高功率密度激光二极管叠层散热结构的热分析

高功率窄间距列阵叠层是提高激光二极管泵浦源光功率密度的有效途径,而封装散热热沉的结构设计在其热管理上占据至关重要的作用。本文利用ANSYS有限元分析方法,对叠层间距、绝缘陶瓷厚度以及陶瓷底面与散热恒温面距离等几个影响高功率密度激光二极管叠层封装散热的重要因素进行了分析,得到器件的最高温度随结构参数变化的规律,并对上述参数进行优化。最后,利用优化结果设计出一种适用于高功率密度激光二极管叠层泵浦源的高效有源散热热沉结构,大幅提高了器件的散热能力,并降低了所需冷却水的水泵功耗需求。

半导体激光器光纤耦合输出光斑均匀性的研究

自行设计实验,采用CCD采集光纤末端输出的光斑,利用Matlab编写程序,分析了光纤输出光斑的光密度分布规律,并利用三维立体图进行直观表示。研究了光纤尺寸、数值孔径和弯曲程度对输出光斑均匀性的影响,结果显示,光纤越长,输出光斑越均匀;芯径与所用光源的尺度越接近,输出光斑越均匀;光纤弯曲后,光斑变得模糊化、均匀化,但光强变弱。

AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

为了提高半导体激光器件的可靠性,研究了AlN过渡热沉上AuSn焊料不同配比对半导体激光器器件性能的影响。利用MOCVD生长975nm芯片,通过对半导体激光器器件表面形貌、空洞、光谱特性、热阻特性以及寿命测试,Au组分比重低于72%的AlN过渡热沉封装器件表面颜色明显不同于组分相对较高的,空洞较多,平均波长红移约5nm,在寿命试验中过早失效,最终得出AuSn焊料中Au组分比重最好大于72%,小于80%,才能保证封装器件焊接质量,为实际生产和使用提供了指导意义。

Parylene膜对半导体激光器性能的影响

为了解决潮湿对半导体激光器的危害,采用真空气相沉积工艺制备了用于半导体激光器的新型保护膜,即聚对二甲苯(parylene)涂敷膜。探讨了工艺条件对N型和C型parylene薄膜质量的影响。分别使用椭偏仪、紫外分光光度计测试膜的吸收系数和反射系数,研究了parylene薄膜对半导体激光器出光性能的影响。在808 nm半导体激光器上涂覆厚度为1.65μm的parylene膜,24 h的湿热和盐雾环境实验结果表明,半导体激光器性能优于未涂覆parylene膜半导体激光器的性能。Parylene膜对半导体激光器起到了很好的保护作用,腔面基本完好,提高了半导体激光器的稳定性和可靠性。

大功率半导体激光器可靠性研究和失效分析

对自主研发的975 nm波长的COS封装的大功率半导体单管激光器进行了10,12,14 A的电流步进加速应力试验,应用逆幂律模型和指数分布的理论对试验结果进行了分析,计算出在8 A的电流下,器件的平均寿命为28 999 h。研究了器件的失效形式和老化前后的温升、偏振度的变化,结果表明:失效形式主要有体内退化、腔面退化、与焊接有关的退化;老化后的器件的结温上升增多,偏振度下降10%左右。

高功率半导体激光泵浦源研究进展

高功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的主要泵浦源。激光泵浦源性能的大幅提升直接促进了固体激光器、光纤激光器等激光器的发展。主要介绍了8xx nm和9xx nm系列半导体激光泵浦源的最新研究进展,8xx nm单管输出功率已达18.8 W@95μm,巴条输出功率已达1.8 kW(QCW),9xx nm单管输出功率已达35 W@100μm,巴条输出功率已达1.98 kW(QCW)。谱宽<1 nm的窄谱宽半导体激光器输出功率可达14 W。展望了未来半导体激光器泵浦源的发展趋势。

多孔阳极氧化铝膜的生长规律

采用2次阳极氧化的方法制备了多孔阳极氧化铝膜.主要研究了阳极氧化电压、电解液种类、阳极氧化时间和阳极氧化温度对多孔阳极Al2O3膜生长的影响.并通过扫描电镜观察了其表面结构.讨论了多孔Al2O3膜生长的规律.

