近年来，国外大功率半导体激光器的研究进展非常迅速， 单条最大连续输出功率已经大于600 W，最高电光转换效率高达72％，单条40-120 W 已经商品化。相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也取得了很大的进展。主要从大功率半导体激光器外延片结构、腔面光学膜、器件封装、器件可靠性、光束整形与耦合以及器件应用等几个主要方面介绍国内大功率半导体激光器研究及应用情况。

　　1 大功率半导体激光器研究

　　1．1 外延片结构

　　大功率半导体激光器的发展与其外延片结构的研究和设计紧密相关。近年来，国内在此方面取得了很大的进展。

　　(1)应变量子阱结构被广泛采用。为了提高大功率量子阱半导体激光器的光电性能，特别是为了降低器件的阈值电流密度和扩展GaAs基材料系的波长覆盖范围，应变效应得到了广泛的应用。从激光器外延片结构设计的角度来看，量子阱晶格应变的引入成为新的大功率激光器结构设计参数和自由度。目前，国内各个研究组均有采用应变量子阱结构的报道。

　　(2)采用无铝有源区提高端面光学灾变损伤光功率密度。端面光学灾变损伤是限制器件功率密度的最主要因素之一。与含铝A1GaAs材料相比，无铝材料具有更大的端面光学灾变损伤密度和更高的可靠性。因此，采用无铝有源区可以提高器件的输出功率，并增加器件的使用寿命。国内各个大功率激光器研究组均有相关报道。

　　(3)宽波导大光腔结构。采用宽波导大光腔结构可以增加光束近场模式的尺寸，减小输出光功率密度，从而增加输出功率，延长器件寿命。同时，通过适当的波导结构设计，可以在保证基模工作的情况下，降低光束发散角，改善器件的光束质量。中科院半导体研究所、长春理工大学等单位都有相关的研究报道。

　　(4)非对称波导结构。目前大功率半导体激光器的波导结构主要为对称波导结构。其波导层外掺杂区域内的光吸收正比于掺杂浓度，降低掺杂浓度可以减小光损失，但是这样会导致串联电阻增大，最终使电光转换效率降低。解决这个矛盾的方法之一是采用非对称波导结构。非对称波导结构的优点是基于P型材料的光吸收比n型材料强的特性，将光场从对称分布变为非对称分布，使光场适当偏向N型波导层和限制层，以减少光场模式分布与高掺杂的P限制层的交叠比例，在不降低掺杂浓度的条件下减小光吸收损耗。
采用非对称波导结构减小器件的光损耗是国内高电光转换效率半导体激光器研究的最新进展之一。半导体激光器是将电能转换为光能的光电子器件，其电光转换效率是指在一定工作条件下，输出光功率与消耗电功率的比值。目前，产品化的大功率半导体激光器列阵的电光效率一般为45％～55％，比其他类型的激光器转换效率更高。但是，作为高能固体激光系统的泵浦光源，这个转换效率不够理想。例如，50％的电光效率意味着一半的能量转换成为热量。对于高功率器件，如此大比例的热量不但极大地影响了器件本身的可靠性，而且增加了高能激光电源和高效散热系统的负担。因此，这些因素极大地限制了许多新的重要应用，尤其在军事方面。

　　从2005年以来，中国科学院半导体研究所开展了高电光效率808 nm无铝非对称波导结构激光器的系统研究。为了降低大功率半导体量子阱激光器的光损耗，提高转换效率，对激射波长为808 nm的GaAs1-xPx/GaInP/AlGaInP无铝非对称波导结构激光器进行了深入的理论计算和分析设计。图l为非对称波导结构导带示意图。

　　图2为折射率和基模的光场分布。图中，N型波导层的厚度d1为0．4μm，P型波导层的厚度d2为0．2μm。采用LP-MOCVD方法制备外延片，并制作了单管器件。器件测试结果为：900μm腔长器件阈值电流密度典型值为400 A／cm2，内损耗降低到1．0 cm-1 ；连续工作条件下，最大斜率效率为1．25 W／A ，器件激射波长为807．5nm，垂直和平行结的发散角分别为34．8°和3．0°。20-70℃范围内特征温度达到133 K。图3和图4分别为外微分量子效率和阈值电流密度与腔长的关系，图5为150μm条宽，900μm腔长器件在室温连续条件下的输出光功率、电压和电光转换效率曲线。

