从半导体芯片高效泵浦到薄片激光尖端创新，高功率激光技术双轨突破

上周，二十届四中全会闭幕。会后发出的公报强调，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，坚持智能化、绿色化、融合化方向。其后首次提出要“保持制造业合理比重”，并构建“以先进制造业为骨干的现代化产业体系”。

近年来，国产激光技术快速发展，国内企业和高校院所也逐渐突破关键核心技术瓶颈，甚至在某些高精尖领域寻求突破和超越。本期内容延续上期，继续为大家带来2025第四届半导体光电及激光智能制造技术会议的精彩集锦。

攻克“卡脖子”难题，实现全链条自主
度亘核芯光电高级技术总监刘育衔在《高功率半导体激光芯片最新进展》报告中谈到，砷化镓（GaAs）基高功率激光器广泛应用于光纤、固体激光器泵浦、科研、医疗美容等领域，覆盖波长从650nm到1100nm。目前，行业应用对高功率半导体激光芯片的要求，无论是性能指标、可靠性，还是成本良品率等方面，都提出了更高的要求。

随着我国智能制造的发展，光纤激光器扮演了重要角色。作为为光纤激光器的核心泵源，9XX-nm高功率多模芯片广泛用于工业加工和激光泵浦的领域。其中，915nm波长对于掺镱光纤有比较宽的吸收峰，适合宽温区的工作，适用性较广，一直是工业加工的主流的波长。

976nm波长凭借较高的吸收效率，在万瓦激光激光器和高度激光器上发挥了电光转换效率高的独特优势。而940nm波长正好处于吸收峰的中间，可以实现非常宽的温区。在1550nm激光器车载雷达方面应用是十分有优势。

此外，高功率单模激光芯片还用于光信号的泵浦放大。以单模980nm为例，可以作为掺铒光纤放大器（EDFA）实现光信号放大，是实现全光网络的关键因素，也是我国在该领域遇到的“卡脖子”问题。

20年间，行业对于高功率半导体激光芯片的追求目标一直没变，包括效率、功率、亮度、偏振度、可靠性以及波长的稳定性等。对此，刘总表示，这一追求目标的核心不在于单一指标的提升，而在于多个指标的完美结合。只把功率做得更高，在实际应用中是没法得到广泛应用的。需要多项指标都能达到一个相对较高的水平，才能在此基础上实现较好的跨越，并在多种应用场合下实现应用。

当前，公司基于IDM平台，从芯片设计、外延生长、芯片制备、功能测试以及可靠性分析、失效分析等全链条的核心平台的建立，支撑起公司在理论研究和工程化实验的完美结合，催生了很多关键技术的快速发展。

对于激光芯片来说，最重要的一个性能指标就效率，因为效率越高代表废热越少，其他性能指标也会都得到加持。这方面有比较大的挑战，就是电光热之间有很多相互制约因素，要想实现三者的完美平衡就需要做细节上的多参量结构优化。其中，最核心的部分是外延结构的设计，因为外延结构涉及到材料的组分、厚度以及掺杂浓度等多项指标。通过引入新的自由度，消除强非对称设计导致的光限制因子极具下降的问题。

在耐高温性能方面，刘总以公司940nm芯片为例指出，其目标应用是在105℃车载雷达用，既要保证在高温情况下很好的工作，又要实现较好的高效率特点。通过细节的能带调控，实现了105℃/100μm调宽的小芯片，11.4W的高功率输出，同时保证了较好的电光转换效率。

在高功率多模激光芯片方面，刘总认为，976nm是一个很好的波段，因为吸收效率较高，对于光纤激光器来说属于首选。但它有一个比较大的问题，就是波长控制相对较难。吸收方式特别窄，所以需要很好的波长控制。其中的一个典型应用是手持焊，应用环境相对比较恶劣导致对976nm波段非常不友好。恶劣的应用环境导致吸收峰不能很好地匹配上，所以说目前主要都是用915nm泵源。

