高功率半导体激光阵列的高温特性机理

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显,本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象,通过精密控温系统测试了其在10~80℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性,结合理论分析,给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明,工作温度从10℃升高到80℃后,电光转化效率从63.95%下降到47.68%,其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%,是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。

浅谈高功率半导体激光器驱动技术

在电子信息技术持续发展的背景下,高功率的半导体激光器技术,逐渐成为业界的热点问题之一。对此,相关部门为满足半导体激光器的运行需要,需提高对驱动技术的关注,确保高功率半导体激光器顺利发射激光,以满足多领域的工作需要。基于此本文结合实际思考,首先简要分析了高功率半导体激光器的概述,其次阐述了高功率半导体激光器的工作原理,最后提出了高功率半导体激光器驱动技术措施。以期对相关领域的工作有所帮助。

高功率准连续半导体激光阵列中应变对独立发光点性能的影响

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题,研究了微通道水冷封装的960nm半导体激光器阵列,阵列包含38个发光点,腔长为2mm,在驱动电流为600A、占空比为10%的条件下,输出的峰值功率达到665.6 W,电光转换效率为63.8%,中心波长为959.5nm.通过对应力的理论分析,给出了各个发光点应变的表达式;通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性;结合应变理论分析可知,器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关,压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高,张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明,影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关,而且与封装后残余的应变密切相关,通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律,可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

高功率蓝光半导体激光器巴条的封装技术研究

为实现高功率的蓝光半导体激光输出,对蓝光巴条的封装技术进行了研究。利用金锡硬焊料封装了高功率氮化镓(GaN)蓝光半导体激光巴条,应用铜钨过渡热沉作为缓冲层抑制了铜热沉和GaN激光芯片之间封装残余应力,采用高精度贴片机将芯片共晶键合在铜钨过渡热沉上。贴片质量的好坏直接影响了器件的输出特性,所以重点分析了贴片机的焊接温度焊接压力、焊接时间对器件的影响。实验结果表明:当贴片机的焊接温度为320℃、焊接压力为0.5 N、焊接时间为40 s时,焊料层界面空洞最少,热阻最低为0.565℃/W,阈值电流最低为4.9 A,在注入电流30 A时,输出光功率最高为32.21 W,最高光电转换效率达到了23.3%。因此,在优化焊接温度、焊接压力、焊接时间后,利用金锡硬焊料将蓝光半导体激光芯片共晶键合在铜钨过渡热沉的技术方案是实现蓝光半导体激光巴条高功率工作的有效途径。

基于半导体激光短阵列的976nm高功率光纤耦合模块

采用12只出射波长为976nm的传导冷却半导体激光短阵列为发光单元,研制出了百瓦级高功率光纤耦合模块。首先,利用光束转换器(BTS)和柱透镜对每只半导体激光短阵列进行光束整形,使得快慢轴方向光束质量接近并且发散角相同;然后,应用空间合束技术将每6只半导体激光短阵列在垂直方向上叠加,形成一个激光组,并利用偏振分束器(PBS)将两个激光组偏振合束;最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合到光纤中。实验结果表明:该光纤模块的连续输出激光功率可达418.9W,光纤芯径仅为400μm,数值孔径(NA)为0.22,由此可得到激光亮度为2.19 MW/(cm2.str)。利用Matlab软件分析光纤出射的光束形貌为平顶分布,显示其适合用于金属材料的硬化和焊接等领域。最后测量了模块的光谱,电流从20A增加到50A时,激光的峰值波长漂移了6.8nm,并且在50A时光谱宽度为4.12nm,表明该光纤耦合模块散热良好。同其它类型激光器相比,本激光模块电光转换效率和出光功率高,适用于材料加工和泵浦光纤激光器等领域。

808nm高占空比大功率半导体激光器阵列

采用渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构,通过降低非辐射复合、有源层载流子泄露、散射和吸收损耗来提高出射效率和降低激光阈值电流,从而提高半导体激光器阵列的输出功率;同时使P面具有更高的粒子掺杂数密度,优化N面合金条件,降低半导体激光器的串联电阻,降低焦耳热,提高了半导体激光器阵列的转换效率。利用金属有机化学气相淀积技术生长GaInAsP/InGaP/AlGaAs渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构激光器材料,利用该材料制成半导体激光线阵列在20%高占空比的输入电流下,半导体激光器的输出峰值功率达到189.64 W(180 A),斜率效率为1.1 W/A,中心波长为805.0 nm,阈值电流为7.6 A,电光转换效率最高可达55.4%;在1%占空比的输入电流下,阵列的输出峰值功率可达324.9 W(300 A),斜率效率为1.11 W/A,阈值电流为7.8 A,电光转化效率最高达55.6%,中心波长为804.5 nm。

