光学灾变损伤
光学灾变损伤（ catastrophic optical damage，COD ）或灾变性光学镜面损伤（ catastrophic optical mirror damage，COMD ）是高功率半导体激光器的一种失效模式。当半导体PN结因超过其功率密度而过载，并吸收过多产生的光能时，就会导致激光端面的半导体熔化和重结晶，通常俗称为“二极管烧断”。受影响的区域包含大量晶格缺陷，对其性能产生负面影响。如果受影响的区域足够大，则可以在光学显微镜下观察到激光面变暗以及裂缝和凹陷。损坏可能发生在单一激光脉冲内，时间在数十内，导致COD的时间与功率密度成反比。
光学灾变损伤是半导体激光器性能提升的限制因素之一。这是AlGaInP/AlGaAs红色激光器的主要失效模式。 [1]
短波长激光器比长波长激光器更容易受到COD影响。
工业产品中 COD 的典型值范围为12~20 MW /cm 2 。
原因和机制
在二极管激光发射光的边缘，传统上透过切割半导体芯片以形成镜面反射平面来形成镜子。与其他晶面相比，III-V族半导体晶体（例如GaAs 、 InP 、 GaSb等）中的[110]晶面较弱，从而促进了这种方法的发展。晶圆边缘的刮痕和轻微的弯曲力会导致近乎原子级完美的镜面解理面形成，并在晶圆上沿直线传播。
但碰巧的是，解理面上的原子态由于该面上完美周期性晶格的终止而发生了改变（与晶体内它们的体积特性相比）。解理面处的表面状态具有在半导体带隙（否则禁止）内的能级。
吸收的光导致电子空穴对的产生。这些可能导致晶体表面化学键断裂，随后氧化，或通过非辐射复合释放热量。然后，氧化表面对激光的吸收增加，这进一步加速了其降解。对于含有铝的半导体层来说，氧化尤其成问题。[2]
本质上，当光传播通过解理面并从半导体晶体内部传输到自由空间时，一部分光能被表面态吸收，在表面态中通过声子-电子相互作用转化为热。这会加热裂开的镜子。此外，镜子可能会发热，因为二极管激光（电泵）的边缘与提供散热路径的安装座接触不那么完美。镜子的加热导致半导体的带隙在较温暖的区域收缩。带隙缩小使更多的电子带间跃迁与光子能量对齐，从而导致更多的吸收。这就是热失控，一种正反馈形式，其结果可能是刻面熔化。
激光端面因老化和环境影响（水、氧气等侵蚀）而恶化，会增加表面的光吸收，并降低COD阈值。在使用数千小时后，激光可能会因COD而突然发生灾难性故障。 [3]
改进
提高AlGaInP激光器结构中COD阈值的方法之一是硫处理，即用硫族化物玻璃代替激光端面的氧化物，[4]以降低了表面态的复合速度。[2]
降低表面态复合速度也可以通过在超高真空中分裂晶体并立即沉积合适的钝化层来实现。[2]
另一种方法是表面掺杂，增加带隙并减少激光波长的吸收，将吸收最大值向上移动几纳米。 [2]
通过防止在镜区域附近注入电荷载流子，可以避免镜区域附近的电流拥挤，通过将电极沉积在远离镜子至少几个载流子扩散距离来实现的。 [2]
通过采用加宽光腔波导可以降低表面上的能量密度，因此相同量的能量透过更大的面积射出。对应现在可以实现每微米条带100 mW的宽度，能量密度为15~20 MW/cm2 。更宽的激光条纹可用于更高的输出功率，但代价是横模振荡，从而导致光谱和空间光束品质恶化。 [2]
在20世纪70 年代，这个问题对于发射0.630~1 µm波长之间的GaAs激光来说尤其令人烦恼（对于用于长途电信的InP基激光器来说，情况较小，其发射波长介于1.3~ 2 µm）。新泽西州普林斯顿的RCA实验室大卫沙诺夫研究中心的研究员、后来的副总裁 Michael Ettenberg 设计了一个解决方案。在刻面上沉积了一层薄氧化铝。如果氧化铝厚度选择正确，它可以起到抗反射涂层的作用，减少表面的反射，减轻了刻面的加热和COD。
从那时起，还采用了各种其他改进。一种方法是创建一个所谓的非吸收镜 (non-absorbing mirror，NAM)，使得最后10 µm在从解理面发出的光在想要的波长处变得不吸收。这种激光称为窗口激光。
20世纪90年代初，SDL, Inc.开始提供具有良好可靠性特性的高功率二极管激光。执行长 Donald Scifres和首席技术长David Welch在当时的SPIE Photonics West会议等会议上展示了新的可靠性绩效数据。SDL用于击败COD的方法被认为是高度专有的，并且截至2006年6月仍未公开披露。
20世纪90年代中期，IBM研究中心（瑞士Ruschlikon）宣布其已设计出所谓的“E2 工艺”，该工艺赋予GaAs激光非凡的抗COD性能。截至2006年6月，此过程也从未被揭露过。
相关
参考
- ^ [1] 互联网档案馆的存档，存档日期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. 引用错误：带有name属性“hpdl”的
<ref>标签用不同内容定义了多次 - ^ 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.