大功率半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器泵浦激光器在材料加工、激光打標(biāo)、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、激光顯示、激光照明、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域,以及激光制導(dǎo)、激光夜視、激光武器等軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器的可靠性及老化測(cè)試評(píng)價(jià),包括對(duì)測(cè)試系統(tǒng)泵浦源的研究，一直以來都是學(xué)科熱點(diǎn)和國際制造研究的重要方向之一。

        本方案將為您介紹一款千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器在線測(cè)試與老化系統(tǒng),以及兼容CW及QCW的老化電源。產(chǎn)品可對(duì)每支老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并對(duì)熱沉溫度、冷卻循環(huán)水的流量、水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有功能完備、可靠性高、性價(jià)比優(yōu)的優(yōu)點(diǎn),可供大功率激光器的研制和應(yīng)用單位推廣使用。

關(guān)鍵詞:激光器;芯片;封裝測(cè)試;泵浦源;失效分析;可靠性測(cè)試;老化測(cè)試;光功率

        激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔組成。其中,泵浦源為激光器的光源,為激光器提供能量。激光器可以根據(jù)泵浦方式分為電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦、氣動(dòng)泵浦四大類,也可以根據(jù)增益介質(zhì)分為液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器等。半導(dǎo)體激光器既可以單獨(dú)作為激光器使用,又同時(shí)可作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。

        使用半導(dǎo)體激光器做固體激光器泵浦源可以同時(shí)兼容固體激光器及半導(dǎo)體激光器的雙重優(yōu)點(diǎn):高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高可靠性、壽命長(zhǎng)、體積小,目前半導(dǎo)體激光器已逐步取代傳統(tǒng)的氯燈或氬燈，成為固體激光器的主要泵浦源,廣泛應(yīng)用于材料加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域。

表：激光器類型對(duì)比

        泵浦源是激光能量的源頭,根據(jù)能量守恒定律,激光器輸出激光能量束,需要在產(chǎn)生激光時(shí)輸入能量,泵浦源即是起到對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行能量激勵(lì)的作用。激光器工作時(shí),由泵浦源向增益介質(zhì)注入能量進(jìn)行激勵(lì),增益介質(zhì)的電子受到能量激勵(lì)后發(fā)生能級(jí)躍遷,由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),由于激發(fā)態(tài)相較于基態(tài)是非穩(wěn)定狀態(tài)，電子會(huì)自發(fā)地回歸到基態(tài),并放出光子。無數(shù)光子在諧振腔兩個(gè)斷面循環(huán),往復(fù)運(yùn)動(dòng),不斷疊加,最終輸出方向、頻率高度一致、高能量的激光束。

圖：激光器工作原理圖

圖：激光器受激輻射原理示意圖

        大功率半導(dǎo)體激光器主要分為單管與bar條兩種結(jié)構(gòu),單管結(jié)構(gòu)多采用寬條大光腔的設(shè)計(jì),并增加了增益區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)高功率輸出,減少腔面災(zāi)變損傷;bar條結(jié)構(gòu)為多個(gè)單管激光器的并聯(lián)線陣,多個(gè)激光器同時(shí)工作,再經(jīng)過合束等手段實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。

圖：激光器單管與bar條(線陣)結(jié)構(gòu)

圖：邊發(fā)射激光器和面發(fā)射激光器

半導(dǎo)體激光器的典型封裝

        封裝對(duì)半導(dǎo)體激光器的作用:一是建立電流環(huán)路,使芯片能受到電流的刺激而產(chǎn)生光(受激輻射光放大);二是散熱,解決芯片發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量;三是對(duì)芯片及電路起到保護(hù)的作用。

        按功用來分,半導(dǎo)體激光器的封裝類型有兩種,一是保護(hù)殼封裝,二是芯片封裝。保護(hù)殼封裝主要有TO封裝和蝶形封裝等。這種封裝結(jié)構(gòu)是把cos用金屬等其他材料的保護(hù)罩密封起來,好處在于:一是使其輕易不會(huì)被損壞,二是腔面被污染的幾率得到了有效降低,三是十分便于攜帶。芯片封裝主要有F-Mount型封裝、C-Mount型封裝等。芯片封裝是把芯片直接焊接在不同結(jié)構(gòu)、不同材料的熱沉上的一種方法,熱沉的作用主要是把芯片發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量散掉,保證芯片能持續(xù)穩(wěn)定的工作。

