IPG公司生產30W/100μm光纖耦合模塊，亮度可達到3.8*10 目前報道XXX公司的耦合產品光纖輸出端為100μm，輸出功率高達100W，亮度已達到 1.2*10 。和輸出功率為500W，輸出光纖芯徑為200μm的光纖耦合其亮度已達到 1.6*10 。
為了得到更高輸出功率和亮度，大功率半導體激光器多疊陣乃至百千瓦 級面陣的光纖耦合技術是半導體激光器耦合 技術發展的必然趨勢。 獲得高亮度輸出光束面臨的挑戰：1.如 何解決高效率的大疊陣或大面陣半導體激光 器光束的光學整形及耦合設計，以及大功率 耦合系統需要的可以承受反饋光損傷的特殊 連接器的設計 。2.由于目前光學加工能力差，無法加工出整形效果好、衍射效率高的 光學元件，限制了大功率耦合技術的發展。
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