一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其制備方法，以提高半導(dǎo)體激光器的可靠性，從而延長其使用壽命。該高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體激光器芯片，半導(dǎo)體激光器芯片封裝后連接正極和負極，所述半導(dǎo)體激光器芯片通過正負極分別與電流/電壓監(jiān)測裝置、反饋電路和電源連接。本發(fā)明所用的反饋電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠降低半導(dǎo)體激光器整體成本；能夠大大提高半導(dǎo)體激光器的工作壽命，避免了不必要的損失。
【專利說明】
一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，尤其是一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高功率半導(dǎo)體激光器由于具有體積小、重量輕、使用電驅(qū)動、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)加工、軍事國防、醫(yī)療、全固態(tài)激光泵浦等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢是高功率、高亮度和長壽命。但是，半導(dǎo)體激光器功率的增加會導(dǎo)致其結(jié)溫增加，從而導(dǎo)致功率、光譜等參數(shù)的退化，并導(dǎo)致可靠性降低。例如，應(yīng)用于光通信領(lǐng)域的半導(dǎo)體激光器，其功率通常在毫瓦量級，相應(yīng)的工作壽命能達到100000小時；而目前應(yīng)用于工業(yè)加工、軍事國防等領(lǐng)域的半導(dǎo)體激光器，單巴連續(xù)波輸出功率可達100W，典型準(zhǔn)連續(xù)波輸出功率達300W，相應(yīng)的工作壽命通常僅為幾千個小時，遠遠不能滿足工業(yè)加工、航空航天、軍事國防、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何提高半導(dǎo)體激光器高功率工作模式下的可靠性及壽命已成為高功率半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。
[0003]在高功率工作條件下，半導(dǎo)體激光器失效的一個主要原因是災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷。如圖1所示，隨著半導(dǎo)體激光器輸入電流的增加，結(jié)溫也隨之增加，當(dāng)結(jié)溫增加到某個臨界值的時候，即會發(fā)生災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器發(fā)生失效。目前，通常認為災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷有兩種機制:內(nèi)部反饋機制及外部反饋機制。
[0004]內(nèi)部反饋機制:半導(dǎo)體激光器結(jié)溫升高導(dǎo)致腔面附近半導(dǎo)體材料帶隙Eg(T)變化，相應(yīng)的帶間吸收增加(對應(yīng)于激光發(fā)射波長)，導(dǎo)致腔面附近的非平衡載流子濃度增加，進一步導(dǎo)致腔面溫度升高。上述過程會形成正反饋環(huán)，最終導(dǎo)致發(fā)生thermalrunaway (熱逃逸)現(xiàn)象，使腔面溫度超過臨界值，導(dǎo)致災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷。
[0005]外部反饋機制:半導(dǎo)體激光器結(jié)溫升高導(dǎo)致缺陷聚集并產(chǎn)生，腔面附近或者諧振腔內(nèi)的缺陷聚集會導(dǎo)致缺陷相關(guān)的光躍遷吸收增加，能量會由缺陷位向半導(dǎo)體晶格轉(zhuǎn)移，即通常所說的非輻射復(fù)合現(xiàn)象。非輻射復(fù)合會導(dǎo)致結(jié)溫進一步升高，即形成了一個外部反饋環(huán)，從而導(dǎo)致災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷。
[0006]通常，災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷是由內(nèi)部反饋機制、外部反饋機制共同作用導(dǎo)致。在時間尺度上，災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷可以分成三個過程:
[0007]第一步:半導(dǎo)體激光器的腔面溫度接近臨界溫度，對于不同的半導(dǎo)體激光器腔面表面態(tài)及工作條件，這個過程少則持續(xù)幾納秒，多則持續(xù)幾年時間。
[0008]第二步:熱逃逸現(xiàn)象產(chǎn)生，腔面局部區(qū)域溫度超過半導(dǎo)體材料的熔點，腔面局部發(fā)生熔融。這個過程通常持續(xù)1-1Ons。
