江苏激光联盟导读：

高功率二极管激光器可能是将电能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率应用）的最有效方法。

图1低功率和中功率GaN激光二极管的应用:近眼投影，舞台照明，前灯和投影。右图:TO包装中的蓝色激光器(来源:Osram)

高功率二极管激光器可能是将电能用于材料加工（如焊接、切割、焊接或其他高功率应用）的最有效方法。虽然红外激光器是50多年前发明的，在工业上已经使用了20多年，但GaN高功率激光器直到最近才被用于材料加工，尤其是铜的焊接和钎焊。尽管在后一种应用中，蓝色波长比红外波长具有独特且无可争议的优势，但仍有一些困难需要克服。本文概述了GaN激光器的发展步骤，从其商业化初期作为蓝光播放器中的1兆瓦光源，到今天的1.5千瓦系统。此外，还将解释达到40%功率效率的重要调查，以及达到65 khr或更长寿命的考虑因素。还根据与红外激光二极管的比较，对未来的发展进行了预测。

上世纪70年代，二极管激光器首次在红外光谱范围内广泛应用于CD播放器。类似地，30年后，GaN激光二极管首次广泛应用于405 nm蓝光播放器。这些应用要求地面模式下的输出功率低，光束质量好。此外，在低输出功率范围内，AR、VR的近眼应用中，MR设备需要用于红光、绿光和蓝光的单模式激光器。这些激光模具通常相当小。

用于单模发射的激光芯片如图2所示。它包含GaN衬底、包含发光量子阱层（<10 m厚）的外延层、波导层、电流分布层和金属触点。芯片设计还必须支持接地模式操作，并且其结构使接地模式的增益减去损耗高于高阶模式，以实现接地模式操作。

图2中描绘了典型的LIV曲线。可以看出，对于436nm的低功率激光器，可以实现低至6mA的阈值电流。在24 mA的工作电流和4.1 V的电压下，可以获得10 mW的输出功率。这相当于约10%的效率。非常低的阈值电流很重要，因为这些设备需要在非常高的脉冲频率下工作，因此它们通常总是偏置在阈值电流附近。通过将反射镜的HR侧和AR侧的反射率分别设计为99%和90%，可以达到较低的值。测距或调平应用通常需要输出功率更高的单模激光器。高功率单模激光器的LIV曲线如图2所示。可以看出，蓝色和绿色激光二极管的阈值分别为11 mA和30 mA，在130 mA和290 mA时分别达到100 mW的输出功率。这种更高的工作电平与更高的阈值电流直接相关，因为它是通过谐振器AR侧较低的反射率增加镜损耗而实现的。

图2激光二极管示意图(左)，低阈值的LI曲线(中)和大功率单模二极管的LIV曲线。

1–10 W范围内的激光二极管通常用于红外能量传输或低功率焊接应用。随着时间的推移，用于更高输出功率的设备和封装得到了发展。每个光源随时间的输出功率如图3所示。对于红外激光器，在1980年左右实现了1W，并在2008年稳步增加至约100W，现在已达到每1cm激光棒1kW，或在大批量生产的商用系统中超过300W（连续波或硬脉冲）。同样对于GaN激光二极管，有许多应用需要不同的输出电平。这如图3右所示。如今，一位数瓦特级别的激光器用于照明（通过泵送转换器将激光管芯的450 nm转换为所需颜色或白光）或舞台和表演照明。要求功率在10 W范围内的汽车前照灯如今通常用于高端车辆。未来的应用，如商业环境或电影院中的投影，在每个封装约100 W的功率水平下开始变得有趣，甚至在不久的将来，切割、焊接和焊接等材料加工方法也将成为可能。对于这些应用，需要1千瓦及以上的功率水平。对于红外激光器和激光系统，半导体芯片的开发花费了几十年时间，但封装技术、材料和光学元件也必须改进，以便能够配置多千瓦系统。

图3红外GaAs和可见光发射GaN基半导体激光器芯片和封装输出功率的开发。

对于GaN来说，电源应用的开发始于2000年之后。这方面的进展比红外技术更快，因为为红外技术开发的许多构件也可用于450纳米系统。虽然红外激光器最初的谐振腔长度为300µm，发射器较窄，模具较小，但现在它们的谐振腔长度已达到4至6 mm，在10 mm宽的激光棒中填充系数达到70%或更高。如今的GaN激光器远远没有这些设计特点。

当观察一些材料参数时，这种差异的原因变得可以理解。表1比较了一些特性。第一个最明显的区别是带隙。GaAs的红外带隙约为1.42eV，GaN的高带隙约为3.42eV。当人们需要不同的波长时，这种差异是不可避免的。p型掺杂的活化能、空穴迁移率、光在激光谐振腔中的吸收系数和特征温度T0都有进一步的技术影响。