高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。

三波长合束单管激光器光纤耦合模块设计

为了研究以单管半导体激光器为基本单元的高功率、高亮度波长合束光纤耦合模块,设计出新型光纤激光器泵浦模块,基于ZEMAX光学设计软件等设计了一种由30支单管半导体激光器组成、可输出3种波长光束的光纤耦合模块。将经快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦的光束耦合进入芯径105μm、数值孔径0.22的普通光纤,最终得到尾纤输出端高于357.91 W的输出功率,光纤耦合效率为99.42%,光功率密度为27.24 MW/cm^2-stras。为了验证模块的实际操作的可行性,分析了光纤端面法线与入射光束之间的夹角对耦合效率的影响,结果显示该夹角对模块的耦合效率影响较小。同时,应用ANSYS软件对模块散热情况的分析结果可知,模块散热性能良好。故该模块各项性能良好,可靠性较高,实现了高功率、高亮度、多波长的多单管半导体激光器光纤耦合模块的设计目的。

915 nm/974 nm单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计（英文）

为了突破多单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计过程中空间合束法遇到的合束功率及光功率密度无法上升的瓶颈,得到多单发射区半导体激光器光纤耦合模块更优参数的光束输出,同时完成单一激光器光纤耦合模块泵浦多种激光器的目标,结合ZEMAX光学设计软件及Solidworks工程设计软件设计并制作了一种由6支、可输出2种波长分别为915 nm及974 nm的单发射区半导体激光器组成的光纤耦合模块。该模块的实现过程包括微透镜光束快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦,最终耦合进数值孔径为0. 22、光纤芯径为105μm的普通光纤,测试结果表明该模块光纤输出光功率达到了46 W,2种波长均在光纤输出光束中检测到,且光纤耦合效率高于83%。使用ANSYS软件对模块进行散热分析,结果显示,模块正常使用后最高温升至37℃,在正常使用温度范围内,表明模块的散热性能良好,具备实际应用的可行性。

带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管

为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题,研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管,并对其性能进行了测试分析。首先,对于带有非吸收窗口的二极管,在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO_(2)组合介质层,在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO_(2)组合介质层,并采用875℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后,基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示,带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%,平均峰值输出电流提升约50.4%,腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低,且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明,采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口,对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。

808 nm宽条型激光器绝热封装改善慢轴光束质量（英文）

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角,改善慢轴光束质量,本文提出了一种新型的绝热封装结构,可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应,并基于傅里叶热传导方程,采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真,利用Fineplacet贴片机对808 nm In0.1Ga0.73Al0.17As/Al0.37GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装,采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%,且慢轴发散角随工作电流变化更稳定,相对应的光参数积BPP和光束质量因子M2也随之降低约33%和30%,芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小,绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化,输出功率降低约14%,光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。

管式炉中半导体激光器巴条Au80Sn20焊料封装研究

为了提高半导体激光器的封装质量和效率,引入管式炉利用夹具进行批量封装。由于封装质量的好坏直接影响半导体激光器的输出特性和使用寿命,利用MOCVD生长808 nm芯片,重点分析了管式炉温度和封装时间对半导体激光器巴条双面金锡封装质量的影响。利用X射线检测、结电压、光电特性参数和smile效应测试手段,确定了管式炉封装半导体激光器巴条的最优封装条件,为以后的产业化提供了指导意义。

高性能9xx nm大功率半导体激光器（英文）

为了改善9xx nm高功率半导体激光器的性能,对n包层和p包层的掺杂分布进行了调整,以减小激光器的内部损耗。同时为了减小有源区载流子的泄漏,在有源区和波导层之间引入了高能量带隙GaAsP。设计并制作了内部损耗为1.25 cm-1的高功率激光器。器件可靠性工作的最大输出功率为26.5 W。当输出功率为10.5 W时,最大电光功率转换效率为72.4%,斜率效率为1.16 W/A。

