为解决棱镜分光式光谱成像系统存在的直视性差、分光线性度低、固有谱线弯曲较大的问题, 提出了基于双阿米西棱镜的光谱成像系统。通过矢量折射定律, 运用MATLAB编程实现棱镜谱线弯曲的精确计算, 并进行了仿真验证。在研究双阿米西棱镜谱线弯曲特性的基础上, 搭建直视型消谱线弯曲双阿米西棱镜作为分光元件, 设计得到的光谱成像系统工作波段为400~800nm, 全波段光谱分辨率高于7nm。在中心波长600nm处, 中心视场主光线经双阿米西棱镜后的出射光线与光轴夹角小于0.31 °, 全波段谱线弯曲最大值小于2.557μm。系统满足直视性和消谱线弯曲的要求, 方法对消谱线弯曲棱镜光谱成像系统的设计具有普适性的指导意义。

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。

采用808 nm大功率半导体激光器巴条进行了封装实验,对影响封装质量的两个重要因素,即管炉温度和烧结时间进行了优化。结果表明,在管炉温度为650 ℃、烧结时间为100 s时,焊料层界面空洞最少,半导体激光器巴条的smile效应值最低,阈值电流最小,波长更加稳定,烧结质量最优。

为了提高半导体激光器的封装质量和效率, 引入管式炉利用夹具进行批量封装。由于封装质量的好坏直接影响半导体激光器的输出特性和使用寿命, 利用MOCVD生长808 nm芯片, 重点分析了管式炉温度和封装时间对半导体激光器巴条双面金锡封装质量的影响。利用X射线检测、结电压、光电特性参数和smile效应测试手段, 确定了管式炉封装半导体激光器巴条的最优封装条件, 为以后的产业化提供了指导意义。

提出一种采用双铜-金刚石的“三明治”封装结构, 利用有限元分析方法研究了其与传统的Cu+CuW硬焊料封装结构激光器的热应力与Smile.对比模拟结果发现新封装结构热应力降低43.8%, Smile值增加95%.在次热沉热膨胀系数与芯片材料匹配的情况下, 使用弹性模量更大的次热沉材料, 可对芯片层热应力起到更好的缓冲作用.以硬焊料封装结构为例, 分析了负极和次热沉厚度对器件Smile的影响.结果表明负极片厚度从50 μm增加到300 μm, 器件工作结温降低2.26 ℃, Smile减小0.027 μm, 芯片的热应力增加22.95 MPa.当次热沉与热沉的厚度比小于29%时, Smile随次热沉厚度增加而增加; 而当次热沉厚度超过临界点后, Smile随次热沉厚度增加而减小.当次热沉厚度达到临界点(2300 μm)时, 硬焊料封装的半导体激光器具有最大的Smile值3.876 μm.制备了CuW厚度分别为300 μm和400 μm的硬焊料封装976 nm激光器, 并测量了其发光光谱.通过对比峰值波长漂移量, 发现CuW厚度增加了100 μm, 波长红移增加了1.25 nm, 根据温度和应力对波长的影响率可知应力减小了18.05 MPa.测得两组器件的平均Smile值分别为0.904 μm和1.292 μm.实验证明增加CuW厚度可减小芯片所受应力, 增大Smile值.

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上，从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化，我们在传统CS热沉的基础上，引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构，对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下，一方面，当仅有GCF材料，并且其长度为8 mm时，温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃；另一方面，在合理的温升范围内，当GCF的长度为8 mm时，结合增加热沉热阻的孔状结构时，温差进一步降低到3.18 ℃。

采用外建激光谐振腔, 在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量, 从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜, 使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器, 降低该发光点的激光阈值, 从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光, 在平行于p-n结的方向移动柱面镜, 可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量, 从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响, 对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题, 本文在研究smile效应产生机理的基础上, 提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808 nm水平阵列封装半导体激光器为例, 采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明, 采用传统封装技术, 在恢复至室温22 ℃后, 芯片smile值约为39.36 μm, 采用封装前升高芯片温度至429 ℃的错温封装技术, 可以将smile值降至1.9 μm; 若采用热沉预应力技术, 对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N 的拉力, 可以将smile值降至0.35 μm。结果表明, 这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点, 其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。