高功率、高光束质量半导体激光

**章 高功率、高光束质量半导体激光的科学意义与价值 半导体激光器是以半导体材料为工作物质的激光器。半导体激光器常用的工作物质有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铝镓（AlGaAs）等。半导体激光器的激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器的工作原理是通过一定的激励方式，在半导体材料的能带（导带与价带）之间或半导体材料的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射。电注入型边发射半导体激光器分为同质结、单异质结、双异质结、量子阱、量子点、量子级联等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器在室温下可以实现连续工作。 半导体激光（semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。经过不断创新，后来陆续开发出双异质结激光器、单量子阱激光器和多量子阱激光器。20世纪的双异质结激光器、量子阱激光器和应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。半导体激光器采用量子阱和应变量子阱结构后，出现了许多性能优良的器件，如各类量子阱激光器、应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器和高功率半导体激光器阵列等，实现了高功率输出。 与其他激光器相比，半导体激光器具有效率高（达到70%）、体积小（体积＜1cm3）、质量轻（100W 激光芯片重仅数克）、寿命长（数万小时）、波长丰富（可见光至红外光任意波长输出）、直接电驱动等优点。对半导体激光的初期研究主要集中在如何提高功率，主要通过增加条宽提高单元功率，再二维集成提高输出功率。但是功率提高后，会导致光束质量下降，使其只能作为全固态激光器的泵浦源间接应用，直接应用仍然受限。研究人员逐渐认识到半导体激光器的光束质量是与功率同等重要的参数，如何获得高功率、高光束质量半导体激光器是国际半导体激光科学的研究前沿，高功率、近衍射极限单元器件及合束光源成为半导体激光技术领域的重大挑战。为此，美国、欧盟、日本等相继进行了相关专项的部署。 **节 半导体激光学科在整个科学体系中的地位 激光是20世纪以来继原子能、半导体、电子计算机之后人类的又一重大发现。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。历经50余年的发展，半导体激光技术作为一个世界前沿的研究方向，得益于国际科技突飞猛进的进步，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步受到世界各国的高度关注和重视，不仅基础科学研究领域不断深入、科学技术水平不断提升，而且应用领域不断拓展、应用技术和装备层出不穷、应用水平获得较大幅度提升。半导体激光在世界各国的信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用[1]。图1-1显示了半导体激光技术在各领域应用中的重要性。可以看出，半导体激光技术在材料处理加工领域的应用占比接近25%，其次是在测量分析、医疗、交通运输和机械工业和城建领域，再其次是在信息通信和国防安全领域。半导体激光器技术在图中所示的国民经济的8个领域都占有重要的地位。 当前，国际上半导体激光的发展正处于新的快速发展时期，而我国的激光科学技术基本保持了与国际先进水平同步发展的态势。半导体激光技术随着社会生活的不断发展和产业经济结构的调整，除了在工业、农业、医疗等领域的应用外，也促进了其在交叉学科领域的应用发展。 图1-1 半导体激光技术在各领域的应用占比（%） 一、推动交叉学科的形成 激光技术出现后，拓展了它在医学和生物学领域[2，3]的应用，也在探测成像领域获得了广泛的应用。 （一）激光细胞工程学 生命现象是细胞存在的运动形式[4]，生命活动是以细胞活动为基础的。细胞生物学研究在生命科学研究中居于重要位置。从细胞生物学的发展历史来看，细胞研究方法和手段的不断创新推动了生命科学研究发展到一个新的高度。20世纪60年代迅速发展起来的激光新技术为细胞生物学研究提供了崭新的实验方法和手段，在生命科学研究中已展现出诱人的应用前景。一门新兴的交叉学科—激光细胞工程学正在逐步形成。细胞生物学的研究方法大致可以分为形态观察、生化分析、生理测定、某些实验性技术四类，激光技术在其中大有用武之地。 （二）激光生物学 以生命科学研究方面的应用为例，激光生物学包括激光生物学本身的基础研究及由其派生出来的激光医学、激光遗传操作和激光生物技术等应用学科。近代激光生物学的成就已经证明，它在揭示生命现象的奥秘，改进生物学研究中的测试手段，促进生物化学与生物物理的发展，促进生物工程与遗传学的进步，促进药物学、农业科学、环境科学的发展等方面具有重要的应用前景。激光在农业方面的应用研究也在不断深入，在诱变育种、增强种子活力、促进生长发育、提高产量和品质、平地整地、提高节水灌溉能力、防治病虫害等方面发挥着越来越重要的作用。 （三）激光雷达科学 利用激光的高亮度和极好的方向性，人们做成了激光测距仪和激光雷达。激光雷达与激光测距仪的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动的目标。利用激光雷达又研发了远距离导弹跟踪和激光制导技术。这些技术在1991年的海湾战争中被投入使用。目前智能车和机器人系统中的激光雷达使用的光源都是半导体激光器。