周明 中国电子科技集团公司
从20世纪70年代末开始，半导体激光器应用向着两个方向发展：一类是以传递信息为目的的信息型激光器；另一类是以直接使用输出激光的光功率为目的的功率型激光器。半导体激光器种类较多，根据其芯片参数、封装方式的不同，有多种分类方式。
半导体激光器既可用于光纤激光器和固体激光器的抽运源，也可作为直接半导体激光器在一定应用场景直接使用。按照输出功率大小，可分为100 W以下的低功率半导体激光器、100 W-1000 W的中功率半导体激光器、1000 W以上的高功率半导体激光器。
半导体激光器原理
半导体激光器常用工作物质有砷化镓、硫化镉等，激励方式有电注入、电子束激励和光抽运三种方式。
半导体激光器主要优点是体积小、效率高、能耗低，例如半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面已经获得了广泛的应用。此外，通常使用半导体激光器作为光纤激光器抽运源。
以电注入式半导体激光器为例，半导体材料中通常会添加GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制作成半导体面结型二极管，当对二极管注入足够大的电流后，中间有源区中电子（带负电）与空穴（带正电）会自发复合并将多余的能量以光子的形式释放，再经过谐振腔多次反射放大后形成激光。
图1 半导体激光器基本结构
半导体激光器最新研究进展
从结构上来看，半导体激光器研究逐步从二维的量子阱结构向一维纳米线、零维的量子点激光器扩展。二维受限的结构为量子阱结构，电子可以在平面内自由移动。
目前商用的半导体激光器大都采用量子阱结构。一维受限的纳米结构为量子线结构，电子可以沿纳米线的长度方向移动。从材料角度看，近年来发展了分子束外延、金属有机化合物化学气相沉淀以及化学生物工程等全新的晶体生长技术，从而可为半导体激光器提供优质的材料。使得激光二极管，自身阈值电流有大幅度降低，并且转换效率也不断提高，伴随着输出功率的提高，大大增加了使用寿命。
按照波长划分，半导体激光器主要分为蓝光激光器（400 nm-500 nm），近红外激光器（900 nm -1100 nm）等几大类。下面分别就各类典型半导体激光器介绍其研究进展。
1）垂直腔面反射半导体激光器
在二维量子阱结构半导体激光器中，垂直腔面反射半导体激光器（VCSEL）是研究的前沿方向之一。VCSEL 的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，有阈值电流低、稳定单波长工作、易高频调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、动态单模工作、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点。典型的VCSEL为顶发射结构，其结构示意图如下所示。
图2 VCSEL半导体激光器基本结构
近年来，VCSEL代表性的研究单位有美国加利福尼亚大学、美国新墨西哥大学、美国亚利桑那大学、瑞士量子电子研究所、芬兰坦佩雷技术大学等研究单位。
美国加利福尼亚大学研究团队首次实现了基于非极性氮化镓（GaN）VCSEL的连续波操作。瑞士量子电子研究所制备出一种模式锁定集成垂直腔面发射激光器（MIXSEL），通过优化群延迟色散，产生创纪录的139 fs的超快脉冲激光；芬兰坦佩雷技术大学利用光抽运VCSEL制备出一种高功率黄色激光系统，该系统能够在约590 nm处提供8 W的输出功率。美国新墨西哥大学提出了一种亚波长光栅反射镜和光学增益结合的主动镜面结构，该结构能够直接在热沉片上键合从而有效去除热量。
2) 半导体纳米线激光器
图3 半导体纳米线结构示意图
例如澳大利亚国家大学制出了一种新型的垂直发射磷化铟（InP）纳米线激光器，表现出了高发射方向性，并降低了工作阈值。美国密歇根大学研究了硫化镉纳米线激光，该激光能自发地内化到单个细胞中，作为独立细胞内探针。通过纳米焦耳光脉冲抽运，可在细胞内观察到绿色波段(500 nm-520 nm)激光发射，峰宽线宽窄至0.5 nm。
3) 半导体量子点激光器
半导体量子点激光器对注入载流子具有三维量子限制结构。器件的有源区被宽带隙势垒区分割为许多小体积，其线度在三维方向上均接近或小于载流子的德布罗意波长，对载流子在空间所有方向上的运动均进行了量子限制。与量子阱和量子线激光器相比，量子点激光器在输出光谱纯度、阙值电流、温度特性和调制性等方面的性能均可获得较大幅度的提高。
