高功率半导体激光器封装技术（上）

过去20年间，半导体激光器在医疗、工业和通信领域得到广泛应用，为第五代通信技术和先进制造业提供了革命性的强大平台。半导体激光器因其体积小、重量轻、可靠性高、调制便捷等优势而日益普及。

然而，受限于激光二极管的发射机制，其光束质量较差，无法直接应用，需通过光束整形技术处理。但多光束整形光学元件的封装常因对准偏差而存在风险，光学器件的错位误差会对激光性能造成重大隐患。随着半导体激光器功率的逐步提升，热管理技术的要求也日趋严格。

为此，本文首先综述了半导体激光器阵列的光束整形技术；其次，分析并总结了阵列半导体激光光学器件对准偏差的影响，并提出可行解决方案；最后，对高功率半导体激光器的热管理研究进展进行了归纳。本文旨在帮助读者全面、广泛地理解半导体激光封装的技术难点，并认知相应的解决对策。

 

1.引言：半导体激光器的应用与挑战

自20世纪60年代第一台半导体激光器问世以来，高输出功率、高可靠性和小型化始终是半导体激光器的发展目标。经过40年发展，其性能已得到显著提升。高功率半导体激光二极管（HPLD）逐渐成为现代激光材料加工、激光再制造、医疗及国防安全等领域的核心部件。图1展示了半导体激光器的不同应用场景及对应参数。

在光电领域，半导体激光器已成为现代通信技术的主流，是光纤通信系统中唯一实用的光源。此外，半导体激光器被广泛应用于光盘存储，其存储密度远超传统存储方式。远红外可调谐半导体激光器的光谱分析技术，可用于环境气体分析和大气污染监测。半导体激光器还普遍应用于激光报警器、激光打印机和激光电视等领域。

 

图1：半导体激光器的应用统计

在材料加工领域，千瓦级高功率半导体激光器已在金属切割领域得到成熟应用。在汽车工业的金属焊接工艺中，它能实现高速、高质量的焊接成型。激光熔覆是半导体激光器的另一项优势应用，可减少粉末掺杂并降低热输入，从而进一步提升熔覆工艺的经济效益。

在医疗领域，半导体激光器可用作激光手术刀实现精准高效切割，其创口愈合速度较传统手术刀更快。它还应用于选择性光热疗法，该技术通过纳米材料标记肿瘤细胞，再利用半导体激光产生局部高温实现精准肿瘤治疗。同时，在整形外科、眼科和理疗等医疗领域，半导体激光器的应用同样表现出色。

 

图2：激光二极管阵列的发光机制与固有缺陷：(A)激光二极管光场分布示意图；(B)双方向光学参数失衡与像散现象；(C)激光二极管阵列发光状态。

在军事领域，半导体激光器可用于激光制导、激光测距、激光雷达乃至高能激光武器。其体积小、功率高、效率好以及优异的红外波段隐蔽性，使之成为最具竞争力的军用激光光源。

半导体激光器的应用日益广泛，这也对其输出性能提出了更高要求。目前市场上常见的高功率半导体激光泵源主要有两种类型：单发射型和巴条发射型。然而，由于光束质量较差，这两种类型都难以直接满足应用需求。如图2所示，其快慢轴方向的光学参数不平衡，且存在固有像散，光束远场分布呈椭圆形光斑，难以直接耦合进光纤应用。对于半导体激光二极管阵列（LDA）而言，这一问题更为突出。

随着应用领域的日益精细化，对激光功率和光束输出质量的要求进一步提升。千瓦级高功率半导体激光器的需求快速增长，而无论是单管发射源还是巴条发射源都无法单独实现如此大的功率输出。因此，通常需要以阵列形式对光源进行叠加来提升输出能量。

对于单管阵列半导体激光源，通常采用多个发射器水平排列的封装形式；而巴条阵列半导体激光源则多采用多个巴条纵向堆叠的封装方式。无论采用何种封装形式，就泵浦光源的发光机制而言，都需要先对光束进行准直，以压缩快轴和慢轴方向的发散角。

