泵浦用高平均功率二极管激光器研制

针对高平均功率线阵二极管激光器(DL )芯片的工作要求,开展了相应的封装结构设计和高效冷却技术研究.封装的单条线阵DL连续输出激光功率50 W,工作寿命达到5 000 h,10%占空比准连续输出激光脉冲功率150 W,25%占空比准连续输出激光脉冲功率100 W,工作寿命达到5×109次脉冲.采用模块式封装方式由25个模块堆叠,制作出了连续激光功率1 kW和20%占空比工作脉冲功率2.5 kW的叠阵二极管激光器.     

940nm波长高功率线阵二极管激光器封装研究

 对940nm波长高功率线阵二极管激光器的封装结构进行了重新设计，并在此基础上开展了芯片的封装实验。封装出的线阵二极管激光器，在连续工作时输出激光功率达40W，在准连续工作时（占空比0.5%），输出峰值功率可达100W。     

基于相变冷却的大功率二极管激光器技术

 设计了一种基于相变冷却方式工作的大功率二极管激光器,该激光器的散热器是基于节流式喷射微槽道相变冷却的原理,使冷却液在微槽中的气化率达到了70%,大幅度提高了冷却效果,减小了冷却液流量,在同样制冷功率条件下,冷却液流量仅为水冷方式的1/10。利用相变冷却器进行了背冷式半导体激光器叠阵封装工艺的研究,采用复合热沉与AuSn硬焊料结合的新型封装工艺,完成了准连续3 kW叠阵的封装。实验测试表明,单元叠阵的输出功率达到3.01 kW,占空比10%,封装间距为1.3 mm,光谱宽度小于3.5 nm。最大功率输出时所需R134a冷却液的流量仅为110 mL/min。     

高平均功率面阵二极管激光器散热分析

 采用三维有限元法分析了面阵二极管激光器背冷式封装结构的散热效率,对次热沉厚度,冷却器结构参数进行了优化设计,计算结果表明,优化设计后的封装结构,可满足面功率密度为500W/cm²,占空比为20％的高平均功率面阵二极管激光器的散热要求。     

高占空比、高功率线阵二极管激光器封装技术

 对高占空比、高功率线阵二极管激光器的封装技术进行了研究,给出了封装器件性能测试结果：在占空比20%（200μs,1000Hz）时获得峰值功率大于40 W的激光输出,100～1000Hz 重复频率下,输出激光中心波长为 805～808 nm, 谱线宽度3.2～4.2 nm,激光起伏小于 1%。     

脉冲功率3 kW二极管激光器叠阵的相变冷却

针对二极管激光器叠阵的高效散热冷却开展了研究,设计了基于R134a制冷剂的相变冷却系统和以节流式微通道相变冷却方式工作的冷却器,完成了脉冲功率3 kW叠阵的封装,并分析了制冷剂在热沉进出口的温度对叠阵出光波长的影响。实验测试结果表明:在20%的高占空比下,电流197 A时叠阵的输出功率达到3 030 W,插座效率为39%,光谱宽度小于3.8 nm,冷却器内R134a的气化率约为50%。制冷剂R134a的流量为0.60 L/min,仅为水系统的1/5,大幅减小了冷却液流量和热管理系统的体积。     

高功率二极管激光器模块式微通道冷却器研制

针对高功率二极管激光器(DL)的散热需求,对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算,优化了冷却器的结构参数.冷却器采用Cu-WCu合金复合结构,由多层金属片焊接而成,其内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作,上、下表面采用硬度高,热导率也较高的WCu合金制作.这种结构不仅避免了无氧铜较软、面形和棱边质量难控制的缺点,还可提高冷却器的强度,使冷却器可以做得较薄.冷却器外形尺寸为25.0 mm×12.0 mm×1.5 mm.使用连续二极管激光器板条和模拟热源对不同内部结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量,冷却器的热阻为0.4～0.8 K/W.研制的模块式微通道冷却器可满足连续50 W或脉冲功率120 W(20%占空比)的高功率二极管激光器板条的散热需求,堆叠的二维叠阵DL可以很好地用作高平均功率DPL的泵浦源.     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

