新型辐射桥结构VCSEL的设计、制作和热特性分析

为了改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性,提高器件的输出功率,设计并制作了一种新型辐射桥结构VCSEL。利用有限元热分析软件ANSYS,模拟了常规结构和辐射桥结构VCSEL内部的热场分布和热矢量分布。经模拟得到,常规结构器件的热阻为4.13K/W,辐射桥结构的热阻为2.64K/W。而经实验测得,常规结构器件的热阻为4.40K/W,辐射桥结构器件的热阻为2.93K/W,实验测试结果与模拟结果吻合较好。同时测得,常规结构器件的最大输出功率为305mW,辐射桥结构器件的最大输出功率为430mW,后者的输出功率提高了40%。     

碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究

为研究基于碳化硅(SiC)陶瓷封装的高功率半导体激光器的散热性能,将其与常用的氮化铝(AlN)陶瓷进行对比,使用基于结构函数法的热阻仪分别测量SiC和AlN封装F-mount器件的热阻值,得到SiC器件的总热阻约为3.0℃·W~(-1),AlN的约为3.4℃·W~(-1),SiC器件的实测热阻值比AlN器件低14.7%,实验结果表明SiC过渡热沉具有较好的散热性能。实验进一步测试了两种过渡热沉封装器件的输出性能,在16A连续电流注入时,915nm波段的SiC器件单管输出功率为15.9 W,AlN为15 W,测试结果显示SiC封装的器件具有更高的功率输出水平。     

新型结构垂直腔面发射激光器的研制

为改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性.提高其光电性能,研制了新型辐射桥结构的VCSEL,即采用辐射桥状的电流注入通道取代以往传统结构VCSEL的环形电流注入通道.研究表明辐射桥结构可以降低VCSEL器件的体电阻和热阻,改善器件的模式特性.在同一外延片上,采用相同的工艺制备了辐射桥结构与传统结构两种VCSEL器件,并对两种器件的光电性能进行了对比测试.结果表明,辐射桥结构VCSEL比传统结构的VCSEL微分电阻降低25%,输出功率提高到1.6倍;辐射桥结构的VCSEL具有良好的温度特性与模式特性,80℃时仍能正常激射,60℃时最大输出功率可达17 mW,器件的热阻可达1.95℃/mW;器件单模工作,其总体性能远优于传统结构的VCSEL器件.     

基于光谱学方法半导体激光器热特性测量

报道了一种基于激射光谱进行半导体激光器热特性测量的实验方法。结果表明,基于分析在不同脉冲驱动条件下1.3μm InAsP/InGaAsP脊波导应变补偿多量子阱激光器的激射光谱,可以得到该激光器的热阻等热特性参数。实验中也测量了该激光器的其他与热特性相关的光谱特性,如激光器激射光谱随驱动电流的变化等。该方法也可用于其他波段半导体激光器的热特性测量。     

基于光谱学方法半导体激光器热特性测量

报道了一种基于激射光谱进行半导体激光器热特性测量的实验方法。结果表明，基于分析在不同脉冲驱动条件下1．3μm InAsp/IngaAsp脊波导应变补偿多量子阱激光器的激射光谱，可以得到该激光器的热阻等热特性参数。实验中也测量了该激光器的其他与热特性相关的光谱特性，如激光器激射光谱随驱动电流的变化等。该方法也可用于其他波段半导体激光器的热特性测量。     

基于脉冲I-V测试方法的半导体激光器热特性测量

报道了一种在脉冲驱动条件下基于半导体激光器I—V特性测量进行半导体激光器热特性表征的实验方法。结果表明,基于分析在不同脉冲驱动条件下1.3μm InAsP/InGaAsP脊型波导应变补偿多量子阱激光器芯片的I—V特性,可以方便地得到该激光器的热阻等热特性参数。本文还对该激光器在不同脉冲驱动条件下的驱动电流和结电压波形进行了讨论。该方法也可用于其它波段的半导体激光器的热特性表征。     

基于脉冲I—V测试方法的半导体激光器热特性测量

报道了一种在脉冲驱动条件下基于半导体激光器I-V特性测量进行半导体激光器热特性表征的实验方法，结果表明，基于分析在不同脉冲驱动条件下1.3μmInAsP/InGaAsP脊型波导应变补偿多量子阱激光器芯片的I-V特性，可以方便地得到该激光器的热阻等热特性参数。本还对该激光器在不同脉冲驱动条件下的驱动电流和结电压波形进行了讨论。该方法也可用于其它波段的半导体激光器的热特性表征。     

