大功率半导体激光器阵列

关键词：大功率；激光器阵列；封装

中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2003)04-0033-04

大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、功率大、高效率等诸多优点，在国民经济的许多领域有重要应用。它已成为工业、军事国防等行业的固体激光器必需的泵浦光源，广泛应用于激光测距、核爆模拟、激光雷达传输、材料加工、微处理、热处理、打标定位等。大功率激光器还在医学上得到广泛应用，如手术治疗肿瘤、皮肤治疗、牙科治疗、光镇痛和光针灸、光学层析造影（OCT）等。

2 发展现状

半导体大功率激光器阵列的发展越来越快。其峰值功率不断上升，连续状态的激光器产品，线阵列的输出功率也已达到了50W [1]，国外已出现有连续工作线阵列输出功率达到198W的报道 [2]。工作于准连续状态的激光器产品，占空比2℅的线阵列输出功率达100W，的研究报道已达到200W 以上[3]。占空比已做到20℅，其输出功率可以做到70W。在转换效率上，已经有了电光转换效率达到60%以上 [2]，工作寿命达到20000小时的报道。并且，器件可以在更高的温度下工作，而功率、波长等参数不发生严重的变化。Coherent公司的商用化产品具有很高的性能指标，表1和表2 [1]分别给出了该公司器件的工作性能指标。

据Laser Focus World[4]报道，DPSSL即半导体泵浦固体激光器系统是大功率激光器的应用。2001年DPSSL行业的收入比2000年增长了18%，达到了100百万美元。该报道预测2002年 DPSSL行业的增长会达到23%，对于泵浦大型的DPSSL系统（功率为千瓦级）的堆积激光器面阵列，增长更为显著，达到了38%。由于半导体激光器阵列越来越显示出其特有的优势，即光束质量高、成本低、可靠性高，千瓦级的半导体激光器阵列大有代替氙灯泵浦的固体激光器，进入工业材料处理市场的趋势。同时，2001年大功率激光器阵列在军事上的应用也有很大增长。

3半导体大功率激光器概述

正如前面所述，大功率激光器的主要应用是泵浦固体激光器。现以泵浦Nd：YAG固体激光器的808nm的大功率半导体激光器阵列为例，简单介绍大功率激光器阵列的内部结构，外部宏观结构及其工艺过程。

3.1 材料结构
器件的材料结构多为分别限制折射率渐变单量子阱（GRIN QW SCH）结构，如所示。采用MOCVD外延方法，严格控制各个层的厚度，从而很好地控制载流子和光子的分布，降低阈值电流密度，提高效率和激光器芯片的性能参数。采用渐变折射率结构（GRIN），形成载流子势垒和纵向的光波导，可以实现对载流子和光子的紧密限制，进一步降低阈值电流密度，提高输出功率。

3.2 工艺过程及外部结构
材料生长、芯片加工、烧结和测试是半导体激光器的四个基本过程。具体步骤：外延片进入工艺加工，通过多次的光刻形成阵列结构，金属化做好激光器的欧姆接触。解理、腔面镀膜，然后将芯片p面朝下，装好电极烧焊在载体上，形成如图 2所示的单条激光器阵列。大功率半导体激光器的单条的宽标准为1cm，每条有几十到一百个发光单元。给出的是单条阵列的版图结构。其中，W代表发光单元的宽度， S代表间隔周期。目前，大功率激光器多采用大光腔，有源层发光单元的宽度从几个mm增加到100mm以上，这可降低端面功率密度，提高光灾变功率（COD）。

4几个特色问题

4.1 温度分布
半导体激光器阵列中，温度分布可以看作时间 和空间的分布。在时间上，从激光器开始加电起，有源区的温度不断上升；保持载体底端温度恒定，形成温度差，由载体将产生的热量传递出去；一定时间以后，有源区与载体底端保持准恒定的温度差，激光器的工作达到了一种动态的平衡。此时，空间上三个方向有一定的温度分布。

在这里我们用X方向指垂直于发光腔面的方向， Y方向指平行于发光腔面的方向，Z方向指沿有源区轴的方向。X方向上，保持一恒定的温度差，从有源区到载体底端，温度以一定的梯度下降 [5]。有文献报道[6]，X方向的温度不在有源区和载体的连接处，而在衬底的上层；Y方向的温度分布很不均匀。首先，阵列的填充因子，会影响激光器有源区热量在侧向的传导。其次，各发光单元的发光密度不同，在端面产生的热量也不同。同时，采用载体的材料和载体的温度也会影响Y方向的温度分布。由此其温度并不一定出现在激光条的中心位置[7] 。Z方向上，因为激光器条在载体的放置位置，使得激光器条的前后端面有温度差。前端面放在载体边缘处，该处的热流只能是向下一个方向传导，而后端面却可以有两个方向，即向侧面和下方传导。因此， Z方向上的温度在前端发光面[6]。

4.2 组装、封装技术
对于功率要求在几百甚至千瓦级以上的大功率半导体激光器，尤其是高占空比和连续激光器，二维组装是必不可少的。因此，组装技术已成为大功率激光器的关键技术。组装的形式大体可分为以下三类 [3]。