高功率半导体激光器阵列微通道热沉的温度

微通道热沉是解决高功率半导体激光器阵列散热有效的途径,本文利用有限元方法研究半导体激光器的温度,给出了横向尺寸为200μm×60μm单个及间距100μm的3,5,9的微通道热沉中的温度,得到微通道数量影响激光器最高温度变化。结果表明,单个微通道构成的热沉可以把注入电流为36A稳态工作的激光器阵列冷却到342K,9个微通道可以冷却到306K。仿真了增加微通道间距的温度分布,发现为间距260μm的5个微通道热沉,可以将激光器冷却到308K。

46.2W连续输出808nm高功率无铝半导体激光线阵模块

利用InGaAs/InGaAsP应变量子阱外延材料制作出高功率半导体激光器线阵模块,前腔面镀制了单层Al2O3,后腔面镀制了Al2O3/5(HfO2/SiO2)/HfO2,采用无氧铜热沉和高效率的液体冷却器散热。在室温下,驱动电流50A时输出功率高达46.2W,最高电光转换效率41.3%,斜率效率1.15W/A。器件中心激射波长810nm,波长温度系数为0.28nm/℃,光谱半峰全宽(FWHM)3nm,寿命突破11732h。

一种用于高速成像的905nm窄脉冲大功率半导体激光器阵列

为了克服高速成像系统在曝光时间很短的情况下,难以理想成像的问题,它基于波长为905nm的SPL LL90_3激光二极管,提出了一种用脉冲半导体激光器阵列光源作辅助照明的方法。理论上计算了一定距离理想成像所需的能量,基于多倾斜高斯光束叠加实现均匀化的原理,设计了一种结构简单,光强均匀性好,脉宽为200ns,峰值功率达到1 120 W的脉冲半导体激光器阵列。通过ZEMAX光学仿真在500mm处的光强分布并实验验证,同时研究设计了脉冲大功率半导体激光器阵列的驱动电路,选用MC1362高速相机,做了在2μs的曝光时间内借助脉冲大功率半导体激光器阵列光源可否理想成像的验证实验。实验显示成像效果良好,方案具有现实可行性,适合作为高速成像的照明系统。

高功率半导体激光器技术发展与研究

高功率半导体激光器及阵列具有可用激光波长丰富、电光转换效率高、调制特性好等许多优点,特别是作为固体激光器和光纤激光器的高效率泵浦源而获得的全固态紧凑型激光器,持续受到极大的关注,得到快速发展。近年来在高功率阵列半导体激光器模块化技术、超高效率、高效冷却技术、半导体激光器及阵列的光束质量优化、高效电源驱动技术等方面都取得了长足的进步,促进了其广泛应用。将结合高功率半导体激光国家重点实验室的研究工作,概述近年来国内外半导体激光器技术的研究进展状况和发展趋势。

高功率高亮度半导体激光器合束进展

半导体激光器体积小、效率高,但单元输出功率低、光束质量差限制了其应用。介绍了提升半导体激光器功率及光束质量的最新进展,对各种技术途径和实验结果进行了综述报道,并具体介绍了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来在高亮度半导体激光器芯片及合束方面取得的进展。

基于ZEMAX高功率半导体激光器光纤耦合设计

随着半导体激光器光源在激光加工领域的应用不断拓展,研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率,本文应用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟,将12只波长为808 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器通过合束方法高效率耦合进光纤。耦合光纤芯径为150μm、数值孔径为0.22,光纤输出功率为116.2 W,耦合效率为96.8%。

高功率1060nm半导体激光器波导结构优化

针对高功率1060 nm半导体激光器的外延结构,分析了影响器件功率进一步提高的原因.根据分析,优化了激光器的量子阱结构和波导结构,并理论模拟了波导宽度对模式和输出功率的影响.根据不同模式的光场分布,对量子阱有源区的位置进行了优化,并设计了非对称、宽波导结构.对不同模式的限制因子进行了计算,结果表明,优化后的非对称波导结构能够在降低基模的限制因子的同时,增加高阶模式的损耗.