半导体激光器因其高效率、小体积和长寿命而成了现代成像系统中的首选光源。可以说，半导体激光器促进了导航型激光雷达的飞速发展。半导体激光器在三维成像领域也发挥了重要作用。例如，iPhone 8手机中的成像光源就是垂直腔表面发射半导体激光器。半导体激光器在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。 二、促进新型光学仪器的研发 激光技术出现后，从多个方面促进了新型光学仪器的研发[5]，同时把相干性和非线性引入光谱分析[6]，提高了光谱分析仪器的灵敏度，如分析灵敏度大幅度提高、光谱分辨率达到超精细程度、可以进行超快光谱分析。 （一）荧光寿命时间分布显微镜 将脉冲激光时间分辨、光谱分辨的高信息容量与二维显微成像相结合就可以构成全新的荧光寿命时间分布显微镜，可以观察物质的微观结构。特别是，通过选择激发方式可以研究细胞内 K+、Ca2+等特定物质的浓度分布及图像，从而通过计算获得待测物质具有极高信噪比的荧光寿命。 （二）激光拉曼光谱分析仪 激光拉曼光谱分析仪采用激光作为激发光源。激光光谱分析技术可以实现时间及空间的高分辨率研究。例如，对脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）、蛋白质、叶绿素等形成的络合物等样品进行的相关激光光谱的测定获得了有关分子结构、能量转移过程等的信息并可以诊断一些生物分子的瞬态过程，如光合作用等。这些信息是传统仪器无法获取的精准信息，对生命科学、材料科学的研究有巨大的推动作用。 （三）激光流式细胞仪 细胞在高速流动中受到激光照射时，在细胞内会产生前向散射，通过检测散射光的强度可以检测细胞的尺寸；侧向散射光强度能够用来评估细胞内结构的精细结构[7]；通过荧光标记来确定细胞内相关成分的含量；利用单克隆抗体的荧光标记可以确定细胞类型及表面特性。这种仪器测量的参数多、用途广泛，如癌细胞鉴别、白血病类型分析、免疫表型、药物分析及细胞生长指数测定等。激光流式细胞仪有两个发展方向：①多激光束、多参数、高灵敏度和高检测速率的大型仪器，能进行染色体的分析和分选。②适合临床使用的小型台式仪器，如使用空气冷却的小型氦离子激光器。如果将半导体激光的490nm 波段引入仪器，则激光流式细胞仪的微型化就能实现，而且工作寿命长，应用范围大大扩展，分析细胞学期待着更小、更合适的微型激光源改进分析细胞学的研究手段。 （四）共焦激光扫描显微镜 共焦激光扫描显微镜是分析细胞学的有力手段[1，2]，系统将显微镜、光度计和计算机图像处理系统结合在一起，以激光作为扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光搜集共用一个物镜，物镜的焦点即为扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。接收光路中使用空间滤波器，排除杂散光的干扰，提高了系统的分辨率。因此，共焦激光扫描显微镜的分辨率比普通显微镜的分辨率高。系统经一次调焦，将扫描限制在样品的一个平面内。调焦深度不一样时，可以获得样品不同深度层次的图像。这些图像信息都储于计算机内，通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各部分之间的定量关系及各种结构信息。这项技术广泛用于细胞内生化成分的定量、钙离子的分布、光密度统计及细胞形态的定量研究。 三、激光技术对物理学发展的促进作用 激光技术对物理学的发展有极大的促进作用[8]。超精细程度可以进行超快光谱分析，同时把相干性和非线性引入光谱分析，也使得光谱分析用的光源波长可调谐。 （一）激光计量技术 在计量基准中引入激光技术。1889年，国际计量大会将米原器定为长度基准；1960年，改为氪（Kr）-86灯，精度提高100倍；1983年，又改为稳频激光器的频率，精度再提高一倍。现在已用激光来定义时间和质量自然基准，还有可能用激光技术来定义温度、光度等物理量的基准。 （二）非线性科学的发展 在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象被称为线性光学现象。非线性光学现象虽然早就被发现，但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科是从激光出现后才开始的。激光介入后，人们迅速发现了大量非线性光学效应。非线性光学效应研究从固体扩展到气体、原子蒸气、液体、液晶等，由二阶效应发展到三阶、五阶乃至更高阶效应，同时研制出各种非线性晶体、有机非线性材料和非线性光学元器件。这些效应只有在入射光的强度足够大时才会出现。高功率激光发明后，在激光与物质相互作用中观察到的非线性光学现象有频率变换、拉曼频移、布里渊散射和自聚焦等[9]。 （三）激光全息术 全息术是1947年底伽博（Gabor）为了提高电子显微镜分辨率而提出的设想，并于次年用汞灯首次获得了全息图及其再现像。1971年，他因此获得了诺贝尔物理学奖。然而，由于光源相干性的限制，全息术在20世纪50年代进入低潮。激光的出现为全息术的发展开辟了广阔前景。如今，全息术已在三维图像存储和再现、防伪、检测、干涉量度等领域广泛应用，全息存储也呈现美好前景，全息光学元件被广泛使用。 激光还在物理学与其他基础科学的交叉学科（如化学物理学、生物物理学）研究中发挥了巨大的推动作用[10]。以激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究的工具等。 （四）激光测距技术助力对地球和宇宙空间的研究 超远程高精度激光测距使测距方法更先进、准确、快速。利用高精度测距仪，人们积累了大量数据，用于改进地球重力场模型，研究地球大陆板块漂移、极移、固体潮，还用于研究宇宙膨胀过程中内在重力是否减弱；在月