半导体激光器的研究始于20世纪60年代。1962年，美国科学家Hall首次研制成功了第一代半导体激光器——低温脉冲工作的GaAs同质结激光器，由于只能在液氮温度下脉冲工作，难于实用化，但它为半导体激光器的研制和开发利用奠定了基础。
从液氮温度下到室温下连续工作，从单异质结到双异质结，半导体激光器逐渐迈入了新时期。再之后随着能带工程理论的引用，新材料、新结构、新工艺的不断问世及发展，新制备出的量子阱激光器、垂直腔面发射激光器各方面的功能特性有了很大程度的提高，同时实现了高功率输出。
在欧美等国大力研发的情况下，半导体激光器器件结构理论的研究日益深入，材料制备工艺也逐渐成熟，尤其在材料外延生长技术、腔面钝化技术、芯片结构的优化技术和器件封装等方面都实现了显著的提高。因此，半导体激光器的应用已遍及通信光源、光陀螺、光存储以及激光雷达等方面。
本文从半导体激光器的输出功率、转换效率和可靠性3个方面，总结了目前市场上的主流技术、技术最高值、代表厂商和产品，旨在供同行交流和参考。
半导体激光器的
输出功率
目前国际上大功率半导体激光器的标准封装形式主要有单管、线阵、迭阵这3大类。而围绕半导体激光器性能方面的提升首先考虑的通常是功率，其他指标例如高转化效率、高可靠性、高光束质量都是在功率提升之后逐步改进的，继而实现对大功率激光器整体功能特性的完善，方便其在各个领域中的更新换代。
单管输出功率
Alfalight公司在2010年采用SE-DFB技术研制成功的半导体激光单管连续输出功率可达73 W，峰值脉冲功率超过300 W。
美国Axcel Photonics生产的808 mm的半导体激光器单管，腔长2 mm，发光单元宽度为400 μm，连续输出功率达到 29 W。
美国nLight公司生产的885 nm单管激光器，其峰值输出功率超过25 W（额定功率12 W），转换效率超过60%。
德国Ferdinand-Braun-Institut生产的980 mm 的半导体激光单管，它的发光单元宽度为96 μm，连续输出功率达到20 W，工作4000小时后无损坏。
激光器线阵输出功率
由于单个半导体激光器的腔体发光面积较小,其输出功率最高只能达到几十瓦，因此要实现更高量级的激光输出，通常采用阵列式构造，实现多个激光器单管的组合。可根据需要达到的功率要求将成千上百个单管平行排列，构成一个Bar条，即线阵半导体激光器。
如表1所示，半导体激光线阵的输出功率增加在10年增长了近3倍。
表1 半导体激光器bar条输出功率
美国Spectra-Physics的940 nm波长单激光线阵结构将65个填充因子为83%、腔长5 mm、125 μm 条宽的激光单元以150 μm为间隔集成在一个标准厘米线阵上在水温5℃单边冷却散热的情况下可以达到640 W；而若采用双边冷却散热方式，连续功率可以实现1010 W的输出。同时该激光线阵相同的结构在波长980 nm和808 nm分别实现功率950 W和800 W连续激光输出。
激光器迭阵输出功率
为了提高半导体激光器的功率输出，一方面可将若干个单管激光器芯片集成，形成激光器Bar条。同时，还可以将多个Bar条堆叠起来形成二维面阵，激光器面阵的光功率可以达到几十千瓦乃甚至几百千瓦。
德国Laserline公司在激光器迭阵中采用了激光合束技术，许多款大功率半导体激光器已经投入商用，主要参数如表2所示。
表2 德国Laserline公司的半导体激光器
迭阵合束光源参数
德国Dilas公司通过采用11×8个单元（每个单元25个bar）的二维列阵结构，制备了波长为 941 nm，脉冲输出功率为 264 kW的半导体激光器列阵。该公司的产品已经广泛应用于工业加工、国防、医疗以及科研等各个领域。
半导体激光器的
效率
评价半导体激光器的一项指标是电光转换率。通常来讲，进入材料的那一部分能量都转化为有用的光了，而剩余的大部分通常会以热的形式残留在设备中。对于一个给定的能量源来说，高效率可以获得更多的有用输出，产生的废热也会更少，这就意味着可以使用更为环保经济的冷却系统。
效率高的激光器设备产生较少废热的同时也意味着整个设备的温度较低。而较低的工作温度也保障了更长的工作寿命，因为半导体组件的降解速率是会随着温度的上升以指数的形式升高的。