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。

高功率高亮度半导体激光器件

由于半导体激光器在光电转换效率、输出功率、使用寿命等方面的优势,广泛应用于军事领域。为提高输出功率,将两束同一波长不同偏振态的激光束耦合以获得更高功率输出,是目前国际研究的热点之一。进行国内连续808nm两半导体激光迭阵耦合实验。采用自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦,可耦合输出光斑2mm×2mm,总体输出效率大于50%。国内没有对迭阵进行耦合实验的报道。为达到耦合器件的输出效率自行设计耦合选择器的镀膜材料体系,并将此研究应用于光电对抗实验中。

高功率半导体激光器光纤耦合实验研究

为进一步提高光纤耦合半导体激光器的输出功率,提出了一种多单管半导体激光器通过台阶分布、光束精密准直及自由空间合束实现高功率光纤耦合输出的方法,该方法具有结构简单、光学元件易于加工、耦合效率高等优点。采用这种方法对5只封装在次热沉上的单管半导体激光器开展了芯径100μm、数值孔径0.22多模光纤的耦合实验研究,当工作电流为7.0 A时,光纤连续输出功率为21.8 W,亮度为1.83 MW/(cm^2·sr),耦合效率为70.32%。

高功率线阵半导体激光器光纤耦合设计

本文通过分析高功率线阵半导体激光器的激光输出特性,设计了一种微台阶反射镜阵列对其进行光束变换,并分别采用几何光线追迹法和高斯光束的ABCD定律,模拟计算了光束变换情况。计算结果表明,本文设计的光束变换系统。可将10mm宽的线阵半导体激光器的输出激光耦合进一根芯径为800μm,数值孔径NA≥0.37的光纤中。

808nm千瓦级高效大功率半导体激光光源

提出了一种新型光束整形技术,该技术通过平行平板玻璃堆实现光束的分割、平移、重排,从而改善半导体激光的光束质量。该试验采用自主设计的中心波长为808 nm,连续输出功率为60 W/bar,填充因子为30%,具有19个发光点,每个发光点尺寸为1μm×135μm的20层半导体激光叠阵,通过望远镜系统对慢轴方向进行扩束后用一个聚焦镜同时对快慢轴聚焦,最终在焦平面上得到了1 kW输出,且聚焦光斑达到1 mm×1 mm,耦合效率达到90%,基本满足激光熔覆和激光焊接的要求。

温度场监控下高功率半导体激光熔敷钴基合金涂层

采用3.5 kW半导体激光器在42CrMo4表面熔覆了钴基合金(Stellite 6)涂层,利用光学显微镜和显微硬度仪表征了涂层的微观组织和硬度分布,研究了监控熔覆过程中的熔池温度场对涂层的微观结构和显微硬度的影响。结果表明:基于熔池温度场拍摄并调整激光器输出功率的熔池大小闭环监控的工艺可实现对钴基合金涂层的稀释率以及结构与性能的调控;当送粉量为22.6 g/min、熔覆速率为1 m/min时,基于熔池温度场监控的工艺调整实现了近零稀释率的钴基合金涂层的熔覆,所需激光功率仅为1.5 kW;涂层与基体形成良好的冶金结合,组织致密,主要由平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶构成,晶粒细小,显微硬度达到HV600。

小发散角高功率半导体激光器研究

在量子阱半导体激光器中,量子尺寸引起的衍射效应使半导体激光器的光束质量很差。分别限制结构的垂直结平面发散角在40°左右,使得光束整形系统比较复杂,限制了半导体激光器的直接应用。为解决这一问题,提出了降低垂直结平面发散角的要求。回顾了小发散角半导体激光器的技术发展及应用,对具有小发散角的模式扩展波导结构进行了理论模拟和实验验证,获得了优化的结构。采用MOCVD外延技术生长了外延片,制作了高峰值功率脉冲激光器,获得了快轴发散角小于25,°峰值功率大于80W的半导体激光器,在激光引信应用中获得良好效果。