高效率连续1 000 W半导体激光器叠层阵列

采用低压MOCVD外延技术生长的GaInAs/AlGaAs应变量子阱大光腔结构材料结构设计,利用低压MOCVD外延技术生长了3英寸(75 mm)激光器外延片,进而设计制作了976 nm大功率低热阻连续激光器芯片。采用以及高热导率的无氧铜材料设计制作了大功率微通道热沉,采用In焊料芯片倒装烧结工艺,制作了976 nm连续激光器阵列单条。在20℃水冷条件下,输入电流120 A,工作电压1.51 V,输出功率达到118 W,电光功率转换效率约65%。将10只微通道阵列单条堆叠组装,制作了连续1 000 W微通道叠层阵列。在20℃水冷条件下,输入电流120 A,输出功率达到1 130 W,工作电压1.45 V,电光功率转换效率约65%。     

高效率大功率连续半导体激光器

从大功率半导体激光器的工作机理出发,对影响激光器电光转换效率的主要因素,如激光器的斜率效率ηd、阈值电流Ith、开启电压V0、串联电阻Rs以及工作电流I等进行了分析,进而讨论了提高电光转换效率的主要技术途径。通过对应变量子阱大光腔激光器外延材料开启特性的优化、大功率激光器芯片横向限制工艺的改进以及对大功率微通道热沉制作等技术的研究,制作了808nm连续半导体激光器阵列。在工作电流140A时,阵列工作电压为1.83V,输出功率145W,电光转换效率达到56.6%。     

高工作温度抽运用大功率激光二极管研究

理论分析了工作温度对大功率激光二极管的工作波长、电光效率和器件寿命等的影响,采用波长补偿、高特征温度无铝材料设计外延和一体化烧焊等技术,设计制作了808 nm准连续波(QCW)高温激光器阵列。在热沉温度70℃的工作条件下,80 A单条输出功率大于65 W,20℃~70℃范围内特征温度T0达到145 K。10叠层阵列电光效率达到53%,工作寿命大于109次脉冲。     

140W高功率非对称宽波导980nm半导体激光器

为了提高半导体激光器(LD)的出光功率,优化了P型波导层以及限制层的厚度。将光场的对称分布变成非对称分布,降低了有源区的光限制因子,从而降低了器件腔面的功率密度,避免器件出现腔面灾变损伤(COD);提高LD的电光转换效率,减小器件的散热路径,降低器件的热阻,从而有效抑制了器件的热饱和。设计并制作了非对称宽波导980 nm高功率LD。器件的综合测试性能为:当器件的注入电流为161 A时,器件的输出功率达到139.6 W,对应的斜率效率、电压和电光转换效率分别为0.91 W/A、1.79 V和48.4%。     

高温高效率半导体激光器阵列封装结构研究

分析了热沉和陶瓷基板对背冷式封装结构半导体激光器阵列性能的影响.通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻,并实现了热膨胀系数匹配;采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术,提高了封装散热能力和稳定性.制作了间距为0.4 mm的5Bar条芯片阵列样品,在70℃热沉温度、200 A工作电流(占空比为1％)条件下进行性能测试,结果显示器件输出功率为1 065 W、电光转换效率为59.2％.在高温大电流条件下进行了 1 824 h寿命试验,器件表现出良好的可靠性.     

两相冲击强化换热激光二极管用单片热沉

针对大功率激光二极管(LD)的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,以及场协同理论,研制了一种微通道两相冲击强化相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。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23 Hz时热沉热阻为0.211℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的取热能力,能够满足大功率LD的散热要求。与改进前的热沉相比,基于场协同理论优化了的两相冲击热沉,热阻明显下降。     

高功率连续运转二极管列阵激光器

针对InGaAs/GaAsP/AlGaAs应变补偿量子阱非对称宽波导结构进行了实验研究。利用不同腔长,100μm发光区,500μm周期的管芯测量了外延片的内量子效率和内损耗,其分别为83.81%和0.698 2 cm-1;采用C-mount标准封装,腔长为1.5 mm的单管测量了阈值电流和微分量子效率的特征温度,其分别为299和1 278 K;采用填充因子为74%,高纯度In焊料烧结,标准热沉封装制备了列阵激光器,比较了三种不同腔长的器件的P-I特性。最终确定腔长为1.5 mm,当工作电流为230 A时,二极管列阵激光器最大连续输出功率为204 W,电光转换效率为52%。     

