提高输出功率，开发高功率的二维或者三维列阵，以满足工业加工等领域对功率的需求；提高电光转换效率，实现激光系统的小型化和高效化，较少散热压力，降低成本；提高光束质量；提高可靠性，即在高峰值功率和极其恶劣的环境中也能自由使用，如满足空间航天飞行器在辐射大、温差大环境中使用。

高功率半导体激光器的关键技术

结构设计优化

高功率半导体激光器的发展与其外延与芯片结构的研究设计紧密相关。结构设计是高功率半导体激光器器件的基础。半导体激光器的三个基本原理性问题是：电注入和限制、电光转换、光限制和输出，分别对应电注入设计、量子阱设计、波导结构的光场设计。半导体激光器的结构研究改进就是从这三个方面进行不断优化，发展了非对称宽波导结构，优化了量子阱、量子线、量子点以及光子晶体结构，促进了激光器技术水平的不断提升，使得激光器的输出功率、电光转换效率越来越高，光束质量越来越好，可靠性越来越高。

高质量的外延材料生长技术

半导体激光器外延材料生长技术是半导体激光器研制的核心。高质量的外延材料生长工艺，极低的表面缺陷密度和体内缺陷密度是实现高峰值功率输出的前提和保证。另外杂质在半导体材料中也起着重要的作用，可以说，没有精确的半导体外延掺杂工艺，就没有高性能的量子阱激光器。主要通过对掺杂曲线的优化，减少光场与重掺杂区域的重叠，从而减少自由载流子吸收损耗，提高器件的转换效率。

腔面处理技术

大功率半导体激光器的应用通常要求激光器输出功率很高且有较好的可靠性。而制约半导体激光器输出功率的主要瓶颈就是高功率密度下腔面退化导致的光学灾变损伤(COMD)。

在半导体激光器的腔面区域，由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷，这些缺陷成为光吸收中心和非辐射复合中心。光吸收产生的热量使腔面温度升高，温度升高造成带隙减小，因而在腔面区域与激光器内部区域之间形成了一个电势梯度，引导载流子向腔面区域注入，更重要的是带隙减小后带间光吸收增强，两者都会使腔面区域的载流子浓度升高，增强非辐射复合，使腔面温度进一步升高。另一方面，大功率半导体激光器较大的电流注入也增强了腔面非辐射复合。正是光吸收、非辐射复合、温度升高和带隙减小的正反馈过程使腔面的温度快速升高，最终腔面烧毁，即发生COMD。

腔面问题的根源是腔面缺陷的存在，包括腔面的污染、氧化、材料缺陷等，这些腔面缺陷首先影响COMD的一致性，其次会导致器件的退化，影响长期稳定性。一般可以通过各种腔面钝化和镀膜技术，减少或者消除腔面的缺陷和氧化，降低腔面的光吸收，提高腔面的 COMD 值，从而实现高峰值功率输出。

集成封装技术

激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，而激光器光束整形和激光集成技术是获得千瓦、万瓦级激光的主要途径。由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对封装结构和工艺提出了更高要求。高功率半导体激光器封装关键技术研究，就是从热、封装材料、应力方面着手，解决热管理和热应力的封装设计，实现直接半导体激光器向高功率、高亮度、高可靠性发展的技术突破。

半导体激光器的应用

半导体激光器的直接应用领域已经有了广泛的拓展。除了作为固体激光器、光纤激光器的泵源之外，还直接应用于光通讯、工业加工、医疗美容、照明监控等很多领域。近年来半导体激光器在3D传感、激光雷达、激光显示等领域的新应用已吸引了人们极大的关注。

通信与光存储

光通信领域目前仍是半导体激光器应用的最大市场，光纤通信已经成为当代通信技术的主流。同时也是光并行处理系统的理想光源，可以用于光计算机和光神经网络。目前光通信领域主要应用的是1.3 μm和1.55 μm的InGaAsP/InP半导体激光器。而光信息和存储主要应用的红光激光器和蓝光激光器，可实现高密度信息存储和处理。

抽运光源

半导体激光器抽运固体激光器和光纤激光器是大功率半导体激光器应用最多的领域。作为抽运源，半导体激光器有着其他光源不可取代的优越性，光纤激光器成为近五年来影响最大的抽运市场。而其抽运源，分为单芯片耦合光纤输出和bar条耦合光纤两大类。常用的是105 μm/NA0.22光纤连续输出30-120 W；200 μm /NA0.22光纤连续输出50-300 W，波长覆盖808-976 nm。

图 光纤耦合输出抽运源

激光显示与医疗

激光显示因具有色域空间大、亮度高、寿命长、易于实现大屏显示等优势，市场潜力巨大。为了获得更好的视觉体验，激光显示用的红光激光器波长越短，能获得更好的视觉体验。比如人眼在640 nm的敏感系数是660 nm的3倍。但对于AlGaInP红光半导体激光器，波长越短，有源区材料的带隙越高，载流子更容易从有源区中溢出进入限制层，降低激光器的效率及可靠性。综合各种因素，激光显示用红光激光器的波长一般选择640 nm。在激光医疗领域，650 -680 nm红光激光器的使用也越来越抢眼，在理疗、细胞检测、光动力治疗等方面得到了很好的应用。

图 瓦级640~680 nm红光半导体激光器

工业加工

材料加工领域是目前激光应用领域的第二大领域，也是最近发展最快的领域，这得益于光纤激光器技术的飞速发展。激光加工是基于各类材料的光热效应加工，在不同的激光功率密度下，材料表面区域发生温度升高、融化、气化以及光致等离子体等变化，根据表面变化程度形成了退火、熔覆、焊接、切割、打孔等不同的应用。

图 用于激光熔覆、医疗美容等领域的激光器bar条叠阵产品

照明监控

随着人们对安全防范意识的增强，对监控摄像机的要求越来越高，特别是边/海防、森林防火、铁路交通等特殊场合。而激光监控具有探测距离远、可靠性高、功耗小、清晰度高等优点，在长距离监控应用中得到了飞速发展。以940 nm为代表的半导体激光器在高铁、高速公路、森林防火、边海防等领域得到了广泛的应用。

随着技术的不断进步，半导体激光器本身在功率、波长、工作方式等方面都有很大的拓展空间，也进一步促进了激光显示、激光智能识别、虚拟现实、精密加工、医学检测等新兴产业的崛起，半导体激光器作为核心元器件，已走进千家万户，在国计民生各个领域都发挥着越来越重要的作用。

作者简介

李沛旭，博士，山东华光光电子股份有限公司应用研究员，主要从事半导体激光器的材料、结构及器件的设计制作和研究工作；朱振，博士，高工，主要从事半导体激光器结构设计、外延工艺等研究和生产工作。