石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性

为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低,增加封装结构的散热性能,降低器件封装成本,提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后,封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比,有源区结温降低4.5 K,热阻降低0.45 K/W。通过计算可知,激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下,确定铜钨合金与石墨的结构尺寸,以达到最好的散热效果。     

C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果,基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构,研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下,腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K,热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构,使封装激光器的结温降低为333.8 K,热阻减小到3.5 K/W。计算表明,其输出功率可提高近20%。     

高功率半导体激光器低温特性分析

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统,实现了对高功率半导体激光器在-60℃～0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征.采用计算流体力学及数值传热学方法,模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能.模拟结果表明,压降均为0.47bar时,采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃).低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂,最大可实现0.5L/min的载冷液体流量,最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作.基于该低温测试表征系统,对微通道封装结构976nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究.测试结果表明,载冷剂温度由0℃下降到-60℃,半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W,功率提升比为18.02%;电光转换效率由60.99%提升到67.25%,效率提升幅度为6.26%;中心波长由969.68nm蓝移到954.05nm.器件开启电压增加0.04V,阈值电流降低3.93A,串联电阻增加0.18mΩ,外微分量子效率提高11.84%.分析表明,阈值电流的减小及外微分量子效率的提高,是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素.研究表明,采用液体微通道冷却的低温工作方式,是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.     

多单管堆叠半导体激光器热分析及光纤耦合模拟仿真设计

多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法,但其存在封装方式单一、体积大等问题,难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构,通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间,使得器件更加小型化,在充分利用单管半导体激光器优势的同时,既增加了单管半导体激光器的散热通道,又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟,将光束耦合进芯径200μm、数值孔径0.22的光纤中,可以达到28.6 W的激光输出,耦合效率为95%。     

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%。     

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975 nm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5 nm，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。     

10 W级主控振荡放大半导体激光芯片封装实验研究

结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素,为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题,提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型,对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明,采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近,且显著优于正装无辅助次热沉结构,结温降低幅度最高可达40%。另外,采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W,谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm,中心波长随电流的变化约14 pm/A,实现了10 W级MOPA芯片的封装,验证了该封装结构的有效性。     

全固态碟片激光器的多孔泡沫热沉传热特性研究

高功率全固态碟片激光器在运行中产生的热透镜效应会引起激光器输出功率降低、光束质量退变,针对该问题本文将多孔碳化硅泡沫和毫米通道引入到全固态碟片激光器的换热热沉中,并将其应用于多冲程泵浦的全固态碟片激光器.利用有限元分析软件对其结构模型参数进行了优化,当碳化硅厚度为2 mm,孔隙率为40%,入水口压力为4 kg(0.4 MPa)时,系统理论换热系数为1.51×10^5 W/m^2·K,实验测量结果为1.45×10^5 W/m^2·K,理论和实验结果较为接近,验证了理论模型的正确性.最后利用该新型热沉搭建了基于Yb∶YAG的24冲程全固态碟片激光器实验装置,获得输出功率为393 W,波长为1030 nm的连续激光输出,光-光转换效率达到52%,光束参数乘积为5.918 mm·mrad.     

高功率半导体巴条激光器的热特性分析

对采用5层叠焊的微通道无氧铜热沉冷却的巴条激光器进行了流体动力学(CFD)分析。建立了条宽10 mm、腔长1.5 mm巴条芯片的流固耦合共轭传热模型,得到了不同流量水冷下激光器的热阻和压力损失曲线。分析了300 m L/min水流时,激光器的温度分布和冷却水的流动性能。实验条件下,测试了该微通道热沉封装的808 nm巴条激光器的热阻和压力损失。数值计算和实验测试所得的结果一致,在300 m L/min水流下,巴条热阻为0.38℃/W,在温度不高于70℃时可满足连续模式下90 W的散热要求。     

12 W高功率高可靠性915 nm半导体激光器设计与制作

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件,为了最大限度地提高器件的电光转换效率,在设计上采用双非对称大光腔波导结构,同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明,在25℃环境温度下,器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长,随后制备了发光区域宽度为95μm、腔长为4.8 mm的激光芯片。测试表明,封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平,在室温下阈值电流为1 A,斜率效率为1.18 W/A,最高电光转换效率达66.5%,输出功率12 W时,电光转换效率达到64.3%,测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试,器件功率没有出现衰减,表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。     

大功率半导体激光器阵列热串扰行为

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70 s内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5 ℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。     

Evaluation of thermal resistance constitution for packaged AlGaN/GaN high electron mobility transistors by structure function method

The evaluation of thermal resistance constitution for packaged AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) by structure function method is proposed in this paper.The evaluation is based on the transient heating measurement of the AlGaN/GaN HEMT by pulsed electrical temperature sensitive parameter method.The extracted chip-level and package-level thermal resistances of the packaged multi-finger AlGaN/GaN HEMT with 400-μm SiC substrate are 22.5 K/W and 7.2 K/W respectively,which provides a non-invasive method to evaluate the chip-level thermal resistance of packaged AlGaN/GaN HEMTs.It is also experimentally proved that the extraction of the chiplevel thermal resistance by this proposed method is not influenced by package form of the tested device and temperature boundary condition of measurement stage.     