对于单管阵列半导体激光器，还需通过光束整形将多路光束合成为一束；而对于巴条阵列半导体激光器，则需通过分束与重组技术来平衡光束在两个方向上的光学参数。只有通过光束整形技术，使泵浦光的光斑尺寸和发散角满足高效耦合进光纤的条件后，才能进一步投入应用。

针对不同的光源参数，光束整形光学器件的表面形状和封装位置需进行专门设计。采用衍射极限公差设计制造的光束整形器件可忽略表面公差的影响，但在装配载荷、温度变化或结构应力作用下导致的光学器件失准问题，仍不可避免。

这些光学器件的失准会引起光斑尺寸、发散角乃至光路等光束参数的改变，可能导致整形效果无法达到预期，严重影响激光器的输出性能。半导体激光器不仅需要实现高功率输出，其紧凑型结构和轻量化设计同样是关键技术要求，这无疑给激光散热技术带来了更大的压力。

由于激光的热电效应和光束热辐射作用，多千瓦级激光器难以维持良好的工作温度。高温环境会严重影响高功率阵列半导体激光器的阈值电流、电光转换效率、中心波长、输出功率及使用寿命。此外，前文提及的光学器件失准问题多数也由激光器高温引发。因此，要保障激光器的高性能输出与高可靠性，必须为高功率阵列半导体激光器配备先进的散热解决方案。

 

2.光束整形技术研究

前文分析表明，半导体激光器存在光束质量差、发散角大及远场不对称等问题，需通过光束整形技术改善后方可投入应用。下文首先详细综述光束准直技术的研究进展，继而分别针对单管阵列半导体激光器与巴条阵列半导体激光器，系统归纳其对应的光束合成、分束与重塑方法的研究成果。

● 2.1光束准直技术
一般来说，半导体激光器的准直过程分为两个步骤：首先沿快轴方向进行准直，随后沿慢轴方向准直。最常用的快轴准直镜（FAC）主要包括“D”型柱面透镜、“O”型柱面透镜和反“D”型柱面透镜。慢轴准直镜（SAC）的工作原理和表面形状与FAC类似，区别在于其用于压缩慢轴方向的光束，这使得SAC的尺寸和安装方向与FAC有所不同。两种透镜都需要根据具体应用场景优化尺寸和曲率半径，以实现最佳光束准直效果。

除常规柱面镜外，近年来不断涌现的新型准直器件不仅具备更优的准直效果，同时兼具制造与封装优势。有学者提出了一种低成本非球面准直镜制备方法：通过在特殊设计的基板上滴加紫外（UV）固化负性光刻胶，利用静电力控制液滴表面形态，最终固化形成符合设计要求的理想透镜结构（其制备原理如图3A所示）。该非球面准直器可将光束快轴方向发散角压缩至3mrad，且生产成本显著降低。

 

图3：创新型准直器件：(A)UV固化胶准直器的制备工艺；(B)椭球面准直透镜的模型与封装形式；(C)基于分区数目的可变曲率半径慢轴准直镜

有的研究团队开发了一种环氧树脂椭球面准直镜（如图3B所示），该器件能有效校正辐照度分布，将光束快轴发散角压缩至1°以内。其创新性在于可直接集成于激光二极管上进行封装，不仅简化了制造工艺流程，更使整形系统体积得到显著优化。

其他研究团队创新性提出了一种适用于半导体激光巴条的可变曲率半径慢轴准直镜（SAC）设计方法（如图3C所示），该技术可将慢轴发散角压缩至6mrad。此新型SAC的核心优势在于其参数自适应特性——相较于针对特定光源设计的传统准直镜，该器件能适配不同光源参数，在显著拓展应用范围的同时有效降低制造成本。

 