近年来，东京技术研究所实现了在(001)硅片上生长的InAs/GaAs量子点激光器。该激光器发射波长为 1.3 μm，有源区为5层高质量量子点层，并具有p型调制掺杂的GaAs势垒层，空穴浓度为5×1017 cm-3，以抑制增益饱和。北京大学利用不确定度为21 nm的暗场光学成像技术结合高分辨率电子束光刻技术，将无缺陷的胶体量子点激光器和银纳米线的精确对准配置在芯片上，制备出片上量子点激光器。美国加利福尼亚大学制备出单片集成在Si衬底上的1.3 μm量子点激光器，实现了6.2 mA的阈值电流，185 mW的输出功率，获得超过100万小时的使用寿命。
4）蓝光半导体激光器
蓝光半导体激光器是指波长范围在400 nm-500 nm之间的半导体激光器。该波长激光器对于金属材料的加工有独特优势，原因是金、银、铜等金属材料在上述波段反射率低、吸收大。采用1064 nm激光通过倍频技术可获得百瓦以上的532 nm稳定的高功率绿光激光输出。红光半导体激光器也基本达到产业化水平，巴条达到10 W以上，应用产品成熟。而蓝光激光光源发展相对迟缓，采用固体激光器倍频、非线性等手段获得的蓝光功率低，系统工作不稳定。在半导体蓝光激光器芯片方面，目前单管功率最高的为NICHIA 公司1.6 W、3.5 W的蓝光TO封装单LD。
早期日本 NICHIA 公司报道了脉冲振荡输出的420 nm半导体激光器以及连续振荡输出达1 W的蓝光半导体激光器。德国 OSLM 公司发布了1.4 W/450 nm新型高功率激光二极管以及20发光点的功率达到50 W的蓝光激光器面阵，适用于各类专业级高端投影仪中。蓝光半导体激光器研究前沿主要是新材料、新器件的研发。同时提高单管输出功率，以及采用光纤合束和非相干合束等方法提高蓝光半导体激光器芯片光束耦合能力和光束质量是学术和产业界关注的主要问题。
半导体激光器应用市场分析
半导体激光器特点明显，下游应用领域广泛。同时，其结构紧凑、维护费用低、电光转换效率大于47%，在工业应用中主要为焊接及熔覆。
低功率半导体激光器主要应用于塑料焊接以及锡焊，通过光纤输出焊接，实现非接触远距离操作，方便与自动化生产线集成。千瓦级半导体可用于熔覆及五金焊接等，具有光斑大、电光转换率高的特点。
半导体激光器也被广泛用于军事、信息及医疗和生命科学等方面。研究表明半导体激光器具有较强的材料加工应用潜力，相比光纤激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割质量。
表1 半导体激光器应用领域
半导体激光主要厂家介绍
随着VCSEL激光器从光通信领域进入消费电子领域，半导体激光器在传统焊接、切割、科研领域的应用进一步加强，半导体激光器市场份额将迎来进一步增长。
国外生产半导体激光器产品的厂商主要有相干公司、恩耐公司、Apollo、TeraDiode等，主要提供高稳定性、高可靠性、高性价比的小型半导体激光器系统，具备良好的功率稳定性。上述国外企业在科研领域有竞争优势。
国内主营半导体激光器的企业，主要有炬光科技、长光华芯、大族天成、凯普林光电、山东华光光电、北京杏林睿光、深圳星汉激光、深圳瑞波光电、中科四象、中国电子科技集团第13所及44所、东方强光等。国内的光纤激光器企业例如锐科激光、创鑫激光也生产部分半导体激光器产品，且以中高功率为主要发展方向，主要产品应用于切割、焊接、航天等领域。
目前大部分商用半导体激光器采用基于量子阱的技术。对于高功率的激光，多采用高功率QCW半导体阵列技术，例如长光华芯公司。开发高功率半导体芯片，采用巴条（线阵）激光器组件，努力提高激光器功率以及其可靠性。这些取决于光束指向一致性、光束发散角及合束效率等。长光华芯采用分布式载流子注入技术，利用单管芯片集成实现光纤输出功率超过4000 W半导体激光器。相干公司等采用了量子点技术作为微型半导体激光器光源，该类激光器具备光谱纯度良好、尺寸小、功耗低等特点。
表2 4家公司生产的直接半导体激光器产品系列对比
对比上述公司，相干公司生产的直接半导体激光器涵盖波长范围在400 nm-1500 nm，光束质量稳定，较广泛应用于科学研究，高端材料加工等领域。锐科激光和长光华芯公司的半导体产品波长范围位于近红外区域，产品集中在中、高功率，市场应用于激光切割、焊接等领域。国内企业在半导体激光器的部分应用领域有特色，例如长光华芯具备新型VCSEL激光芯片量产能力，大族天成半导体技术有限公司具备各类半导体激光器模块产品大规模生产能力。
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