　　通常，对称宽波导结构的内损耗都在2-5 cm-1的范围，国际最好的水平也较难接近l cm-1。从测试结果可以看到，国内该器件的内损耗已经降低到1．0cm-1 ，这表明采用非对称波导减小器件的光损耗是实际可行的。

1．2 腔面光学膜

　　腔面镀膜是大功率半导体激光器制备工艺中最重要的环节之一，它需要分别在两腔面镀上增透膜(AR)和高反膜(HR)。无论是单管还是列阵，808 nm、980 nm或其他波长，AR，HR对器件光电特性起着重要的作用：(1)光学膜的质量直接影响器件效率的高低；(2)改变AR膜的反射率值，可一定程度地调节最终的激射峰值波长；(3)腔面光学膜也是器件的保护膜。

　　长期以来，人们主要依靠蒸镀法来镀制用于精密光学的介质薄膜。为加快基片的预清洁和薄膜生长过程中的改性，现在的镀膜系统一般都采用电阻式热蒸发源和电子束蒸发源(视所需能量高低)，结合高沉积率，现代控制与自动化技术(尤其是石英晶体沉积速率控制器和实时光学监控)，蒸发系统为多种光学薄膜的镀制提供了切实可行的解决方案。由于磁控溅射法生产成本高，应用范围窄而不能用于半导体基片的光学介质膜镀制；同样二次离子束溅射法的应用也仅限于那些要求沉积率越低越好的工艺，如：环行激光陀螺仪、WDM 滤光片等。目前，国内各研究单位主要采用离子辅助电子束蒸发方法制备光学介质膜，也有少数采用射频磁控溅射法等。

　　采用离子辅助沉积多层膜电子束镀膜方法。采用不锈钢制造此镀膜机的真空室，真空性能好，抽速快，基片装卸方便，另外箱式的真空室结构提供了长距离的镀膜路程，从而保证了多层膜系的均匀性。鉴于半导体基片膜系质量的严格要求，准备配备石英晶体微量天平膜厚监控仪、离子束辅助沉积设备等；考虑到多种镀膜材料的交替镀制，选择多坩埚系统；为了尽量减小真空室环境对半导体基片的污染，采用机械泵+分子泵。

　　目前， 本中心可以镀制高质量的光学膜有a-Si、Si02、Al203、TiO2、HfO2、MgF2、CaF2 、CrO2、ZnS等，可以镀制的膜系有高反膜、增透膜、双色膜、增反膜等，覆盖的波长范围为500-1100nm。

　　1．3 器件封装

　　由于大功率半导体激光二极管的高功率密度输出、不太高(相对于100％而言)的电光转换效率，使其工作时的散热问题备受关注，这就对器件封装工艺提出更高要求。由于焊料与激光器管芯直接接触，焊料的质量直接影响到激光器的热传导和寿命。在半导体激光器及叠阵的研制过程中，焊料的选择在阵列及叠阵的封装过程中至关重要。
目前，国内用于半导体激光器组装的焊料一般分为两种：软焊料和硬焊料。这两种焊料各自具有其优缺点。金属铟是常用的软焊料，它具有良好的延展性，因此广泛应用于单管激光器的封装，然而，对于半导体激光器阵列，纯铟焊料焊接时并不理想。半导体激光器阵列组装时，由于阵列面积比单管面积大，所以需要烧结的时间长，在烧结过程中铟易氧化，从而在表面形成氧化膜，这层氧化膜的熔点很高，一般的烧结温度不会使焊料熔化，管芯就会焊接不上，如提高烧结温度，使氧化膜熔化，激光器管芯就会受到损坏，而且高温烧结时，会出现铟须。铟须会蔓延在激光器谐振腔的表面，如果铟须使上下电极导通，激光器就会短路，或铟须阻挡激光器腔面出光，大量热量集中于激光器腔面，使腔面烧毁，从而导致激光器损坏。因此，利用铟作为焊料需要选择适当的助焊剂及很好的实际封装操作技巧。

　　激光器封装过程中也使用金一锡合金，但是这种合金延展性较差。大功率半导体激光器阵列工作时，管芯的温度会很高，而激光器管芯和焊料的热膨胀系数差别很大，当激光器工作时，激光器管芯和焊料之间的热膨胀系数差异将导致激光器管芯的损坏。因此，人们采用热膨胀系数与芯片相近的另一种合金材料：钨铜合金。这种材料在封装无铝器件时特别适用，因为无铝器件相对有铝器件不具备很好的韧性。目前，本研究组常用的焊接材料有In、Sn／Au合金、W／Cu混合材料等。每种材料都配有特定的焊接温度和相应的助焊剂，并可以选择在不同的气氛下进行封装，如空气、N2、有机物气体等。