激光二极管合束模块整体散热热阻分析

半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻),使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法,人们往往根据自身的研究对象,用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量,得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。     

大功率半导体激光器载体设计

激光器工作时由于存在各种非辐射复合损耗和自由载流子吸收等损耗机制,使注入到器件中的部分电功率转换成热耗散在激光器内,直接影响激光器的效率和寿命,因此散热处理一直是一个引人注意的焦点。采用微通道载体解决大功率半导体激光器阵列连续工作时散热问题,通过ANSYS软件模拟优化结构参数,实验测得了大功率半导体激光器阵列热阻。     

隧道再生半导体激光器的三维稳态热特性研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型,利用有限元方法模拟计算得到了两有源区隧道再生半导体激光器稳态三维温度分布.模拟结果表明,靠近衬底的有源区的光出射腔面中心的温度最高.在平行于结的方向上,温升集中在脊形电极内;在垂直于结的方向上,靠近衬底的有源区温度始终高于靠近热沉的有源区的温度;沿腔长方向,在光反射腔面附近温度下降较快.随着注入电流的增大,两有源区的温度升高,温差变大.实验测量了不同注入电流下器件的峰值波长,将其转换为温升,与模拟结果吻合.     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

重频光脉冲对半绝缘GaAs光导开关损伤分析

通过波长为1 064 nm的重频激光光脉冲触发半绝缘GaAs光导开关损伤测试实验,观察脉冲激光触发过程中光电导开关电阻率的变化,对比低重频(1 kHz)和高重频的激光脉冲对GaAs光电导开关芯片的损伤阈值,分析了不同重复频率的激光脉冲引起光导开关芯片材料光损伤的主要原因,并探讨了损伤机理。研究表明,在重复频率激光作用下GaAs光导开关芯片材料的破坏阈值比在单脉冲作用下低,且不同重复频率的激光辐照下材料表面的温升速率不同。当激励光脉冲重复频率较低(1 kHz)时,芯片内的温升效应不显著,此时光损伤与重复频率无明显依赖关系,主要损伤机制为微损伤累积;而当重复频率较高时,开关材料内热积累引起的损伤占主要地位。     

重复频率泵浦钕玻璃放大器的热性能分析

重复频率激光放大器在重频工作条件下,激光增益介质的温度升高会影响其放大能力,其内部的温度梯度会影响激光光束的光学质量,甚至会发生激光增益介质的热破坏。对国产抗热冲击钕玻璃棒工作在一定频率下的温度分布和波前畸变进行了数值分析,讨论了国产抗热冲击型钕玻璃棒在重频下的工作性能并进行了实验验证。理论和实验结果表明:在1800J的氙灯泵浦能量条件下,Φ16mm×216 mm的钕玻璃棒(掺杂0.5%)在0.1 Hz工作条件下,钕玻璃棒在3 min左右就可达到热平衡,其波前畸变量为0.5λ;在400 mJ(5 ns)的注入能量条件下,其输出能量为1.2 J。     

976 nm高效率半导体激光器

976 nm高效率半导体激光器是这几年研究的热点,在固体激光器泵浦领域有广阔的应用。通过优化半导体激光器材料外延结构中包覆层和波导层的铝组分,降低了工作电压;通过采用微通道水冷系统,并进行优化降低了热阻,从而提高了室温下的电光转换效率。25℃室温连续测试条件下,1 cm的线阵列(巴条),2 mm腔长,50%填充因子,在110 A下,出光功率为114.2 W,电压为1.46 V,电光转换效率为71%。15条微通道封装成的垂直叠阵,进行光束整形后,获得了室温976 nm连续输出功率1 500 W,电光转换效率大于70%。     

Optical signal generation at millimeter-wave repetition rates usingsemiconductor lasers with pulsed subharmonic optical injection

