激光器腔面灾变性光学损伤对大功率半导体激光器的最大输出功率和可靠性有很大的负面影响, 是激光器突然失效的主要机制。如何克服腔面灾变性光学损伤, 从而获得高性能的大功率半导体激光器成为重要的研究课题。文章首先对腔面灾变性光学损伤的研究历程进行了简要介绍, 随后论述了腔面灾变损伤的物理机制及热动力学过程, 最后从技术原理、方法、优缺点、改进方法、研究进展及应用现状的角度, 逐一对各种抑制腔面灾变损伤的方法进行了归纳和总结。

综述了世界各国近年来在大功率半导体激光器方面所取得的研究成果,重点介绍了砷化镓基近红外大功率半导体激光器在输出功率、亮度、电光转换效率、光束质量、寿命与可靠性方面的研究进展。结合目前市场分析,详细阐述了半导体激光器的应用前景,展望了未来大功率半导体激光器的发展趋势。

提出一种采用双铜-金刚石的“三明治”封装结构, 利用有限元分析方法研究了其与传统的Cu+CuW硬焊料封装结构激光器的热应力与Smile.对比模拟结果发现新封装结构热应力降低43.8%, Smile值增加95%.在次热沉热膨胀系数与芯片材料匹配的情况下, 使用弹性模量更大的次热沉材料, 可对芯片层热应力起到更好的缓冲作用.以硬焊料封装结构为例, 分析了负极和次热沉厚度对器件Smile的影响.结果表明负极片厚度从50 μm增加到300 μm, 器件工作结温降低2.26 ℃, Smile减小0.027 μm, 芯片的热应力增加22.95 MPa.当次热沉与热沉的厚度比小于29%时, Smile随次热沉厚度增加而增加; 而当次热沉厚度超过临界点后, Smile随次热沉厚度增加而减小.当次热沉厚度达到临界点(2300 μm)时, 硬焊料封装的半导体激光器具有最大的Smile值3.876 μm.制备了CuW厚度分别为300 μm和400 μm的硬焊料封装976 nm激光器, 并测量了其发光光谱.通过对比峰值波长漂移量, 发现CuW厚度增加了100 μm, 波长红移增加了1.25 nm, 根据温度和应力对波长的影响率可知应力减小了18.05 MPa.测得两组器件的平均Smile值分别为0.904 μm和1.292 μm.实验证明增加CuW厚度可减小芯片所受应力, 增大Smile值.

利用电致发光(EL)的方法, 研究了突然失效的975 nm大功率应变量子阱激光器。起初, 我们以为激光器失效是由于腔面发生了突然光学灾变(COMD)。然而, 通过EL实验, 发现其中一部分激光器腔面没有任何损伤, 而内部发生了突然光学灾变(COBD), 为工艺的进一步改善指明了方向。对90只发生COD的激光器进行EL成像, 发现暗线缺陷(DLD)起始于腔面或是激光器内部。DLD是严重的非辐射复合区, 通常沿着有源区延伸出几个分支, 造成激光器功率急剧下降。详细分析了不同COD模式的特征并进行了对比。并进一步分析了两种典型COD模式发生的原因, 然后给出了抑制COD和提高大功率半导体激光器性能的建议。

电流的侧向限制对半导体激光器具有重要意义，在半导体激光器有源区加入侧向限制结构一方面可以实现侧向限制，另一方面可以在一定范围内降低阈值电流密度。但是常规的侧向限制方法无论是侧向波导结构还是浅隔离槽结构都无法高效地抑制电流的侧向扩展。设计了新型的深隔离槽结构，利用Comsol软件仿真模拟侧向限制，发现深度超过外延层厚度的深隔离槽结构能更有效地提高电流的注入效率。在工艺中利用感应耦合等离子体刻蚀在距离脊型台两侧100 μm的位置刻蚀深度为4 μm的深隔离槽。实验结果表明，工作电流为5 A时，腔长4 mm具有深隔离槽结构的半导体激光器芯片输出功率为 3.6 W，阈值电流为0.3 A,阈值电流密度为78.95 A/cm2。结果表明新型深隔离槽结构可以有效抑制电流的侧向扩展。

反射光损伤影响了大功率半导体激光器在工业加工中的进一步应用, 为了解决大功率半导体激光器工业应用中遇到的问题, 对大功率半导体激光器防反射光损伤技术的研究具有重要意义。利用半导体激光线偏振光的特性, 采用偏振分光镜和λ/4波片的组合装置, 实现大功率半导体激光器的主动防反射光损伤; 结合利用光电监测单元对反射光强度进行监测, 反射光强度高于损伤阈值时, 关闭激光输出, 实现被动防反射光损伤, 研制出了既具有主动防反射光损伤功能又具有被动防反射光损伤功能的防反射光损伤装置, 可应用于工业加工用的大功率半导体激光器中。

数值分析了大功率半导体激光器模块的散热特性及温度场, 以及焊料、热沉、导热胶和冷水板温度等参数对芯片内部最高温度的影响。结果表明, 焊料厚度小于 24μm 时, 其导热系数对芯片内部最高温度影响较弱, 无高阻层形成; 芯片内部最高温度随着热沉长或宽尺寸及导热系数的增大, 呈指数形式下降, 随着热沉厚度的增大呈对数形式升高; 当导热胶导热系数大于20W/(m·K)、厚度小于30μm时, 芯片温度趋于稳定; 冷水板温度与芯片内部最高温度呈比例系数为1的线性相关性。根据分析结果提出了激光器封装部件的尺寸、导热系数或材料的设计和选择原则。

激光器是理想的电光直接转换器件, 延长半导体激光器的使用寿命, 提高半导体激光器的可靠性, 是大功率半导体激光器的研究热点。文中采用温度应力加速和电流步进应力两种老化方法对808 nm的大功率半导体激光器进行老化试验, 得到寿命分别为1 682 h和1 498 h, 实验结果基本一致, 并在显微镜下观察破坏性老化试验之后的器件, 分析得到失效原因主要来自腔面退化、焊料退化和欧姆接触不良。

激光器工作时由于存在各种非辐射复合损耗和自由载流子吸收等损耗机制, 使注入到器件中的部分电功率转换成热耗散在激光器内, 直接影响激光器的效率和寿命, 因此散热处理一直是一个引人注意的焦点。采用微通道载体解决大功率半导体激光器阵列连续工作时散热问题, 通过ANSYS软件模拟优化结构参数, 实验测得了大功率半导体激光器阵列热阻。