　　1．4 器件可靠性

　　在大功率半导体激光器的应用中，器件的可靠性是一个重要的技术指标。因此，可靠性和寿命测试的研究成为当前器件实用化和产业化的重点之一。

　　目前，对半导体激光器可靠性测试一般采用电老化方法，包括耐久性老化和加速老化两种方式。采用加速老化方式可以缩短器件老化时间。其他的方法还有电导数测量法、热阻测量法等，但是这些方法目前还主要处于研究和探索阶段，作为实际应用的少。

　　通过对器件可靠性的测试可以预测器件在正常工作条件下的寿命；检验器件的制作工艺；在较短时间内暴露器件的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因，淘汰早期失效产品；测定器件的极限使用条件。

　　研究组主要采用耐久性老化方式测试器件的寿命和可靠性，目前开展了对器件加速老化方式的初步实验研究。

　　1．5 光束整形与耦合

　　随着半导体材料外延技术、激光器封装和制冷技术的进步，高功率、长寿命、高封装密度的大功率半导体激光器逐渐成熟。但是，半导体激光器的光束质量差，光亮度低，限制了该器件的应用，尤其是工业领域的直接使用。因此，进一步提高大功率半导体激光器的光亮度是国内外研究的热点。主要方法之一是利用光学手段对大功率半导体激光器进行光束整形。在保证输出光功率不变的前提下提高光束质量，或保证光束质量不变的前提下提高激光输出功率，从而得到高亮度激光器件。光束整形不仅可以达到提高半导体激光器光亮度的目的，同时也是光纤耦合的基础。它可以极大改善半导体激光器的光束质量，从而降低光纤耦合的难度，并进一步形成高端产品。这些高亮度的半导体激光器不仅可以用来泵浦高光束质量的固体激光器和光纤激光器，而且可以直接应用于军事、工业加工、航空航天、生物医学等领域。
最常用的光束整形技术就是光纤捆绑耦合技术，此外还有棱镜堆重组技术、空间复合技术、波长复合技术、偏振复合技术和微光学元件压缩技术等。各种半导体激光器光束整形方法，除光纤捆绑耦合技术外，整形思路都是一样的，先对快轴方向进行准直，再把LD线阵在慢轴方向分割成若干个子单元，并使得这些子单元的出射光束在快轴方向层叠排列，从而得到对称性较好的二维光场分布，最后再对慢轴方向进行准直。这样得到的输出光场具有低发散、高对称性、高填充比(相应地光强均匀性也较高)的特点，可以被聚焦成极小的圆光斑，耦合到固体激光棒或光纤中去。

　　国外早在20世纪90年代初就开始此项研究，已经取得很大进展。国内起步相对较晚，但是发展很快，主要研究单位包括中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、中电集团十三所、中科院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

　　中科院半导体所等单位采用的是光纤捆绑耦合技术进行光束整形。先用一根光纤柱透镜进行快轴压缩，然后进入与发光区相对应的严格周期分布的光纤排，最后把输出的多根光纤捆成一束。这种方法可以简便地实现LD线阵输出光场的对称化，且光束经过一段距离的光纤传输后在输出截面上的强度得到均匀化，传输过程中的光能损失也很小，缺点是输出光纤芯径粗，亮度不高。

　　2001年，吉林大学和长春光学精密机械学院用这种方法对10单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验，耦合效率为75％。2003年，中科院半导体所利用这种技术实现了60 W 的大功率输出，耦合效率为82％ ，输出光纤为1．5 mm，数值孔径为0．11，现已实现小批量生产。

　　中科院光电技术研究所采用微柱透镜快轴准直并引起光束微偏转、消色差的双胶合透镜偏转光束、闪耀光栅阵列反偏并校正光束的方法进行光束整形，整形效果较好，得到了快慢轴方向比较均衡的光束质量，并能耦合进芯径200 mm、数值孔径0．22的光纤，但是整个系统由折射和衍射器件共同构成，结构复杂，耦合效率不高。

