近十年来，随着工业制造、国防科技及前沿科学研究对高能激光系统的持续需求，作为关键泵浦源的GaAs基高功率边发射半导体激光器实现了跨越式发展。在功率密度、电光效率、光束质量与光谱控制等核心指标上不断突破极限，推动光纤激光器、固体激光器和碱金属蒸气激光器等系统向更高性能迈进。四川大学教授、长光华芯首席技术官王俊团队近期系统梳理了该领域近十年的技术演进路径，揭示了从材料生长到模块集成的全链条创新成果，为下一代高功率半导体激光器的研发提供了重要参考。
材料与制造工艺革新：迈向规模化与高一致性
高功率半导体激光器的性能根基在于高质量外延材料的稳定量产。金属有机物化学气相沉积（MOCVD）凭借其优异的均匀性与可扩展性，已成为工业级激光芯片生产的主流技术。近年来，II-VI公司与长光华芯等领先企业相继实现6英寸GaAs晶圆的大规模生产，片内波长标准差低至0.56 nm，衬底翘曲控制在20 km⁻¹以内，炉次间温度波动仅±2 ℃，显著提升了产品一致性和良率。
与此同时，关键工艺技术持续优化。低电阻隧道结、高应变量子阱与低缺陷再生长技术的应用，有效提升了器件的载流子注入效率与热稳定性。为应对日益增长的芯片需求与成本压力，行业正加速向更大尺寸晶圆与全自动制造平台转型。SVTA、RIBER、VEECO等国际厂商及长光华芯等国内企业已开发出具备自主知识产权的真空解理、腔面钝化与离子清洗设备，实现了从外延到封装的全流程可控生产。
功率与效率双突破：结构设计与低温应用并进
功率输出与电光转换效率是衡量激光芯片性能的核心指标。通过非对称波导结构的设计优化，研究人员成功实现了内损耗与串联电阻的协同降低。2006年，Crump等人首次在980 nm单管器件中实现室温下76%的峰值效率；2020年，Fujikura公司进一步将9xx nm波段器件的工作效率提升至70%@20 W。
在低温条件下，效率潜力被进一步挖掘。Crump团队于2006年在-50 ℃下实现975 nm巴条85%的峰值效率，并于2025年提出新型芯片结构，有望使室温效率逼近80%。对于7xx–808 nm波段器件，受限于材料增益与载流子限制能力，效率提升更具挑战。2024年，Wang等人采用GaAsP量子阱替代传统AlGaInAs材料，在780 nm器件中创下71%的室温峰值效率新纪录。
功率提升方面，研究聚焦于增强散热能力。通过延长腔长（如5.1 mm）、增加条宽（如320 μm）或采用多结结构，器件最大输出功率显著提高。2025年，Ermolaev等人优化温度特性后，975 nm芯片输出达52 W；同年，Wang团队研发的500 μm条宽双结激光器实现132.5 W直流输出，峰值效率仍保持70%。
高亮度与光谱控制：迈向衍射极限与精准锁定
为满足高亮度应用需求，研究人员在模式调控方面取得显著进展。通过阶梯金属微热通道、电流阻挡层与氧离子注入等技术，有效抑制热透镜效应与侧向载流子堆积。2023年，Liu等人在230 μm宽器件中实现38 W输出时侧向亮度超3.5 W/(mm·mrad)；Kanskar团队则利用减模技术，在17 W输出下实现慢轴亮度达4.0 W/(mm·mrad)。
锥形半导体激光器成为实现近衍射极限输出的重要路径。2017年，杜维川与Müller团队分别报道集成DBR的锥形激光器，近衍射极限输出功率突破10 W。
在光谱控制方面，内置光栅波长锁定技术日益成熟。浅光栅DFB结构降低了光学损耗与电阻，2012年Schultz等人实现12 W@100 μm、60%效率的输出；2024年，Kanskar开发出22 W@980 nm的宽条波长锁定芯片。针对7xx波段，Zhu等人通过改善光栅材料质量，使DFB激光器在室温下输出超10 W@195 μm。表面光栅DBR技术则简化了工艺流程，Elattar等人在873 nm器件中实现27.2 W输出，反射率达95%。
模块化集成：从单管耦合到高亮度合束
单管光纤耦合模块因其结构紧凑、冷却高效，已成为光纤激光泵浦的主流选择。过去十年，芯片发光区宽度从75 μm扩展至320 μm，模块功率由百瓦级跃升至当前1900 W@300 μm水平，大幅降低了系统成本并提升了亮度。
波长锁定模块在紫外固体激光与碱金属泵浦中发挥关键作用。长光华芯2024年推出325 W/200 μm的888 nm VBG波长锁定模块，助力高功率紫外皮秒激光发展。Tobias团队结合VBG与闭环温控，实现430 W@780 nm、谱宽<0.1 nm的窄线宽输出，满足碱金属吸收需求。
面向“瞬时启动”等高能激光应用场景，基于片上波长锁定芯片的模块成为新热点。nLight于2024年报道>600 W@220 μm的光纤耦合输出，波长锁定时间缩短至毫秒级。
光谱合束技术则实现了千瓦级高亮度直接半导体激光输出。美国Teradiode公司采用多通道巴条合束方案，产品光束质量（BPP≤4 mm·mrad）媲美工业光纤与碟片激光器。Yu等人基于单管光谱合束，实现2.1 kW@100 μm、效率53%的直接输出，兼具高可靠性与高集成度。
展望未来：从并跑到领跑的中国力量
在中国激光加工市场高速增长与国家重大战略需求的双重驱动下，以苏州长光华芯为代表的本土企业迅速崛起，联合中科院半导体所、长春光机所、中国工程物理研究院等科研机构，构建起产学研深度融合的技术生态。我国高功率半导体激光器技术已实现从“跟跑”到“并跑”的跨越，在部分领域达到国际领先水平，尤其在批量制造能力上处于全球前列。
展望未来，行业将继续沿着精细化、体系化、多指标协同优化的方向发展，加速国产化替代进程，巩固并扩大在国际竞争中的技术优势，为高端制造、能源、通信与国防安全提供更强有力的光源支撑。