公司希望能把976nm芯片在很多场景上可以使用上，将其高吸收效率的特点发挥出来。衍生后可以实现更高的激光系统效率，同时减少光纤激光器的亮度亏损，获得比较好的这种非线性的阈值，使整个系统的稳定性和整体效率得到大幅提升。

公司推出的一款976nm LC单管芯片具备低温漂、宽温区、高温高效率和高侧向亮度的特点。通过对比传统976nm芯片可以发现，LC单管芯片的核心点是随着温度的增加，其温漂可以降低到前者一半的水平，对于976nm芯片应用提供了很大的容错空间。之后，刘总又相继介绍了公司在高功率单模芯片与模块系列产品，以及相应的产品应用和适用场景。

五大核心突破，为国产EUV光源奠定基石
来自中科院化学激光重点实验室的刘锐副研究员在《薄片激光技术研究进展》报告中提到，2014年以来，随着业界对于掺镱激光增益介质的逐步发展，并在2023年诺贝尔物理学奖颁给了阿秒激光的三位研究者。其原理是利用强的飞秒激光激发稀有气体，实现高速谐波产生阿秒。阿妙激光的高效发展，主要由于掺镱固体激光可以产生高的平均功率，高的控制功率以及少周期的脉冲宽度，可以应用于大科学装置中。

其应用范围，主要有工业、科学和国防领域。2023年，德国通快利用薄片激光实现了激光引雷的的实验，在军事上也有一定的发展潜力。在芯片制造上，目前比较卡脖子的技术就是EUV光刻机的光源技术。目前，光源主要是以二氧化碳激光，2000W甚至万瓦级以上的二氧化碳激光产生EUV光源。

未来的几年甚至十几年以后，利用超短脉冲脉实现EUV光源，是另外一种非常高效的方法，目前能够实现这种高能脉冲，需要千瓦级以上的功率水平，千瓦级的皮秒薄片激光是其中的最佳技术方案。比如北京的质子加速器应用，是在重复频率上达到千赫兹以上的重复频率，能量达到焦耳量级，才有可能进行实际的癌症治疗和大规模的医学应用。

当前，高能脉冲激光路线主要分为棒状激光器、光纤激光器、板条激光器和薄片激光器。其中，薄片激光器适用于超快激光，即高能的飞秒和皮秒激光，主要是由于换热效率比较高，通常晶体的厚度只有50~200微米的范围，然后热传导方向的话也是沿着一维的传导方向，换热效率也特别高。同时，它的激光面积也是达到了毫米量级。

当前，薄片激光涉及到5大关键技术，分别是超薄晶体的高质量封装、薄片晶体高效换热技术、泵浦光的匀化准直、多冲程泵浦模块设计、加工与装调以及超快超快高损伤阈值光学薄膜镀制。在晶体封装过程中，研究团队将增益介质封装在金刚石表面上，但由于金刚石是目前已知最硬的材料。

对此，团队对金刚石表面加工工艺的研究，研究碳键的高效活化与锻炼相关的机制。通过提升抛光中化学作业的占比，实现金刚石元件加工效率和表面质量的协同提升。口径50~100毫米的金刚石加工，可以实现面形精度小于等于波长的1/10，金刚石表面粗糙度小于0.5nm。

随着工艺的提升，如果要想实现千瓦甚至万瓦以上的激光输出，光束质量是一个很重要的前提条件。对此，研究团队利用活化键合的封装方式并利用晶晶键键合的机理，直接将晶体与金刚石进行连接，去除了中间层，实现更高功率的换热效率。与德国通快的商业化产品做对比，研究团队研制开发的薄片激光器的换热效率和功率密度，已经接近前者的水平。

在最后的总结环节，主讲人表示，目前在薄片激光技术上面，研究所克服了众多关键技术，实现了全产业链条发展和薄片激光模块的国产化。同时在薄片激光的再生放大以及多声放大上也进行了突破，实现了百瓦量级的再生放大，未来的话实现多层放大的千瓦级皮秒级飞秒激光。