多通道及铟封技术改善晶体热效应

为了解决激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中晶棒的散热问题,结合多通道和铟封技术,设计并加工了新型散热装置。采用激光二极管端面抽运Nd:GdVO4晶棒,在输入抽运功率28 W的时候,利用传统铟包式直通孔热沉器、铟包多通道式热沉器和铟封多通道热沉器分别获得8.7 W,10.5 W和11.9 W的最大输出功率, 相应的光-光转换效率分别为31%,38%和44%,斜率效率分别为36%,42%和49%。而且采用铟封多通道热沉器,输入40 W的抽运功率时得到了17.5 W的输出功率,此时仍未见饱和。可见无论最大输出功率,光-光转换效率还是斜率效率,结合了铟封技术的多通道式热沉器都比前两种热沉器散热效果好。此外,通过对热透镜焦距和基模输出功率的测量,进一步验证了铟封技术的多通道式热沉器的优点。     

808nm大功率连续半导体激光器研究

利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)技术,生长了AlGaInAs/AlGaAs分别限制压应变单量子阱材料,利用该材料制成3mm宽、填充因子20%的半导体激光器阵列(版型100μm/500μm,6个发光单元),通过腔面反射率设计确定了最佳反射率,采用CS载体标准封装。在输入电流8A、水冷19℃条件下测试,输出功率达到8.4W,阈值电流为1.8A,斜率效率为1.26W/A,功率转换效率为59.4%,波长为805.7nm,光谱半宽为1.8nm;输入电流12A时,输出功率达到13W,斜率效率为1.22W/A,功率转换效率为58.9%,波长为807.9nm,光谱半宽为2.0nm。     

半导体激光器边缘绝热封装改善慢轴光束质量

为了削弱激光器工作时芯片横向温度不均而导致的热透镜效应对慢轴发散角的影响,提高慢轴的光束质量,引入了边缘绝热封装方式,即在激光器芯片两侧与过渡热沉之间加入空气隙,以降低两侧的传导散热。利用有限元分析软件ANSYS 18.0对该封装结构中激光器芯片的温度进行仿真。结果表明:当工作电流为1.6 A,芯片与热沉的接触宽为200μm时,慢轴发散角由普通封装时的11.5°减小至8.2°,降幅为28%,光束参数积和光束质量因子也分别降低了28%和24%,热阻增大了6%。边缘绝热封装对器件激射波长、阈值电流、电光转换效率的影响很小。     

连续激光供能单结GaAs光电池输出特性仿真

为了研究808 nm连续激光供能对单结GaAs光电池输出性能的影响,利用COMSOL和MATLAB软件构建了相应物理模型,通过数值仿真研究了激光功率密度、等效串并联电阻和减反膜对热稳态时光电池伏安特性、开路电压、短路电流、光电转换效率、填充因子和稳态工作温度的影响。结果表明:随着激光功率密度增大,开路电压和短路电流不断增大,且转换效率和填充因子都具有最大值;减小等效串联电阻和增大等效并联电阻是提高光电池输出性能的有效方法;减反膜结构对提高光电池转换效率非常重要,但也使光电池热稳态工作温度较高。当入射功率密度为62.4 mW/cm2时,光电池热稳态输出效率达到最高为50.13%。该数值模拟结果与相关实验结果基本相符,对连续激光供能光电池输出特性研究提供一定的理论依据。     

60%电光效率高功率激光二极管阵列

设计并制备了980 nm高量子效率和极低光损耗的激光二极管(LD)外延材料和器件.微通道封装1 cm激光二极管阵列在连续(CW)工作条件下最大电光效率达到60.0%,相应的斜率效率和输出光功率分别为1.1W /A和38.2 W.测试得到外延材料的内损耗系数和内量子效率分别为0.58 cm-1和91.6%.测试分析表明,器件电光效率的提高主要在于新型的InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱和大光腔结构设计.     

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%。     

259W准连续无铝808nm激光二极管线列阵

通过优化张应变量子阱外延结构和设计线列阵双沟道深隔离槽腐蚀工艺,采用低压金属有机化学气相沉积法(LP-MOCVD)生长了GaAsP/GalnP/AlGaInP单量子阱分别限制异质结激光器材料,并利用该材料制备r填充因子为50%的lcm宽线列阵激光巴条,用扫描电子显微镜(SEM)分析了隔离槽的形貌.在准连续工作条件(200μs脉宽,2%占空比)下,封装在被动制冷标准铜热沉上的器件在测试设备允许的最大驱动电流300A时可获得259W的输出功率,未观察到腔面光学灾变性损伤的发生.最高功率转换效率在工作电流为104A时达52%,此时输出功率为100W,激射光谱的中心波长为807.8nm,半高宽为2.4nm,快慢轴远场发散角分别为29.3°和7.5°.     