表1 GaAs和GaN材料参数的比较。

由于高活化能，只有一小部分掺入的镁实际上起到掺杂剂的作用，导致许多镁原子扰乱晶格并增加吸收，但不会提高载流子密度和导电率。在砷化镓中，碳常被用作p型掺杂剂。这是100%离子化的，这意味着包含的所有碳都有助于实现高掺杂和低电阻。类似地，GaAs中的空穴迁移率大约是GaN中的两倍，导致更低的电阻率，因此更低的电损耗，即使在GaAs中的C杂质密度低于GaN中的Mg杂质密度的情况下也是如此。

GaN基激光二极管的最佳谐振腔长度为1.2/cm，相比于高功率GaAs激光器的小于0.5/cm，因为它们的吸收更高。这些都使得描述阈值电流随温度变化的T0值很低。在GaAs高功率激光器中，当工作温度越高时，阈值电流的增长速度越快、幅度越大。GaAs和GaN两种器件的高T1值表明，斜坡效率对温度的依赖性很小。两者共同描述了GaN激光二极管对更高的工作温度反应更敏感，在给定的工作电流下，输出功率随温度下降得更快。

一开始就必须克服一些非常基本的问题，才能制作和操作GaN棒。由于激光棒是非常大的设备，因此必须保证基板的低缺陷密度。此外，还必须提高外延层的结晶质量。长期以来，人们认为制作激光棒是不可能的，因为GaN是一种位错密度高于GaAs的材料。据推测，单一发射极故障将导致灾难性故障，正如过去观察到的GaAs激光棒故障一样。由于工作电压也取决于温度，一根棒上一个发射极的低效运行会影响到邻近的发射极，因此必须通过尽可能多地对单个发射极进行热解耦来防止热失控。所有这些都使GaN激光棒的实现成为可能。

在图4中，显示了相同谐振腔长度的蓝色激光棒和红外激光棒的LI、UI和WPE过工作电流曲线。在左边的图片时,输出功率85 W的蓝色条50岁的远高于红外激光(47 W),但很明显，这只是由于更宽的带隙，并导致4.1 V的工作电压远高于红外激光条的1.5 V。这导致在50 a时，壁塞效率较低，仅为40%而不是>60%（图4右图）。

图4 LI, UI和效率超过电流的蓝色和红外激光棒。

对于红外二极管来说，过去几年的策略是降低吸收，增加填充因子增加接触尺寸，增加谐振器长度，并通过降低电阻率进一步降低欧姆损耗。商业应用中cw运行的高输出功率>300W是当今最先进的技术。相比之下，氮化镓激光器不能用长谐振腔，而器件中的光吸收很高。同样，填充因子不能增加，因为这会导致高阈值电流。因此，必须进一步改进不同的材料参数，才能实现更多的设计机会。

目前，用于450 nm发射的GaN激光器的填充系数低于10%(以保持低阈值电流并允许有效冷却)，谐振器长度可达1200µm，以避免吸收导致的低斜率效率。它们安装在水冷式微通道冷却器上，在热滚转前可输出功率107w以上，峰值效率约为44%(图5左)。如图5所示，AlGaInN的材料组合提供了调节不同发射波长的可能性，这是波长复用的要求。

图5 1 cm激光棒450 nm的LI和WPE曲线[6](左)，不同工作电流下不同波长的激光棒光谱[5](右)。

如今，与基于GaAs的红外激光光源的可比系统相比，基于GaN的用于发射450 nm光的激光二极管仍然表现出较低的效率和较低的总输出功率。此外，由于组件更昂贵，而且这种新型材料系统的产量较低，生产成本仍然高得多。然而，它们具有独特的优势，即一些材料吸收红外光相当差，而对蓝光或紫外光的吸收很好，如图6所示。

图6铜、铜、金、金的吸收光谱。

有几家公司已经成功地将发射波长为450 nm的氮化镓激光二极管整合到输出功率超过1 kW的系统中。这些激光器是专为使用蓝光超强吸收的重型材料加工而设计的。在一些应用中，所有的蓝色和混合系统已经证明了它们比纯红外系统更好的性能。可以预见，随着成本的稳步降低，输出功率和效率的提高，越来越多的系统将使用GaN二极管作为它们的光源。

来源：Blue High-Power Laser Diodes–Beam Sources for Novel Applications, Photonics Views, DOI:10.1002/phvs.202000018

参考文献：T. Hager, U. Strauss,C. Eichler et al.: Power blue and green laser diodes and their applications, Proc. SPIE 8640, 864015 (2013).