半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試的重要性與現(xiàn)狀

        激光器芯片的測(cè)試比較復(fù)雜,牽涉到光、電的測(cè)量,也要考慮封裝形式的區(qū)別。與同等功率水平的傳統(tǒng)固體激光器或氣體激光器相比,大功率激光器在光束質(zhì)量、工作效率、結(jié)構(gòu)體積、壽命和系統(tǒng)維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí),由于單顆芯片出光功率大,單位面積產(chǎn)生的熱量大,如果不做好散熱技術(shù),將直接影響半導(dǎo)體激光器輸出功率、閾值電流密度、電光轉(zhuǎn)化效率、微分量子效率、偏振度等性能,并導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器壽命和可靠性的下降,甚至?xí)p毀芯片,最終影響器件可靠性。因此,在交付使用之前將激光器芯片置于高的溫度和電流等極端操作條件下進(jìn)行壽命和可靠性實(shí)驗(yàn),淘汰早期失效器件并檢測(cè)出失效因素,在激光產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中起著非常重要的作用。

        目前,大功率激光器芯片在大電流工作連續(xù)輸出時(shí)普遍面臨著各種難點(diǎn):

1、激光器芯片的測(cè)量一般都要看LIV數(shù)據(jù),光電參數(shù)受熱的影響比較大,隨著溫度的升高,芯片的閾值電流增加;

2、激光器芯片直流、寬脈沖下的測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn);3、大功率激光器抗浪涌沖擊能力差,要求脈沖電流無過沖,浪涌沖擊小;

4、電源的波動(dòng)會(huì)影響激光器的壽命,同時(shí)會(huì)造成光功率不穩(wěn)定及器件發(fā)熱不穩(wěn)定等。

創(chuàng)新技術(shù)突破,國產(chǎn)化極優(yōu)性價(jià)比激光器老化測(cè)試系統(tǒng)解決方案

        基于率先國產(chǎn)化數(shù)字源表(SMU)的技術(shù)開發(fā)實(shí)力,以及多年來產(chǎn)品覆蓋國際通信及半導(dǎo)體頭部用戶的認(rèn)可和應(yīng)用研究,武漢普賽斯針對(duì)千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器芯片需要使用窄脈沖大電流測(cè)試和老化、芯片發(fā)熱嚴(yán)重等問題,創(chuàng)新開發(fā)推出一套通用性好、大功率、循環(huán)水冷的老化測(cè)試系統(tǒng)。產(chǎn)品具有大電流窄脈沖恒流特性好、電流穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng),并具有防過沖、防反沖、反浪涌的穩(wěn)壓及恒流的雙重保護(hù)電路等功能,為泵浦激光器的老化測(cè)試提供了一個(gè)完整的解決方案。實(shí)現(xiàn)多單元、高效率、自動(dòng)監(jiān)控并記錄上傳測(cè)試數(shù)據(jù)的一體化測(cè)試系統(tǒng)。

圖：普賽斯LDBIXX系列多路大功率激光器老化系統(tǒng)

        經(jīng)過多年對(duì)數(shù)字源表的系統(tǒng)研究與產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的良好基礎(chǔ),普賽斯泵浦激光器老化測(cè)試系統(tǒng)采用全新開發(fā)、自主設(shè)計(jì)的大電流脈沖恒流源,可以兼容CW模式(60A)以及QCW模式(600A)支持直流恒流、直流掃描、脈沖直流、脈沖掃描等四種模式。驅(qū)動(dòng)電源通過RS485接口控制,上位機(jī)設(shè)定輸出電流,并可讀出實(shí)際輸出值;另外還可以一主多從的方式多臺(tái)串并聯(lián),上位機(jī)只需控制主機(jī),從機(jī)即可實(shí)現(xiàn)同步輸出。支持線性掃描、對(duì)數(shù)掃描及自定義掃描。

圖：普賽斯HCPLOXX系列大功率激光器測(cè)試電源

        普賽斯為大功率半導(dǎo)體激光器的老化測(cè)試提供了一個(gè)完整的解決方案。欲了解更多系統(tǒng)方案詳情，歡迎來電咨詢18140663476！