（1）集成度组装：单条激光器和其载体装在单个制冷器上。这种组装形式的制冷散热效果非常好，很适合高占空比和连续的大功率激光器。

（2）中等集成度组装：多条激光器和其各自的载体集成在一个制冷器上。从灵活方便和经济上考虑，其中有发展趋势的是LSA组装形式。图 4是LSA组装的一种形式。采用了二维面阵列结构。（这里单条激光器采用了传统的键合方式引入电极）；

（3）集成度组装：多条激光器集成在一个载体和制冷器上。这种组装形式成本较低,但灵活性很差，要求特定的阵列有特定的组装设计。

（1）直接封装：考虑实用的可靠性、方便性和有利于激光器高效安全工作，设计激光器的封装管壳，加装制冷器，对单条线阵列和面阵列激光器直接封装；

（2）准直光束：在对输出光束有严格要求的场合，需要对输出的光束准直，将发散角压缩（一般压缩垂直发散角），得到近圆形光束。准直一般采用光学微透镜组合，方法很多，归纳起来有三类：（a）球面或非球面组合透镜准直；（b）自聚焦透镜准直；（c）正面透镜或正交正面透镜对准直。准直后的大功率激光器需要有配套的封装和散热装置。

4.3 冷却技术
大功率激光器热耗散功率相当高。为保证激光器能正常高效的工作，需要采取很好的散热冷却技术。

激光器阵列的冷却技术，有热容量大的散热器放散热量的被动式冷却和流动冷却水带走容器热能的主动式冷却。一般情况下，激光器采用半导体制冷器控制载体保持恒定的温度。平均功率密度高的激光器阵列如高占空比和连续激光器，主动冷却必不可少[8]。现在，各种水冷器的报道层出不穷，其结构多是多层片的微通道结构，采用的材料有硅、铜或金刚石。每层片上设计有流通冷却液的图形和微通道，可以采用常规的化学方法刻蚀出花样或用激光切割出花样图形。将层片组装起来，构成微通道水冷器。给出的是一种微通道水冷器的示意图。图中的铜片花样用激光切割出来，细槽进行冷却水的热交换。这种水冷器，可以有效地提高冷却水的交换率和循环效率，减小热阻抗。

5研究发展方向

在现有热模型的指导下，各国的激光器相继提出了多种新型的材料、芯片版图结构、载体的材料、几何尺寸和制冷器以及激光器阵列封装的新颖技术。并且，对各工艺过程中的每一个步骤控制，尤其是金属化、焊料的选择和烧结工艺，力求激光器阵列有更高的量子效率，低的阈值电流、热阻，解决大功率激光器阵列的热问题。同时，们也在致力于大功率激光器的光学灾变（COD）问题的研究。以上两个问题对于高占空比和连续工作的大功率半导体激光器来说，尤为严重，已成为光电子行业研究的热门方向。

就大功率激光器的发展趋势来看，主要表现在以下几个方面[3]。

（1）芯片材料多样化：被命名为“能带工程”的超晶格材料的研究与生长，正以“全新的革命者”身份改变着半导体行业的发展。超晶格匹配的应变量子阱材料，诸如InGaAs-AlGaAs、AlInGaAs-AlGaAs，长波长材料如GaInAsP-InP、可见光材料InP-AlGaIn以及现在很受欢迎的无铝半导体材料都已渐渐为人们所看好；

（2）激射波长覆盖范围增大：从主要用于固体激光器泵浦的红外光780～980nm延伸到了可见光范围630～680nm。这样，大功率激光器有望广泛用于通信、医疗、信息处理；

（3）用于DPSSL系统中的激光器向着更高的功率、占空比发展，工作寿命更长，可靠性更高。在转换效率、工作寿命和工作温度上有大幅度提高；

（4）工艺制作过程更加成熟、高效，芯片质量越来越高；

（5）激光器阵列的封装技术向标准化和经济化方向发展，以适合型号众多，应用广泛的各种大功率激光器。同时，各种新颖高效的致冷散热设备迅速发展。

参考文献：

[1] http//:www.coherent.com.cn .

[2] HE X， OVTCHINNIKOV A. Efficient high power reliable InGaAs/AlGaAs(940nm) monolithic laser diode arrays . E L , 1999,35:1739.

[3] ENDRIZ J G，Vakili M. High power diode laser arrays. J Q E, 1992,28:952.

[4] ROBERT V. Steele Review and forcast of the laser markets partⅡ:diode laser. Laser focus world,2002,2.

[5] BEZOTOSNYI V, KUMYKOV K. Modelling of the thermal parameters of high-power linear laser-diode arrays. two-dimentional transient model. Q E , 1998,28:217.

[6] PUCHERT R，BARWOLLF A. Influence of the mounting configuration on the transient thermal behavior of high power laser diode arrays. Electronic components and technology coference , 1997, 1254.

[7] PUCHERT R，BARWOLLF A, MENZEL V. Facet and bulk heating of GaAs/ AlGaAs high power laser arrays studied in spatially resolved emission and mioro-Raman experiments. J A P, 1996,80:5559.

[8]金菊其.大功率半导体激光器的阵列化技术[J].激光与光电子学进展, 2001,8:31.