975nm分布反馈激光器一级光栅的制备

优化设计了975nm分布反馈激光器的一级布拉格光栅结构。将纳米压印技术与干法刻蚀工艺相结合制备周期为148nm的光栅结构,通过优化调整刻蚀气体流量比、腔室压强和偏压功率等参数,得到了合适的光栅刻蚀工艺参数。扫描电子显微镜测试显示,光栅周期为148nm,占空比接近50%,深度合适,表面形貌、连续性和均匀性良好。将所制备光栅应用于975nm分布反馈激光器中,激光器输出性能良好,波长随温度漂移系数小,光栅对波长的锁定效果良好。

碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究

为研究基于碳化硅(SiC)陶瓷封装的高功率半导体激光器的散热性能,将其与常用的氮化铝(AlN)陶瓷进行对比,使用基于结构函数法的热阻仪分别测量SiC和AlN封装F-mount器件的热阻值,得到SiC器件的总热阻约为3.0℃·W^(-1),AlN的约为3.4℃·W^(-1),SiC器件的实测热阻值比AlN器件低14.7%,实验结果表明SiC过渡热沉具有较好的散热性能。实验进一步测试了两种过渡热沉封装器件的输出性能,在16A连续电流注入时,915nm波段的SiC器件单管输出功率为15.9 W,AlN为15 W,测试结果显示SiC封装的器件具有更高的功率输出水平。

大功率半导体激光器封装热应力研究

利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics分别对不同厚度焊料以及不同厚度WCu次热沉封装的大功率半导体激光器巴条进行模拟。结果表明:无论是In焊料还是AuSn焊料,其最大热应力均产生于WCu次热沉与Cu热沉界面处;相同厚度In焊料和AuSn焊料封装的激光器管芯热应力分别为3.57 GPa和3.83 GPa,光谱峰值处波长分别为800.5 nm和798 nm;降低焊料的厚度,有利于减小激光器管芯内部的热应力和温度,但焊料厚度过薄,则可能会导致激光器管芯焊接不牢或焊料分布不均匀、焊料层内部出现空洞等现象,因此焊料厚度的选择应从整体进行考虑;随着WCu次热沉厚度的增加,激光器芯片受到的热应力变小,但管芯温度升高,WCu次热沉的最优厚度为380μm。本研究结果为优化设计大功率半导体激光器巴条的封装提供了依据,对实际生产具有指导意义。

砷化镓基近红外大功率半导体激光器的发展及应用

综述了世界各国近年来在大功率半导体激光器方面所取得的研究成果,重点介绍了砷化镓基近红外大功率半导体激光器在输出功率、亮度、电光转换效率、光束质量、寿命与可靠性方面的研究进展。结合目前市场分析,详细阐述了半导体激光器的应用前景,展望了未来大功率半导体激光器的发展趋势。

半导体激光器边缘绝热封装改善慢轴光束质量

为了削弱激光器工作时芯片横向温度不均而导致的热透镜效应对慢轴发散角的影响,提高慢轴的光束质量,引入了边缘绝热封装方式,即在激光器芯片两侧与过渡热沉之间加入空气隙,以降低两侧的传导散热。利用有限元分析软件ANSYS 18.0对该封装结构中激光器芯片的温度进行仿真。结果表明:当工作电流为1.6 A,芯片与热沉的接触宽为200μm时,慢轴发散角由普通封装时的11.5°减小至8.2°,降幅为28%,光束参数积和光束质量因子也分别降低了28%和24%,热阻增大了6%。边缘绝热封装对器件激射波长、阈值电流、电光转换效率的影响很小。

高功率高可靠性9XX nm激光二极管

为了提高半导体激光二极管的输出功率和可靠性,通过在有源区两侧势垒层和波导层之间引入高禁带宽度的GaAsP,抑制有源区载流子的泄漏,极大地改善了器件的性能。研究结果表明:在10~40℃温度范围内器件特征温度从原来的150 K提高至197.37 K(-75.76℃),峰值波长随温度的漂移系数为0.207 nm/℃;条宽200μm、腔长2000μm的9XX nm激光二极管可靠性工作的最大输出功率高达14.4 W;器件在注入电流为7 A时取得71.8%的最大电光转换效率,斜率效率为1.21 W/A。器件在恒定电流下的加速老化测试显示激光二极管可靠性工作寿命达2000 h以上。