图4：集成化准直透镜方案：(A)快慢轴准直镜一体化光学器件；(B)单透镜双方向光束发散角准直方案；(C)巴条光束双方向发散角准直透镜组

集成化准直器件研究取得重要突破，可实现半导体激光器快慢轴光束同步准直，大幅简化准直系统结构并降低透镜封装复杂度。其中，有研究团队创新开发的阵列半导体激光集成准直器（结构如图4A所示），通过将快轴准直镜（FAC）阵列与慢轴准直镜（SAC）阵列融合为单一光学组件，有效解决了传统阵列激光光束整形系统透镜数量过多的问题，使封装误差发生概率显著降低。

还有研究团队采用飞秒激光直写技术研制出双轴双曲面微型准直器（结构如图4B所示），该创新设计通过单片透镜即可实现单发射极激光光束的快慢轴同步准直。实验表明，该器件能分别将快轴发散角从60°压缩至6.9mrad，慢轴发散角从9°压缩至32.3mrad。此项技术具备三大优势：其一，制造工艺简单；其二，避免光束在多重准直镜间的多次反射与吸收损耗；其三，进一步降低了封装误差率。

另外，研究团队研发的半导体激光二极管阵列准直器（结构如图4C所示）创新融合了上述两项技术优势，通过单片阵列式双轴双曲面准直镜即可实现阵列光束的整体准直。该设计从根本上解决了传统准直系统存在的封装误差问题，其技术突破主要体现在以下三个方面：首先，将快慢轴准直功能集成于单一光学元件；其次，采用阵列化设计实现多光束同步处理；最后，通过曲面优化设计显著降低光学损耗。

● 2.2单发射极阵列半导体激光器的光束合成技术
为在保证高输出功率的同时维持高亮度输出，高功率单发射极阵列半导体激光器需将多光路合成的光束尺寸最小化。为此，光束整形系统通常采用空间合成、偏振耦合及光纤束技术，将多路光束叠加合成为单一光束。有研究团队创新性地采用阶梯式排布设计，将多个单发射极光源集成为紧凑型单元。

 

图5：(A)基于单管器件的空间-偏振复合光束合成系统；(B)56单元单管阵列光源的光束合成系统

研究团队采用11面反射镜与偏振合束器构成的合成系统，将10个同构发射极的阵列光束合成为单一光束（结构如图5A所示）。经汇聚系统压缩光斑尺寸后，最终实现光纤耦合输出。由50个发射极组成的激光系统可输出1900W功率，并能高效耦合至500μm芯径光纤。

还有研究团队基于相似原理设计的高功率单发射极阵列激光模块（结构如图5B所示），通过偏振合束将56个发射极分为两列集成。光束经望远镜系统对称化处理后，由多片式物镜最终聚焦，其输出功率可达500W，耦合光纤芯径200μm，光电转换效率超过60%。

●  2.3巴条阵列半导体激光器的光束合成技术
与单发射极泵浦源不同，巴条泵浦源在快慢轴方向的光束参数积（BPP）存在近1400倍的差异。为改善其光学性能，第一阶段需将准直后的巴条光束分割为N个子光束，经旋转重组后，快轴方向BPP增大N倍，慢轴方向BPP减小N倍，从而实现光学参数平衡（整形原理如图6A所示）。

遵循这一技术路径，多种光束重组技术相继涌现。有研究团队开发的阶梯式微型分束透镜（原理如图6B所示），可在不损失亮度的前提下将200W光束耦合至300μm光纤。其他研究团队创新性地提出了一种基于积木式阶梯棱镜的分割重组系统设计方案（结构如图6C所示），该系统由梯形棱镜与平行四边形棱镜组构成，成功将8条巴条光束耦合进200μm光纤，实现272 W输出功率与85%的耦合效率。