 报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器，采用高效均匀泵浦耦合技术，在峰值功率1.008kW，占空比25％, 电-光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下，用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质，获得了峰值功率404W，平均功率101W的准连续激光输出，光-光效率达到40%，电-光效率超过18%。     

V形槽硅微通道冷却器的研制

高平均功率的二极管泵浦固体激光器（DPL）要求用于泵浦的二极管阵列功率密度达到1kW／cm^2，由于二极管运行的电光效率只有40％50％，需要高强度的冷却器来对面阵进行冷却。V型槽硅微通道冷却器。结构紧凑，具有较高的冷却能力，可在其V形槽上同时焊接多条bar而形成面阵。从而能大幅提高封装工艺的集成度，降低封装成本，使大规模地封装高功率激光二极管阵列成为可能。     

High packing density laser diode stack arrays using Al-free active region laser bars with a broad waveguide and discrete copper microchannel-cooled heatsinks

A high packing density laser diode stack array is developed utilizing Al-free active region laser bars with a broad waveguide and discrete copper microchannel-cooled heatsinks. The microchannel cooling technology leads to a 10-bar laser diode stack array having the thermal resistance of 0.199 ℃/W, and enables the device to be operated under continuous-wave （CW） condition at an output power of 1200 W. The thickness of the discrete copper heatsink is only 1.5 mm, which results in a high packing density and a small bar pitch of 1.8 mm.     

808 nm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。     

Jet-type, water-cooled heat sink that yields 255-W continuous-wave laser output at 808 nm from a 1-cm laser diode bar

A newly designed jet-type, water-cooled heat sink (the funryu heat sink, meaning fountain flow in Japanese) yielded 255-W cw laser output at 808 nm from a 1-cm bar made from InGaAsP/InGaP quantum-well active layers with a 67% fill factor [70 quantum-well laser diode (LD) array along the 1-cm bar]. A funryu heat sink measuring 1.1 mm in thickness gave the LD 0.25 degrees C/W thermal resistance, one of the lowest values achieved with a 1-cm LD bar. Over a short period of operation, the device reached a maximum cw power of 255 W. To the best of our knowledge, this is the highest power ever achieved in 808-nm LD operation. In the future, the funryu heat sink may be capable of 80-W cw operation over an extended lifetime of several thousand hours.     

基于微蒸发腔制冷的大功率激光二极管制冷组件

利用节流的高压冷却介质在微蒸发腔内相变吸热,设计了一种用于大功率激光二极管制冷的封装组件。该组件采用高热导的无氧铜,用精密线切割、化学腐蚀等技术制作微蒸发腔,再通过自制的焊接设备完成制冷组件的封装。按照大功率激光二极管条的发热模型,理论上对微蒸发腔制冷组件的温度分布进行了数值模拟,结果与60 W激光二极管条的散热实验符合较好,得到制冷剂流量为23 m L/min时的热阻为0.289℃/W。     

基于沸腾-空化耦合效应的微通道线阵LD用热沉

 针对大功率LD的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,研制了一种微通道相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。依据加工条件确定通道宽度、深度以及间距,采用2维数值模型估算了通道长度,热沉材料采用无氧铜,多层叠焊,外形尺寸为20 mm×12 mm×1.6 mm。实验测试了连续功率LD输出0～100 W时的电 光转换效率以及电流 输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速50 r/s时热沉热阻为0.3 ℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的散热能力,能够满足大功率LD的散热要求。     

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。     

Fiber Optic Coupling of CW Linear Laser Diode Array

Based on a set of microoptics the output radiation from a continuous wave (CW) linear laser diode array is coupled into a multi-mode optical fiber of 400 μm diameter.The CW linear laser diode array is a 1 cm laser diode bar with 19 stripes with 100 μm aperture spaced on 500 μm centers.The coupling system contains packaged laser diode bar,fast axis collimator,slow axis collimation array,beam transformation system and focusing system.The high brightness,high power density and single fiber output of a laser diode bar is achieved.The coupling efficiency is 65% and the power density is up to 1.03×104 W/cm2.