1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一，而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法，对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条件A[22 ℃， 1.4 A]，B[42 ℃，1.4 A]，C[42 ℃，1.8 A]，D[62 ℃，1.8 A]下的电流-温度交叉步进加速退化试验研究，对光输出功率退化轨迹进行拟合，按照80%功率退化作为失效判据，结合修正后的艾琳模型和威布尔分布外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间（MTTF）为5 811 h。文中给出了完整的加速退化模型建立过程与详细的外推寿命计算方法，并对模型进行了准确性检验，误差不超过10%。该方法相比单应力恒定加速试验方法，可以大幅度节约试验时间和试验成本，这对于大功率半导体激光器的自主研制具有重要的指导意义。
大功率半导体激光器 加速退化试验 双应力 寿命 high-power laser diodes accelerated degradation test double-stress lifetime 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220592
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 School of Physics and information Technology, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China
A novel black phosphorus (BP) solution saturable absorber (SA) is fabricated by the liquid-phase-exfoliated method and successfully used for passively Q-switched (QS) Nd:YVO4 laser. Compared with a traditional solid SA, a BP solution SA possesses more excellent optical transparency and higher damage resistance. The shortest pulse duration and highest average output power are measured to be 119 ns and 1.23 W, respectively. To the best of our knowledge, both of them are the best results among QS solid-state lasers with BP-based absorbers so far. The repetition rate is in the range of 533.2 to 722 kHz. The results indicate the potential application of the BP solution SA into high-power solid-state pulse lasers.
140.3540 Lasers, Q-switched 140.3580 Lasers, solid-state 160.4330 Nonlinear optical materials Chinese Optics Letters
2017, 15(1): 011402
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 西安立芯光电科技有限公司, 陕西 西安 710077
通过设计极低损耗808 nm半导体激光芯片外延结构, 实现腔内损耗小于0.5 cm-1。采用该高效率外延结构研制出高峰值功率808 nm巴条芯片, 巴条的填充因子为85%, 包含60个发光点, 发光区宽度为140 μm, 腔长为2 mm。在驱动电流为500 A, 脉冲宽度为200 μs, 重复频率为400 Hz, 占空比为8%的工作条件下, 该芯片的准连续(QCW)峰值输出功率为613 W, 斜率效率达1.34 W/A,峰值波长为807.46 nm, 光谱半峰全宽为2.88 nm。任意选取5只芯片, 在准连续300 W(占空比8%)条件下进行了寿命验证, 芯片寿命达到3.63×109 shot, 定功率300 W下电流变化小于10%, 达到商业化水平。
激光光学 半导体激光芯片 峰值功率 光损耗 寿命
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室， 西安 710119
2 西安炬光科技有限公司， 西安 710119
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 μs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。
激光器 热串扰 有限单元法 半导体激光器阵列 热阻 laser thermal crosstalk finite element method diode laser array thermal resistance
1 苏州生物医学工程技术研究所， 江苏 苏州 215163
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
从M2因子、远场发散角、近场及远场光强分布等方面对大功率底发射半导体激光器光束质量进行研究，分析了不同器件参数对光束质量的影响，为寻找有效改善光束质量的方法提供了依据。设计了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光（VCSEL）阵列。通过调制阵列中各单元直径以及单元间距， 在4 A的工作电流下得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布。与具有相同出光面积的单管器件和4×4二维阵列比较，新型阵列的光谱特性及光束质量均具有优越性。
激光器 垂直腔面发射 阵列 光束质量
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激发态物理重点实验室,吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院,北京 100049
报道了980 nm高功率低发散角垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。通过增大阵列单元的出光孔径和单元间距来减小阵列器件的电阻和热阻,制作的台面为直径250 μm,氧化孔径200 μm,单元间距280 μm的4×4二维阵列,与有源区面积相同的单管器件相比具有更高的输出功率。在室温连续工作条件下,阵列在注入电流6 A时最高输出功率为1.81 W,阈值电流为1.2 A,斜率效率为0.37 W/A,微分电阻为0.01 Ω。针对较大的远场发散角对单元器件有源区中电流密度分布进行了计算,分析了器件高阶横模产生的原因。使用镀制额外金层的结构来改善远场发散角,将半角宽度由30°压缩到15°以下,改进后器件的输出功率略有下降。60 ℃恒电流模式寿命测试结果显示器件在800 h后输出功率衰减小于10%。
激光器 垂直腔面发射激光器 阵列 高功率 远场发散角
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
为了改善大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的模式特性, 在GaAs衬底上采用限制扩散湿法刻蚀技术制作出了不同曲率半径的微透镜, 与P型和N型分布式布拉格反射镜(DBR)构成复合腔结构, 可以对腔内模式进行选择。有源区采用新型的发射波长为980 nm的InGaAs/GaAs应变量子阱, 包括9对In0.2Ga0.8As (6 nm)/Ga0.18As0.82P(8 nm)量子阱, 有源区直径100 μm, 微透镜直径300 μm, 曲率半径959.81 μm, 表面粗糙度13 nm。室温下, 器件连续输出功率大于180 mW, 阈值电流200 mA, 远场发散角半角宽度分别为7.8°和8.4°, 并且与没有微透镜的垂直腔面发射激光器输出特性进行了比较。
激光器 垂直腔面发射激光器 微透镜 横模 远场发散角
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
报道了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列。通过调制阵列中各单元直径以及单元间距,得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布,且在工作电流0～6 A内远场发散角均小于20°。阵列由直径分别为200 μm,150 μm和100 μm成中心对称分布的5个单元组成,单元圆心间距分别为250 μm和200 μm。在室温连续工作条件下,阵列在注入电流4 A时达最大输出功率880 mW,斜率效率为0.3 W/A, 具有0.56 A的低阈值电流, 微分电阻0.09 Ω。与具有相同出光面积的4×4二维阵列相比, 这种新型阵列在出光功率、阈值电流、光谱特性及远场分布等方面均具有优越性。模拟了阵列各单元叠加后的近场远场光强分布,结果表明得到的新型阵列的远场分布与实验结果吻合较好。
激光器 垂直腔面发射激光器 阵列 远场分布