Mounting-induced strains in red-emitting (Al)InGaP laser diodes tuned by pressure

The hydrostatic pressure behavior of red-emitting diode lasers packaged on Si, AlN, and diamond submounts is studied in the 0–2 GPa range by emission and photocurrent spectroscopy. Photocurrent spectroscopy allows for simultaneous measurement of the InGaP quantum well and (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P waveguide. A broadening of the absorption edge of the waveguide is observed for all devices and explained by the pressure-induced direct-to-indirect transition in this material. For the QW resonance, distinct differences are observed for differently packaged devices. Thus, very low pressure tuning rates are demonstrated for devices packaged on diamond and AlN submounts and explained by the presence of shear strain components. Consistently we find the device packaged on Si to be least affected by the strain caused by the pressure cycling.     

瓦级激光二极管端面抽运351nm紫外激光器

研制了输出功率达瓦级的351 nm准连续紫外激光器。激光器采用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q技术,实现了1 053 nm准连续基波振荡。在结构简单的V型腔中,两块Li B3O5(LBO)晶体对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高功率351 nm准连续紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为1 k Hz的工作条件下,得到351 nm紫外激光平均输出功率为1.12 W、脉冲宽度为34 ns、单脉冲能量为1.12 m J、峰值功率达32.94 k W。LD抽运光到351 nm紫外激光的光-光转换效率达到8%,电光效率为3.4%,光束质量良好。     

High-power vertical-cavity surface-emitting lasers bonded with efficient packaging

<正>High-power vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) are processed using a wet thermal-selective oxidation technique.The VCSEL chips are packaged by employing three different bonding methods of silver solder,In-Sn solder,and metalized diamond heat spreader.After packaging,optical output power, wavelength shift,and thermal resistance of the devices are measured and compared in an experiment.The device packaged with a metalized diamond heat spreader shows the best operation characteristics among the three methods.The 200-μm-diameter device bonded with a metalized diamond heat spreader produces a continuous wave optical output power of 0.51 W and a corresponding power density of 1.6 kW/cm~2 at room temperature.The thermal resistance is as low as 10 K/W.The accelerated aging test is also carried out at high temperature under constant current mode.The device operates for more than 1000 h at 70℃,and the total degradation is only about 10%.     

Recent progress in the development of type II interband cascade lasers

Type-II interband cascade lasers combine the advantage of an interband optical transition with interband tunneling to enable the cascading of type-II quantum well active regions as is done in type-I quantum cascade laser. The relatively high radiative efficiency resulting from interband optical transitions translates into very low-threshold current densities, and when combined with the high quantum efficiency of cascade lasers, this diode laser design has the potential to operate under cw conditions at room temperature with high output power. Experimental results have already demonstrated some of this potential including high differential external quantum efficiency (>600%), high peak output power (6 W/facet at 80 K), high cw power conversion efficiency (>17% at 80 K), and operation at 300 K under pulsed conditions. Recent work aimed at reducing device thermal resistance and increasing cw operating temperature is reviewed including the demonstration of significant reductions in thermal resistance (averaging 25 K/W or 40% for 1-mm-long devices), 80 K cw operation at 3.4 μm with high-power conversion efficiency (23%) and high differential external quantum efficiency (532%), and cw operation up to 214 K.     

高亮度大功率半导体激光器光纤耦合模块

应用ZEMAX软件设计出高亮度大功率光纤耦合模块。采用16支输出功率12 W的单偏振态单边发射半导体激光器，耦合进芯径100 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块输出功率达到189.4 W，耦合效率达到98.6%，亮度达到94.66 MW/cm²-str。通过SolidWorks软件优化得到新热沉结构，应用ANSYS软件进行热分析，结果表明新热沉结构最高温度为42.4℃，相比优化前温度降低1℃以上，得到良好散热结构模型。     

808 nm大功率半导体激光器阵列的优化设计

 采用激射波长为808 nm的GaAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制单量子阱结构外延片,制备了沟道深度不同的半导体激光器阵列,并对载流子分布进行理论分析和模拟。理论和实验结果表明：引入脊形台面和隔离沟道后,激光器阵列的输出功率、电光转换效率、斜率效率和光谱特性均有显著提高。随着沟道的加深,对电流侧向扩散的限制作用增强,从而提高了阵列性能。     

新型垂直腔面发射半导体激光器阵列

设计出四次质子注入工艺制备垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的方法,实现了对阵列中单元器件间的隔离以及对单元器件注入电流限制的分别作用。一方面通过对VCSEL外延片上分布布拉格反射镜(DBR)两次较浅的质子注入形成高电阻区域实现对阵列中单元器件间的隔离,另一方面通过再次的两次较深度的可以达到有源区上表面的质子注入形成高电阻区域实现对单元器件注入电流的限制。由瞬态热传导方程对阵列中单元器件间的热相互作用进行了理论分析。采用四次质子注入工艺实现了2×2、3×3简单的二维GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL阵列,并对器件的激射近场、光谱特性及功率等进行了测量。