相对来说，更低的废热产生也意味着激光器可以输出更高的功率。高质量低缺陷的激光器可获得的峰值功率是会受到热效应影响的，也就是说它的峰值功率只会在给定的特定温度才能实现。低废热的话意味着激光器可以在达到给定温度之前尽可能提高输出功率。
总而言之，半导体激光器的电光转换效率十分重要，尤其是在需要高输出功率的工业、医疗和军事领域的应用。同时，半导体激光器在不断追求高功率的同时也试图在更加宽阔的波段领域寻求突破。
表3列举了市场上应用最为广泛的波长在800-1000 nm的半导体激光器近年来的最高输出功率、转换效率和工作温度。
表3 半导体激光器Bar条输出功率及转化效率
半导体激光器的
可靠性
目前，随着工业加工、国防安全等领域对于半导体激光器的功率要求日益提升，半导体激光器的发展进入了快车道，单管输出功率已超千万，阵列式激光器的输出功率亦水涨船高，同时电光转化率也突破80%。但与此同时，激光器功率的急剧上升也会给其带来可靠性水平的下降，造成工作寿命缩短。因此，国内外学者对于如何保证高功率的同时进一步增强其可靠性与寿命展开了深入的研究工作。
在通信光存储等领域，单管激光器的工作时间可超百万小时，而线阵半导体激光器的寿命则降低到1-3万小时，而多个bar条组成的半导体激光器阵列更是降低了好几个数量级。
考虑到整体激光器系统的体积，阵列中各个激光发射单元的排布较为紧密，带来高功率激光输出的同时也为系统的散热带来了诸多问题，在连续大电流工作时，各个发光单元产生的热量分别累计相互影响，从而产生热量梯度，因此常常会造成烧孔、电热烧毁和端面灾变性损伤。
与此同时，各单元紧密的排列在提升了系统整体结构的复杂性的同时，也对激光器件的整体封装技术提出了挑战。由于封装工艺不到位引起的焊料空洞、引线脱落等都对激光器的可靠性带来巨大的潜在影响。
解决这些问题一般通过以下方法:
提高晶体生长质量、改进制备工艺和封装技术、增大光斑尺寸、优化传热结构和散热方法等。
近年来，由于半导体激光器转换效率的提高以及封装散热工程的改进，半导体激光器单管报道的最长寿命很多已达到十万小时以上，线阵的可靠性也有了非常明显的提高。半导体激光器高的电光转换率可能会在重量、空间以及电能吃紧的领域产生新的用途。高的电光转换效率可以降低内部工作温度也因此会减轻折射率分布产生的热效应。
全固态激光器
近来发展迅速
全固态激光器全称为半导体激光器抽运的固态激光器，是以半导体激光器或者半导体激光器阵列作为抽运源，掺入金属离子的晶体或玻璃基质作为增益介质的激光器装置。因此，从某种意义上来讲，全固态激光器综合了半导体激光器和固体激光器两者的优点。
基于其自身的优势以及巨大的市场潜力，在欧美等国的努力研发下，辅之以相干合成和热容技术，目前全固态激光器输出平均功率均已超过万瓦，可用于工业加工和国防安全领域。国内对于全固态激光器的研究受限于早期大功率激光器抽运源禁运，起步较晚，但近来发展迅速。
半导体抽运碱金属
蒸汽激光器
半导体抽运碱金属蒸汽激光器（DPAL）属于非全固态激光器，工作物质为碱金属原子饱和蒸汽，与气体激光器一样，通过外层价电子能级跃迁来实现激光输出，由于集合了气体和固体激光器的长处，系统散热好、转换效率高，市场应用前景巨大。
目前，人们对DPAL的功率定标放大能力开展了系统深入的研究，并于近期成功实现了高效的千瓦级连续输出，正处于功率提升的关键发展时期。
国内对于半导体抽运碱金属蒸汽激光器的研究大多还处于理论研究阶段，浙江大学、北京工业大学以及深圳大学都开展了相关方面的研究工作。而国防科技大学在2009年首次完成了半导体抽运铷蒸汽激光器的出光实验，也是国内对于该领域研究的一项重大突破。
总结
目前各类激光器的发展水平迅速，其中商业应用较为广泛的大功率激光器型号如表4所述。
表4 各类商用大功率激光器发展水平
激光领域已经为人类结出许多硕大的科研果实。然而，众多新技术、新工艺、新产品接连问世的同时，各类激光器的性能也存在着或多或少的不足与缺陷，大功率激光器的快速发展和广泛应用还面临着诸多难题。
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