A new technique is presented and investigated systematically which generates optical signals at millimeter-wave repetition rates from a semiconductor laser, without the need for an intracavity saturable absorber. Optical pulses are generated from a long-cavity semiconductor laser with a repetition rate equal to its cavity resonant frequency by injecting short optical pulses at one of the cavity resonance subharmonics. A rate-equation model is proposed to explain the mechanism of this subharmonic optical injection method. Optical pulses with repetition rates of 35 and 56 GHz are generated using the proposed scheme from a semiconductor laser with a distributed Bragg reflector and a Fabry-Perot laser diode, respectively. The performance of the generated pulses is also evaluated in terms of detected RF power at the repetition frequencies, the subharmonic suppression ratio, phase noise, and timing jitter as a function of frequency detuning, injected optical power, laser bias current, and, finally, the subharmonic number. It is found that the generated optical pulses exhibit large subharmonic suppression ratio (>17 dB), large locking ranges >400 MHz, low levels of phase noise (~-93 dBc/Hz@10 kHz) and timing jitter (<0.41 ps over 100 Hz to 10 MHz), and large tolerance to variations in operating parameters     

低抖动准分子激光放大器光源的研究

为了获得低抖动的准分子激光放大器光源,设计了一种以氢闸流管作为高压开关的低抖动准分子激光放大器系统。利用抖动小于4 ns的闸流管触发电路来触发导通氢闸流管,从外部触发信号到准分子光信号之间有一定的延时时间。研究了以氢闸流管作为高压开关的准分子激光放电回路,外部控制信号发生电路产生外部充电信号和出光信号,转换电路将外部充电信号和出光信号转换成固定脉宽的光信号,在实现低抖动出光前,准分子激光放大器系统热平衡过程中会有一定的出光延时漂移现象。讨论了激光运行重复率、激光运行电压和气体状态在热平衡过程中对稳定延迟时间大小的影响。实验表明,在相同运行电压下,稳定延迟时间随着激光运行重复频率的提高而增大;运行电压越高,稳定延迟时间上升的幅度越大。气体恶化后,光脉冲稳定延迟时间变小。激光运行电压和重复频率越高,延时漂移时间越大。在温漂一定时间后,准分子激光放大器内部系统达到热平衡,以外部触发信号为基准,准分子光脉冲信号实现在5、10、15 Hz重复频率下的5 ns内低抖动出光。     

隧道再生大功率半导体激光器瞬态热特性研究

讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布，利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布，同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值，与计算结果进行了比较，二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度；用金刚石一铜热沉替换铜热沉，还可以很好地降低器件内部温升，使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。     

无热电恒温的小型重频二极管抽运板条激光器

为了研制一种能在-40℃～+65℃环境下适用于机载吊舱的小型风冷重频二极管抽运Nd∶YAG板条激光器,克服采用热电恒温二极管抽运源的一系列问题,采用了无热电恒温二极管抽运源的方法,并进行了实验验证。结果表明,该激光器能在-40℃～+65℃环境下,以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作,激光输出能量100mJ～150mJ,激光脉宽6ns～7ns,激光束散角经4倍天线扩束后约1mrad。该激光器能适用于多种机载或车载激光测距/指示仪。     

Investigations of transient thermal properties of conductively cooled diode laser arrays operating under quasicontinuous-wave conditions

Thermal properties of diode laser arrays not only affect electrical and optical characteristics, they can also become determining factors for long-term reliability of the devices. Here, we report on the investigations of transient thermal effects in high-power diode arrays operating under quasicontinuous-wave (QCW) conditions. A novel measurement setup for the transient junction temperature determination is proposed. We show the measurement results of conductively cooled diode laser arrays mounted on the conventional copper heat sink as well as on the thermal expansion matched CuW submount. The presented results allow evaluation of the thermal cycling experienced by the device during pulsed operation. In the following part, time-resolved wavelength and temperature variations within an array are presented. The guidance for heat sink material choice for high-power diode laser arrays designed for QCW operation is given.     

半导体薄片激光器窗口散热模式的热效应

基于垂直外腔面发射半导体激光器窗口散热模式的传热模型,用有限元法计算了不同条件下量子阱有源区的温度变化,建立了量子阱最高温度的等效热阻模型和计算公式,并通过拟合确定了热阻模型的相关参数.计算表明量子阱最高温度与抽运功率存在线性关系,与光斑面积近反比关系,窗口散热片可显著降低量子阱有源区温度和温度的不均匀度.等效热阻模型表明由于半导体晶片内热流在径向难以扩散,热传导中存在较大串联热阻,使得散热片热扩散能力趋于饱和,其中碳化硅的散热性能约为金刚石的75%.