　　清华大学采用等腰直角棱镜组方法，整形系统由两套错位紧密排列的等腰直角棱镜组组合而成。对808 nm输出功率40 w 的半导体激光器列阵进行了光束整形，整形系统的功率效率为90％。整形前的慢轴、快轴光束质量参数比值为2 499，整形后为0．77。

　　武汉凌云科技光电有限责任公司采用折射整形法，在被整形线阵半导体激光器传播方向上依次放置两组互相垂直的、分别由M 片光学玻璃板片紧密排列构成的折射棱镜堆，进行光束的重排，实现快慢轴方向光束质量均匀化。目前该公司可以提供30 W、400 m的耦合输出系统。

　　中科院上海光学精密机械研究所采用折反射整形法，利用一组绕自身底棱旋转45°的微片棱镜堆，使得线阵半导体激光器发出的光在慢轴方向被N个微棱镜切割成N段，每一段光束在对应的微棱镜中经过几次内全反射后偏转90°，实现了慢轴光束在快轴方向的重排。利用此技术，实现了600 mm 光纤输出，系统的总效率达到52％
中电集团十三所采用偏振复合技术，首先两个线阵半导体激光器分别进行快轴准直和光束整形变换，将其中一路光束利用半波片改变其偏振态，使其与另一路光束偏振度正交，这样再经过偏振合束器，两路光就整合到一路，且光束质量不变，达到提高光亮度的目的。利用此技术，实现了两个808 nm线阵半导体激光器耦合进芯径400 μm，数值孔径0．22的石英光纤，整个系统耦合效率为60％ ，功率密度48000 W／cm2 。

　　中国科学院半导体研究所早在2002年就报道了通过光纤排捆绑耦合进行光束整形的技术。半导体激光器线列阵的输出光束首先用多模光纤进行快轴压缩，然后一对一的耦合进精密排列的光纤列阵中，最后在输出端捆成一束，实现了l5 w 的激光输出，耦合效率为75％。该方法结构简单、耦合效率高、成本低、调节简单、利于产品化生产。2003年研制成功了一对线列阵半导体激光器60 w 功率光纤耦合输出器件，总耦合效率82％ ，出光口径为1．5 mm，数值孔径0．1l。2004年5月又实现了单条线列阵半导体激光器30 W 功率光纤耦合输出，出光口径为1．07 mm，数值孔径0．1l。光电子器件国家工程中心的光纤排捆绑耦合整形器件已实现小批量生产。

　　2 大功率半导体激光器应用

　　大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准连续输出功率达万瓦以上，而且这些器件的能量转换效率可高达50％以上。半导体激光器相对于其他类型激光器的最大特点就是波长多样性，随着应用领域的不断拓宽，大功率激光器的研究几乎包括整个650-1 700 nm波段。表l是大功率半导体激光器的应用状况。目前大功率半导体激光器以及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示，照明、激光医疗等民用领域，以及激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域均得到广泛应用。

　　大功率半导体激光器在材料加工方面的主要应用有：软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面处理、工程材料表面亲润特性改进、激光清洁、辅助机械加工等。北京工业大学研制了光束整形l 000 W 大功率半导体激光器，用于U74钢轨表面淬火试验。

　　大功率半导体激光器在医疗方面的主要应用见表2。

军事方面的主要应用为：(1)半导体激光制导跟踪。从制导站激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标；在波束中飞行的导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光探测器接受到激光信号，经信号处理后，调整导弹的飞行方向，从而实现制导跟踪。(2)半导体激光雷达。半导体激光雷达体积小，精度高，具有多种成像功能和实时图像处理功能。可用于检测目标，测量大气水汽，云层，空气污染等。(3)半导体激光引信。通过对激光目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断目标，计算炸点，在最佳位置进行引爆。(4)激光测距。半导体激光光源具有隐蔽性，广泛应用在激光夜视仪和激光夜视监测仪。(5)激光通信光源。半导体激光器是一种理想光源，具有抗干扰，保密性好等优点。蓝绿光可用于潜艇和卫星以及航空母舰的通信。(6)半导体激光武器模拟。可用于新型军训和演习技术。此外，半导体激光器还广泛应用在激光瞄准和报警、军用光纤陀螺等方面。

　　3 结束语

　　大功率半导体激光器技术涵盖了几乎所有光电子领域。大功率半导体激光器的进展表明我国光电子领域的整体发展和提高。