浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素

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高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器，也可直接用于材料处理如焊接、切割、表面处理等。为了进一步拓宽半导体激光器的应用领域，不断提高激光器的输出功率，半导体激光器从单发射腔发展为多个发光单元的巴条。随着激光器输出功率的提高，对半导体激光器的热管理、热设计、封装等技术提出了更高要求。表征巴条半导体激光器主要特性的参数有输出功率、光谱宽度、波长、近场非线性（smile效应）、电光转换效率、近场和远? ⑹倜取１疚姆治龊吞致哿擞跋旄吖β拾氲继寮す馄靼吞跆匦圆问囊蛩兀缛裙芾怼⑽露炔痪刃浴⑷扔α秃噶涎≡竦龋⒃诖嘶∩咸岢隽颂岣甙吞醢氲继寮す馄餍阅艿牟呗院头椒ā? 热管理 热管理对于高功率半导体激光器而言至关重要，因为半导体激光器大约50%的电能都转换成热量损耗掉了。热管理直接影响激光器的结温，结温过高将显著影响半导体激光器巴条的性能，如导致输出功率下降、阈值电流增大、斜坡效率减? ⒙岱⑸⒔窃龃笠约笆倜醵痰取? 对于高功率单巴条半导体激光器，结温由式（1）而得[1]其中Th为器件热沉温度、Rth为器件热阻、V0为结偏压、I为工作电流、Rs为串联电阻、Po为输出光功率。由上式可见，激光器的结温主要由热沉的温度和器件本身的热阻决定，其中热沉温度由激光器的使用条件决定。 半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为（2）和（3）式： 其中，ηd、Ith、T1、T0为室温下器件的转换效率、阈值电流、斜率特征温度和阈值特征温度，t为半导体激光器寿命，Ea为激活能（activation energy），K为波尔兹曼常数，Rth为半导体激光器的热阻。由式（2）和式（3）可以看出，降低热阻可以增加半导体激光器的输出功率，提高可靠性。 半导体激光器的热阻包括芯片的热阻和封装带来的热阻。有效的热管理是提高器件性能的关键。提高热管理主要从减小芯片热阻、减小贴片界面热阻和设计封装结构三个方面来实现。热阻的计算方法如下[2]： Rth=L/kA (4) 其中：L为热传导距离（m），A为热传导通道的截面积（m2），k为热传导系数（W/mK）。 由（4）式可知，要减小芯片的热阻主要有以下途径：一是选择热传导系数大的材料，二是在材料确定的情况下尽可能减小热传导距离或增大热传导通道截面积。基于此，可通过增加芯片腔长（从1mm增加到2mm）和提高填充因子来减小热阻。目前，2mm腔长、50%填充因子的9xx nm巴条可以实现高可靠性连续波输出150W。 贴片界面的热阻主要受各贴片层存在的空洞影响。与相对完整的贴片层相比，贴片层的空洞大小和密度严重影响器件的热阻[3]。图1给出了封装贴片层的完整性。可以通过优化金属层结构以及采用无空洞贴片技术，来增加贴片界面的完整性，以减小贴片界面的热阻，降低贴片层空洞。 图1：贴片层完整性另外，不同的封装结构对器件的热阻影响不同。最常见的巴条封装结构包括传导冷却型CS封装和微通道液体制冷型封装两种。相对热传导封装结构，微通道液体制冷型封装结构的热阻明显降低，利用此结构封装的激光器的输出功率显著高于传导封装的器件。对于808nm半导体激光器巴条，填充因子20%的芯片传导冷却封装后的输出功率可达60W；而填充因子75%的芯片采用微通道液体制冷封装后的输出功率可达到120W。 图2(a)和(b)分别为西安矩光公司生产的808nm单巴条半导体激光器，传导冷却填充因子为20%，输出功率为60W；液体冷却填充因子75%，输出功率可达120W。图3为图2（a）和（b）中单巴条半导体激光器的功率-电压-电流和光谱特性曲线。 图2：单巴条半导体激光器 （a）传导冷却封装 （b）液体制冷封装 图3：图2（a）和（b）单巴条半导体激光器的功率-电压-电流和光谱曲线由以上分析可见，要提高热管理，需要从芯片、贴片工艺和封装结构三个方面考虑：一是优化芯片设计、降低芯片热阻；二是提高贴片工艺技术，进行无空洞贴片封装；三是优化封装结构，采用散热效率高的封装结构。 温度不均匀性 温度的不均匀性对半导体激光器巴条性能有很大影响，将导致半导体激光器巴条光谱展宽、近场和远场光强分布不均匀和腔面损伤（COD）。 半导体激光器的发射波长随温度有很明显的变化，如808nm半导体激光器的波长随节点温度以0.28nm/°C的速率变化。当半导体激光器芯片中每个发光单元的温度分布不均匀时，每个发光单元发射的波长就不同，就会引起激光器光谱展宽，如图4所示，可能出现“双峰”或“右肩膀”。 图4：半导体激光器巴条光谱激光器巴条有源区每个发光单元温度不均匀也会造成该发光区域的近场和远场光强分布不均，出现较大的波峰，严重时会导致腔面损伤。