有研究团队设计的合成系统（结构如图6D所示）融合偏振合成与空间重组技术，成功将1 kW光束耦合至365μm光纤。该系统由条纹反射镜板、阶梯反射镜及偏振合束组件构成。对此，其他研究团队采用偏振合束器使两个巴条堆叠激光模块在慢轴方向的束宽减半，随后通过石英片堆栈重组快轴光路以消除光束间隙。该设计最终实现12个巴条发射的激光耦合至800 μm光纤，耦合效率达87.5%，输出功率突破1400 W（光束分合系统工作原理如图6E所示）。

 

图6：(A)光束分束重组原理图；(B)微台阶镜分束重组系统的侧视与俯视图；(C)梯形棱镜光束压缩原理图；(D)1000W级光束整形系统示意图；(E)双堆叠激光器1400W功率光束合成示意图

● 2.4光束整形技术研究总结
光束整形技术的发展，有力推动了阵列半导体激光器的性能提升。通过整形技术实现的千瓦级、百微米光纤输出激光，显著拓展了激光应用的功率上限；而高耦合效率输出则在保证可靠性的同时降低了系统能耗。然而，为维持优异光束质量，系统仍不可避免地需要集成大量整形器件。尽管学界已致力于简化整形器件的结构与数量，但目前收效尚不显著。多光学器件的封装不仅增大了激光系统体积，限制了部分场景应用，更在封装过程中引入了额外的对位误差风险（该问题将在下节详述）。由此可见，光束整形系统的优化仍任重道远。

 

3.光学器件对准偏差研究

如前述，封装过程中的对准偏差不可避免。每增加一个光束整形光学器件，其对准偏差风险将显著提升。本章旨在系统阐述该领域研究现状，使读者充分认识对准偏差影响的严重性：首先介绍半导体激光器对准偏差的类型与特征；继而综述阵列半导体激光光学器件对准偏差影响的研究进展；最后探讨降低对准偏差影响的可行性方案。

●3.1光学元件失调类型
对于光学器件，失调可分为三类：旋转失调（也称为倾斜）；光轴线性偏移（即偏心）；沿光轴线性偏移（即离焦）。如图7A所示。当聚焦光束照射在倾斜平板上时，光束焦点位置将在Y轴和Z轴上偏移。Y轴偏移量为d，Z轴偏移量为g（即像散）。像散量g的大小主要取决于聚焦光束发散角u和平板偏移角θ。

偏移量d的大小还取决于平板的厚度和折射率。聚焦透镜的倾斜会导致彗差（coma），这将显著增大光斑尺寸。偏心是指激光光轴与透镜光轴之间的平行相对位移。与倾斜类似，偏心同样会引起像彗差，并使光束偏离光轴。光学元件的偏心会直接导致聚焦光束无法耦合进光纤，从而降低耦合效率。

离焦是指探测器或透镜在光轴方向上的偏移，导致探测器与光学整形器件之间的轴向相对距离发生变化，从而造成图像模糊和光斑尺寸增大，无法获得预期的光学效果。这些对准偏差会引发像差、像散和畸变等光学性能问题，最终导致光学系统性能下降。

●  3.2不同光学元件失调的影响效应
前文已使读者了解光学器件各类失调导致的光学现象及其对光学特性的影响。本节将综述不同激光光学元件（包括准直器、反射镜、会聚透镜及光纤等）的失调对激光输出性能影响的研究成果，具体内容如下所述。

光束整形过程通常首先进行准直，再实施后续整形操作，因此研究准直器失调影响具有重要意义。有研究团队通过仿真分析研究了堆叠式半导体激光器快轴准直镜（FAC）与慢轴准直镜（SAC）失调的影响，结果表明：FAC在Y轴方向的线性误差与X轴方向的旋转误差对耦合效率的影响最为显著。

其他研究团队对准直器失调影响进行了定量研究。结果表明：当快轴准直镜（FAC）在Y轴方向出现4μm线性偏移时，光学耦合效率将下降80%；若FAC在X轴方向存在0.5°的旋转偏差，则会导致耦合效率降低40%。研究团队还运用ABCD矩阵法则，推导出准直器失调对激光强度分布影响的评估方程。

