文章综述了现有高功率半导体激光器（包括单发射腔、巴条、水平阵列和垂直叠阵）的封装技术，并讨论了其发展趋势；分析了半导体激光器封装技术存在的问题和面临的挑战，并给出解决问题与迎接挑战的方法及策略。
高功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、性能稳定、可靠性高、寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的产品，被广泛应用于工业、军事、医疗和直接材料处理等领域。组成大功率半导体激光器的基本单元是单发射腔或单阵列（单阵列由多个单发射腔线性排列而成）。图 1、图2分别是单发射腔半导体激光器和单阵列半导体激光器的发光示意图。
图1：单发射腔半导体激光器发光示意图
图2：高功率单阵列半导体激光器发光示意图
对于半导体激光器而言，输出功率、转换效率和可靠性是描述器件性能的三个主要参数。随着芯片制备技术的成熟、成本的降低以及性能的提高，半导体激光器出现了新的发展趋势，主要有高输出功率、高亮度、无铟化封装、窄光谱和低“smile”效应。下面将介绍现有高功率半导体激光器的封装技术与发展趋势，以及其存在的问题、面临的挑战和相应的解决方案与应对策略。
高输出功率
许多新的应用领域要求半导体激光器具有更高的输出功率。增加输出功率主要有两种方式：1、改进芯片生长技术，增加单发射腔半导体激光器的输出功率。2、提阵列高半导体激光器发光单元的个数，从而提高输出功率。为进一步提高光输出功率，可以采用多种封装技术，其中包括多单管模组、水平叠阵、垂直叠阵、面阵。
单发射腔：单发射腔半导体激光器最大光输出功率受限于灾难性光学腔面损伤（COMD）或Thermal Rollover现象，其输出功率与这两个参数的关系如图 3所示。COMD产生的主要原因是由于光吸收和非辐射复合导致的腔面过热而使腔毁坏。目前发展了一些新技术能很好地克服COMD，从而提高输出功率，例如腔面钝化、非吸收镜面和非泵浦窗。Thermal Rollover现象是由于产生的热量高于制冷装置能够冷却的热量，通常此时在腔内将累积大量热量，使腔内的温度显著上升。为了避免Thermal Rollover现象产生，应尽量降低器件的热阻。增加腔长和增大发光区宽度能够明显地降低热阻，因而单发射腔半导体激光器的腔长越长，其输出功率越高。随着COMD和Thermal Rollover现象的改善，输出功率5～8W、波长808nm和输出功率8～12W、波长9xxnm，发光区宽度分别为200μm和100μm的单发射腔半导体激光器，已获得广泛应用。
图3：单发射腔半导体激光器光输出功率与驱动电流之间的关系示意图
单阵列：为增加芯片的输出功率，将单发射腔排成一维线阵集成为阵列，此结构通常称为巴条，其结构如图 2所示。最常见的巴条封装结构包括传导冷却型CS封装和微通道液体制冷型封装两种，它们的结构分别如图 4（a）和（b）所示。根据填充因子和腔长的不同，连续波条件下阵列半导体激光器输出功率可高达上百瓦。为保证商业产品的可靠性，通常市场上使用的半导体激光器的填充因子为20%或30%，波长808nm，输出功率60W，采用传导冷却方式；对于更高填充因子的单阵列半导体激光器，输出功率可高达80～100W。对于输出功率为100W的巴条，通常采用液体制冷。图5给出分别采用传导制冷和微通道液体制冷的商用单阵列半导体激光器的功率-电压-电流与光谱特性曲线。
图4：阵列激光器实物图。（a）：单阵列传导冷却封装（b）：单阵列微通道液体制冷封装带有准直（右图）和不带准直（左图）。
图5：商用的典型的功率-电压-电流与光谱曲线。（a）：传导冷却型（b）：液体制冷型
提高阵列半导体激光器输出功率所面临的主要问题就是热管理和热应力管理[1]。热管理包括散热系统的设计和“无空洞”贴片技术：对于单阵列半导体激光器，由于阵列半导体激光器各个发光单元产生的热量相互干扰，以及整体散热不均匀，导致器件性能稳定性降低，限制功率上升；如果贴片层中存在空洞，将明显影响阵列半导体激光器的性能，包括输出功率和可靠性等。尽管针对热管理已提出了多种散热方式，例如金刚石传导散热和微通道散热技术，如何提高散热效率仍然是阻碍阵列半导体激光器高功率输出的主要因素。现已有两种降低贴片层中的空洞的方法：一种是在合理控制环境温度和压力的情况下使用贴片技术；另一种方法是真空回流技术。热应力通常是由于阵列激光器和衬底的热膨胀系数（CTE）失配所导致。热应力不仅限制了用于封装的衬底材料/热沉的选择，而且影响半导体激光巴条的可靠性、光谱宽度和光束的“smile”效应。为了减小热应力，目前正在研制高热传导率和热膨胀系数更加匹配的衬底/热沉材料。
多单管模组：虽然在近几年单发射腔激光器的输出功率有所提高，但总体而言其输出功率依然较低，采用多单管组合的方式是增大输出功率的另一途径。图6给出了多单管模组的示意图。图中各个独立的发光单元采用串联连接，并将模组各个单个发光单元的输出光束通过光学系统会聚后，耦合入光纤输出。采用多单管模组，各个发光单元之间没有热干扰，且各个发光单元的输出功率互不影响。但采用光学系统进行光束会聚和光纤耦合时，存在光能量损耗。市场上多单管模组的输出功率已达到数十瓦甚至上百瓦。
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