光學災變損傷
光學災變損傷（ catastrophic optical damage，COD ）或災變性光學鏡面損傷（ catastrophic optical mirror damage，COMD ）是高功率半導體激光器的一種失效模式。當半導體PN結因超過其功率密度而過載，並吸收過多產生的光能時，就會導致雷射端面的半導體熔化和重結晶，通常俗稱為「二極管燒斷」。受影響的區域包含大量晶格缺陷，對其性能產生負面影響。如果受影響的區域足夠大，則可以在光學顯微鏡下觀察到雷射面變暗以及裂縫和凹陷。損壞可能發生在單一雷射脈衝內，時間在數十內，導致COD的時間與功率密度成反比。
光學災變損傷是半導體激光器性能提升的限制因素之一。這是AlGaInP/AlGaAs紅色激光器的主要失效模式。 [1]
短波長激光器比長波長激光器更容易受到COD影響。
工業產品中 COD 的典型值範圍為12~20 MW /cm 2 。
原因和機制
在二極管雷射發射光的邊緣，傳統上透過切割半導體晶片以形成鏡面反射平面來形成鏡子。與其他晶面相比，III-V族半導體晶體（例如GaAs 、 InP 、 GaSb等）中的[110]晶面較弱，從而促進了這種方法的發展。晶圓邊緣的刮痕和輕微的彎曲力會導致近乎原子級完美的鏡面解理面形成，並在晶圓上沿直線傳播。
但碰巧的是，解理面上的原子態由於該面上完美週期性晶格的終止而發生了改變（與晶體內它們的體積特性相比）。解理面處的表面狀態具有在半導體帶隙（否則禁止）內的能級。
吸收的光導致電子空穴對的產生。這些可能導致晶體表面化學鍵斷裂，隨後氧化，或通過非輻射複合釋放熱量。然後，氧化表面對雷射的吸收增加，這進一步加速了其降解。對於含有鋁的半導體層來說，氧化尤其成問題。[2]
本質上，當光傳播通過解理面並從半導體晶體內部傳輸到自由空間時，一部分光能被表面態吸收，在表面態中通過聲子-電子相互作用轉化為熱。這會加熱裂開的鏡子。此外，鏡子可能會發熱，因為二極管雷射（電泵）的邊緣與提供散熱路徑的安裝座接觸不那麼完美。鏡子的加熱導致半導體的帶隙在較溫暖的區域收縮。帶隙縮小使更多的電子帶間躍遷與光子能量對齊，從而導致更多的吸收。這就是熱失控，一種正反饋形式，其結果可能是刻面熔化。
雷射端面因老化和環境影響（水、氧氣等侵蝕）而惡化，會增加表面的光吸收，並降低COD閾值。在使用數千小時後，雷射可能會因COD而突然發生災難性故障。 [3]
改進
提高AlGaInP激光器結構中COD閾值的方法之一是硫處理，即用硫族化物玻璃代替激光端面的氧化物，[4]以降低了表面態的複合速度。[2]
降低表面態複合速度也可以通過在超高真空中分裂晶體並立即沉積合適的鈍化層來實現。[2]
另一種方法是表面摻雜，增加帶隙並減少激光波長的吸收，將吸收最大值向上移動幾納米。 [2]
通過防止在鏡區域附近注入電荷載流子，可以避免鏡區域附近的電流擁擠，通過將電極沉積在遠離鏡子至少幾個載流子擴散距離來實現的。 [2]
通過採用加寬光腔波導可以降低表面上的能量密度，因此相同量的能量透過更大的面積射出。對應現在可以實現每微米條帶100 mW的寬度，能量密度為15~20 MW/cm2 。更寬的雷射條紋可用於更高的輸出功率，但代價是橫模振盪，從而導致光譜和空間光束品質惡化。 [2]
在20世紀70 年代，這個問題對於發射0.630~1 µm波長之間的GaAs雷射來說尤其令人煩惱（對於用於長途電信的InP基雷射器來說，情況較小，其發射波長介於1.3~ 2 µm）。新澤西州普林斯頓的RCA實驗室大衛沙諾夫研究中心的研究員、後來的副總裁 Michael Ettenberg 設計了一個解決方案。在刻面上沉積了一層薄氧化鋁。如果氧化鋁厚度選擇正確，它可以起到抗反射塗層的作用，減少表面的反射，減輕了刻面的加熱和COD。
從那時起，還採用了各種其他改進。一種方法是創建一個所謂的非吸收鏡 (non-absorbing mirror，NAM)，使得最後10 µm在從解理面發出的光在想要的波長處變得不吸收。這種雷射稱為窗口雷射。
20世紀90年代初，SDL, Inc.開始提供具有良好可靠性特性的高功率二極管雷射。執行長 Donald Scifres和首席技術長David Welch在當時的SPIE Photonics West會議等會議上展示了新的可靠性績效數據。SDL用於擊敗COD的方法被認為是高度專有的，並且截至2006年6月仍未公開披露。
20世紀90年代中期，IBM研究中心（瑞士Ruschlikon）宣佈其已設計出所謂的「E2 工藝」，該工藝賦予GaAs雷射非凡的抗COD性能。截至2006年6月，此過程也從未被揭露過。
相關
2013年高功率二極管激光器COD研究生論文 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
參考
- ^ [1] 互聯網檔案館的存檔，存檔日期February 13, 2006，.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Roland Diehl. High-power diode lasers: fundamentals, technology, applications. Springer. 2000: 195. ISBN 3-540-66693-1.
- ^ Dan Botez, Don R. Scifres. Diode laser arrays. Cambridge University Press. 1994: 314. ISBN 0-521-41975-1.
- ^ Kamiyama, Satoshi; Mori, Yoshihiro; Takahashi, Yasuhito; Ohnaka, Kiyoshi. Improvement of catastrophic optical damage level of AlGaInP visible laser diodes. Applied Physics Letters. 1991, 58 (23): 2595. Bibcode:1991ApPhL..58.2595K. doi:10.1063/1.104833.