七十年代后期, 人们提出了几十种条形结构方案, 终于解决了激光器的基横模运转问题。最初提出的是所谓增益导引条形结构, 如氧化隔离条形、质子轰击条形、平面条形等。在一定的泵浦条件下, 这些激光器都能以基横模运转。但是, 这类激光器还有两个缺点:一是在电流增加时, 由于增益烧孔效应, 功率-电流特性会出现非线性;二是有像散现象, 即x方向和y方向和束腰不在一个平面上, 这给应用带来了许多麻烦。后来又提出了折射率导引条形结构, 如隐埋条形、台阶衬底条形、沟槽衬底条形等等。这类激光器不存在像散现象, 并可在较大的电流范围内线性运转, 这又是一个重大的进步。
半导体激光器的光斑呈椭圆形, 这给应用带来了许多不便。为了改善这一性能, 人们除了在y方向做工作之外, 还在x方向寻求解决的办法, 例如在双异质结构中加一波导层, 成为大光腔激光器。为了进一步提高光功率, 人们在y方向上制作多个条形激光器, 构成所谓阵列。1978年, 贝尔实验室的D.R.Scifres等人首次研制成功了室温连续工作的锁相阵列半导体激光器。这种器件大大地提高了相干功率, 为高功率半导体激光器的研制开辟了一条新的途径。现在, 锁相阵列激光器的研究正处于高潮。把许多锁相阵列激光器合并在一起可构成激光棒, 一个1cm长的激光棒输出功率达到10W, 已有商品出售。再把若干个激光棒排列成二维阵列, 可以产生更高的功率。1993年推出了准连续输出峰值功率100W, 占空比为20%(平均功率20w)的1cm半导体激光器, 用这样的器件紧密形成的2cm2的阵列, 准连续输出功率达到5000W, 平均功率达200W。
八十年代初, MOVCD和MBE等先进的生长工艺的发展, 使人们考虑设计更高级的半导体激光器。当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长差不多(-10nm)时, 一个新的物理现象发生了, 这就是所谓的量子尺寸效应, 这一效应带来了全新的半导体激光器—量子阱激光器(QWL)。
从七十年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展。一类是以传递信息为目的的信息型激光器, 主要用于光纤通信、光存储、激光唱机等。这类激光器对功率的要求并不高,一般为几mW至十几mW, 但模式要好, 甚至要求动态单模, 寿命要长。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器, 它们主要用于固体激光泵浦等方面。
二、大功率半导体激光器件最新进展
作为半导体激光系统集成的基本单元,不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展,其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。
大功率半导体激光器件远场发散角控制
根据光束质量的定义,以激光光束的光参数乘积(BPP)作为光束质量的衡量指标,激光光束的远场发散角与BPP成正比,因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看,半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出,光束质量好,但发散角大,快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出,光束质量差,该方向发散角的减小直接提高器件光束质量,是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。