金属支架0.5 W红外发光二极管研究

设计了一种采用金属支架直接导热的大功率红外发光二极管封装结构.该封装结构通过增加芯片底部金属座的厚度和尺寸,有效改善了散热性能,降低了封装热阻.实验测量表明,大功率红外发光二极管峰值波长为850nm,发光束角10°,典型输入功率为0.5W,最大输入功率可以达到2W以上,最大电光转换效率可达37.82%,最大辐射功率达到415.25 mW.

Abstract：

Using metal framework for heat conduction,a new packaging structure for power infrared light-emitting diode (LED) is introduced.This structure improves the heat dissipation effectively by increasing the size and the thickness of the metal framework.Experiment results show that the peak wavelength of the infrared LED is 850 nm,with the beam angle of 10° The typical input power is 0.5 W,and the maximum input power can reach higher than 2 W.The largest electro-optical conversion efficiency is up to 37.82%,and the largest radiation power reaches 415.25 mW.     

高功率高可靠性9XX nm激光二极管

为了提高半导体激光二极管的输出功率和可靠性,通过在有源区两侧势垒层和波导层之间引入高禁带宽度的GaAsP,抑制有源区载流子的泄漏,极大地改善了器件的性能。研究结果表明:在10~40℃温度范围内器件特征温度从原来的150 K提高至197.37 K(-75.76℃),峰值波长随温度的漂移系数为0.207 nm/℃;条宽200μm、腔长2000μm的9XX nm激光二极管可靠性工作的最大输出功率高达14.4 W;器件在注入电流为7 A时取得71.8%的最大电光转换效率,斜率效率为1.21 W/A。器件在恒定电流下的加速老化测试显示激光二极管可靠性工作寿命达2000 h以上。     

高功率980nm非对称宽波导半导体激光器设计

设计了980nm非对称宽波导InGaAs/InGaAsP量子阱激光器,并在结构中插入电流阻挡层,有效地阻止载流子的泄露。用LASTIP软件对980nm非对称宽波导量子阱激光器进行理论模拟,与传统的980nm对称宽波导量子阱激光器相比,非对称宽波导量子阱激光器波导和量子阱之间有更小的能带差,非对称宽波导结构具有更低的阈值电流,更高的斜效率以及更低的阻抗,所以带有电流阻挡层的980nm非对称宽波导InGaAs/InGaAsP量子阱激光器有更高的光电转换效率和输出功率。     

温控高纯KTP内腔倍频Nd:YAG激光器

将高纯KTP晶体置于一温控炉内,利用温度调谐,在一声光调Q,直腔式Nd:YAG激光器中获得了高功率、高效率倍频绿光输出.最高倍频绿光输出功率超过38 W,倍频光输出功率的转换效率大于0.91%,不稳定度为±2.3%.高纯KTP与一般KTP相比,倍频效率提高了18.8%.     

Power conversion efficiency of semiconductor injection lasers and laser arrays in CW operation

In many applications it is important to optimize the power conversion efficiency of semiconductor lasers and laser arrays. A method for calculating this efficiency which takes into account temperature effects is described, and some calculated results are presented and discussed. It is found that under certain conditions, a small increase in the thermal resistance of the device can result in a large reduction of its efficiency. Temperature effects are important in high-power semiconductor lasers, and in particular in laser arrays, where low thermal resistance heat sinking may be crucial to the device operation.     

半导体激光器端面抽运高功率高效Nd∶YVO4固体激光器

报道了一种光纤耦合半导体激光器端面抽运高功率高效Nd∶YVO₄固体激光器。在抽运功率为20 W时获得了11 W的TEM00模输出,光-光转换效率为55%;而抽运功率为12 W时输出功率为7.1 W,光-光转换效率为59%,斜效率达64%。在高抽运功率下测量了Nd∶YVO₄晶体的热透镜焦距,结果表明：得到有效冷却的低浓度和高质量的Nd∶YVO4晶体,其热聚焦作用实际上相对很弱。