韦斯特法伦团队基于波动光学理论建立了光束传输模型，通过该模型推导出快轴准直镜（FAC）失调对激光光束近场与远场功率密度分布特性畸变的影响规律。基于此模型及影响关系，研究人员开发出FAC自动对准算法。实验表明：采用该自对准算法后，FAC工艺性能提升70%，线性失调量小于0.8μm，角度失调量低于0.01°。

反射镜与会聚透镜在激光光束合成和光斑尺寸压缩中起关键作用，其精密对准同样至关重要。针对反射镜，有研究团队采用矩阵方程法分析了反射镜失调的影响，并推导出失调量与光束尺寸的定量关系。基于此研究成果，严氏团队通过实验研究了阵列半导体激光器反射镜失调对耦合效率的影响。实验数据显示：反射镜旋转失调对耦合效率影响尤为显著，0.5°的旋转偏差即可导致耦合效率下降95%。

针对会聚透镜，有研究团队通过仿真分析了透镜失调对耦合效率的影响。结果表明：Y轴方向的线性失调影响最为显著，Z轴方向次之，旋转失调影响最小。其他研究团队进一步研究发现，会聚透镜在Z轴方向1.5 mm的线性失调会使光斑圆度下降50%。为降低会聚透镜失调的影响，法达利团队设计了一种新型会聚透镜组，即使在1-4 mm失调范围内仍能实现激光的高效耦合。

●  3.3降低失调影响的可行性探讨
如前所述，半导体激光光学器件的失调主要由封装误差、温度变化或结构应力引起。由于人工操作因素的影响，封装误差不可避免，降低该风险的途径在于减少封装元件数量；而结构应力则与光束整形器件的结构尺寸和重量相关。基于这两方面要求，首选的可行性方案是采用衍射光学设计光束整形器件以减少封装误差。

传统光束整形器件主要基于折射和反射原理设计，其组件大多结构简单但重量较大。而基于衍射光学设计的整形透镜采用微电子加工技术，通过在光学材料基底表面蚀刻不同深度的浮雕微结构，这些微结构能调制入射光场的振幅或相位，从而呈现多样化的光学特性。相较于传统光学塑胶透镜，衍射整形元件具有轻薄特性，更适应当前光学系统小型化、高集成度和阵列化的需求。通常，单个衍射整形元件即可同步实现多个传统整形透镜的功能。

理论上，衍射光学元件可实现任意非规则曲面透镜设计，突破传统玻璃器件的理论极限，实现传统光学难以达成的功能，是一种极具应用前景的激光光束整形技术。然而，其固有缺陷也不容忽视：光学器件的设计优化难度显著增加，且受当前工艺水平限制，尚无法制备出理论上可实现任意波前变换的高效光束整形元件。

通常，半导体激光器的光学整形器件均采用UV胶进行粘合封装。当激光器工作时，激光芯片的温度会使光学器件急剧升温，UV胶通过热传导和热辐射发生形变，从而导致光学器件发生偏移。因此，第二种可行方案是通过降低UV胶的热变形来减少光学器件的偏移偏差。根据热膨胀原理可知，物体受热时会产生膨胀现象。

然而，由于UV胶与光学透镜的热学性能存在差异，这将产生较大的热应力，进而导致热应变。因此，可以尝试通过添加石英颗粒或其他热膨胀系数接近透镜的微纳米材料来改变UV胶的热学性能，使透镜与UV胶具有相近的热学特性，从而降低热应力及偏移问题。不过，该可行性方案目前仍仅为理论假设，其实际效果尚未通过实践验证。相比之下，考虑通过降低高温的产生来减少偏移更为现实。下文将综述学者们在半导体激光器热管理研究中所做的努力。（未完待续）

作者：中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室、湖南先导集团股份有限公司

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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