大功率激光器老化测试

        大功率半导体激光器及大功率半导体激光器泵浦激光器在材料加工、激光打标、激光测距、激光存储、激光显示、激光照明、激光医疗等民用领域,以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用。如何实现大功率半导体激光器的可靠性及老化测试评价,包括对测试系统泵浦源的研究，一直以来都是学科热点和国际制造研究的重要方向之一。

        本方案将为您介绍一款千瓦级半导体激光器在线测试与老化系统,以及兼容CW及QCW的老化电源。产品可对每支老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行实时采集,并对热沉温度、冷却循环水的流量、水温进行实时监测,具有功能完备、可靠性高、性价比优的优点,可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。

关键词:激光器;芯片;封装测试;泵浦源;失效分析;可靠性测试;老化测试;光功率

        激光器主要由泵浦源、增益介质、谐振腔组成。其中,泵浦源为激光器的光源,为激光器提供能量。激光器可以根据泵浦方式分为电泵浦、化学泵浦、光泵浦、气动泵浦四大类,也可以根据增益介质分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。半导体激光器既可以单独作为激光器使用,又同时可作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。

        使用半导体激光器做固体激光器泵浦源可以同时兼容固体激光器及半导体激光器的双重优点:高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小,目前半导体激光器已逐步取代传统的氯灯或氩灯，成为固体激光器的主要泵浦源,广泛应用于材料加工、医疗和科学研究领域。

表：激光器类型对比

        泵浦源是激光能量的源头,根据能量守恒定律,激光器输出激光能量束,需要在产生激光时输入能量,泵浦源即是起到对增益介质进行能量激励的作用。激光器工作时,由泵浦源向增益介质注入能量进行激励,增益介质的电子受到能量激励后发生能级跃迁,由基态跃迁至激发态,由于激发态相较于基态是非稳定状态，电子会自发地回归到基态,并放出光子。无数光子在谐振腔两个断面循环,往复运动,不断叠加,最终输出方向、频率高度一致、高能量的激光束。

图：激光器工作原理图

图：激光器受激辐射原理示意图

        大功率半导体激光器主要分为单管与bar条两种结构,单管结构多采用宽条大光腔的设计,并增加了增益区域,以实现高功率输出,减少腔面灾变损伤;bar条结构为多个单管激光器的并联线阵,多个激光器同时工作,再经过合束等手段实现高功率激光输出。

图：激光器单管与bar条(线阵)结构

图：边发射激光器和面发射激光器

半导体激光器的典型封装

        封装对半导体激光器的作用:一是建立电流环路,使芯片能受到电流的刺激而产生光(受激辐射光放大);二是散热,解决芯片发光时产生的热量;三是对芯片及电路起到保护的作用。

        按功用来分,半导体激光器的封装类型有两种,一是保护壳封装,二是芯片封装。保护壳封装主要有TO封装和蝶形封装等。这种封装结构是把cos用金属等其他材料的保护罩密封起来,好处在于:一是使其轻易不会被损坏,二是腔面被污染的几率得到了有效降低,三是十分便于携带。芯片封装主要有F-Mount型封装、C-Mount型封装等。芯片封装是把芯片直接焊接在不同结构、不同材料的热沉上的一种方法,热沉的作用主要是把芯片发光时产生的热量散掉,保证芯片能持续稳定的工作。

半导体激光器芯片测试的重要性与现状

        激光器芯片的测试比较复杂,牵涉到光、电的测量,也要考虑封装形式的区别。与同等功率水平的传统固体激光器或气体激光器相比,大功率激光器在光束质量、工作效率、结构体积、寿命和系统维护等方面具有明显的优势。但与此同时,由于单颗芯片出光功率大,单位面积产生的热量大,如果不做好散热技术,将直接影响半导体激光器输出功率、阈值电流密度、电光转化效率、微分量子效率、偏振度等性能,并导致半导体激光器寿命和可靠性的下降,甚至会损毁芯片,最终影响器件可靠性。因此,在交付使用之前将激光器芯片置于高的温度和电流等极端操作条件下进行寿命和可靠性实验,淘汰早期失效器件并检测出失效因素,在激光产业链发展中起着非常重要的作用。

        目前,大功率激光器芯片在大电流工作连续输出时普遍面临着各种难点:

1、激光器芯片的测量一般都要看LIV数据,光电参数受热的影响比较大,随着温度的升高,芯片的阈值电流增加;

2、激光器芯片直流、宽脉冲下的测试结果不准;3、大功率激光器抗浪涌冲击能力差,要求脉冲电流无过冲,浪涌冲击小;

4、电源的波动会影响激光器的寿命,同时会造成光功率不稳定及器件发热不稳定等。

创新技术突破,国产化极优性价比激光器老化测试系统解决方案

        基于率先国产化数字源表(SMU)的技术开发实力,以及多年来产品覆盖国际通信及半导体头部用户的认可和应用研究,武汉普赛斯针对千瓦级大功率半导体激光器芯片需要使用窄脉冲大电流测试和老化、芯片发热严重等问题,创新开发推出一套通用性好、大功率、循环水冷的老化测试系统。产品具有大电流窄脉冲恒流特性好、电流稳定、抗干扰能力强,并具有防过冲、防反冲、反浪涌的稳压及恒流的双重保护电路等功能,为泵浦激光器的老化测试提供了一个完整的解决方案。实现多单元、高效率、自动监控并记录上传测试数据的一体化测试系统。

图：普赛斯LDBIXX系列多路大功率激光器老化系统

        经过多年对数字源表的系统研究与产品产业化的良好基础,普赛斯泵浦激光器老化测试系统采用全新开发、自主设计的大电流脉冲恒流源,可以兼容CW模式(60A)以及QCW模式(600A)支持直流恒流、直流扫描、脉冲直流、脉冲扫描等四种模式。驱动电源通过RS485接口控制,上位机设定输出电流,并可读出实际输出值;另外还可以一主多从的方式多台串并联,上位机只需控制主机,从机即可实现同步输出。支持线性扫描、对数扫描及自定义扫描。

图：普赛斯HCPLOXX系列大功率激光器测试电源

        普赛斯为大功率半导体激光器的老化测试提供了一个完整的解决方案。欲了解更多系统方案详情，欢迎来电咨询18140663476！