[0009]第三步:熱逃逸現(xiàn)象停止，如果繼續(xù)向半導(dǎo)體激光器施加工作電流，半導(dǎo)體激光器會發(fā)生進一步的退化，直至完全失效。在這個過程中通常會產(chǎn)生暗帶。根據(jù)工作條件的不同，此過程的持續(xù)時間通常從幾微秒到幾毫秒。
[0010]基于上述理論，為了避免災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷，一方面需要從改進半導(dǎo)體激光器外延層生長工藝，降低有源區(qū)缺陷密度入手，另外一方面需要針對已有的半導(dǎo)體激光器，通過設(shè)計新型的半導(dǎo)體激光器工作電路，在半導(dǎo)體激光器的溫度剛剛超過臨界溫度，災(zāi)變性損傷尚未導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器完全失效之前改變半導(dǎo)體激光器的工作條件，降低有源區(qū)溫度，能夠達到提高半導(dǎo)體激光器可靠性，延長使用壽命的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供了一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其制備方法，以提高半導(dǎo)體激光器的可靠性，從而延長其使用壽命。
[0012]為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提出以下基本技術(shù)方案:
[0013]該高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體激光器芯片，半導(dǎo)體激光器芯片封裝后連接正極和負極，所述半導(dǎo)體激光器芯片通過正負極分別與電流/電壓監(jiān)測裝置、反饋電路和電源并聯(lián)；所述電流/電壓監(jiān)測裝置用于檢測半導(dǎo)體激光器芯片兩端的實際電流/電壓，電源用于向半導(dǎo)體激光器芯片供電；所述反饋電路用于在設(shè)定的時間范圍內(nèi)控制電源暫?；蜷_啟。
[0014]上述反饋電路是帶有輸入/輸出脈沖信號的控制器。
[0015]上述反饋電路包括時間控制單元，用于使反饋電路在小于I微妙時間內(nèi)向電源發(fā)送反饋信號，使半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作；所述半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作至設(shè)定的時間后，反饋電路再次施加信號，使半導(dǎo)體激光器電源重新開始工作，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。
[0016]上述半導(dǎo)體激光器芯片固定設(shè)置在散熱裝置上，所述散熱裝置為傳導(dǎo)冷卻制冷散熱器、液體制冷散熱器或TEC制冷散熱器。
[0017]上述半導(dǎo)體激光器芯片為單發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片或多發(fā)光點半導(dǎo)體激光器
-H-* I I
心/T O
[0018]上述半導(dǎo)體激光器電源為電流源，包括連續(xù)電流源、準(zhǔn)連續(xù)電流源和/或脈沖電流源等。
[0019]一種制備上述高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
[0020]I]對高功率半導(dǎo)體激光器芯片進行封裝將其用焊料焊接于熱沉上，將封裝后的高功率半導(dǎo)體激光器固定于散熱裝置上；
[0021]2]對高功率半導(dǎo)體激光器芯片連接正負極并且與半導(dǎo)體激光器電源串聯(lián)連接；同時將封裝的半導(dǎo)體激光器正負極與電流/電壓監(jiān)測裝置并聯(lián)連接，用于檢測半導(dǎo)體激光器芯片兩端的實際電流/電壓；
[0022]3]將電流/電壓監(jiān)測裝置與反饋電路串聯(lián)連接，反饋電路還與電源串聯(lián)連接。
[0023]上述步驟I]中的半導(dǎo)體激光器芯片包括單發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片、多發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片。
[0024]上述步驟I]中的散熱裝置為傳導(dǎo)冷卻制冷散熱器、液體制冷散熱器或TEC制冷散熱器。
[0025]上述步驟2]中的半導(dǎo)體激光器電源為電流源，包括連續(xù)電流源、準(zhǔn)連續(xù)電流源和/或脈沖電流源。
[0026]本發(fā)明有以下優(yōu)點:
[0027]本發(fā)明所用的反饋電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠降低半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)整體成本；能夠大大提高半導(dǎo)體激光器的工作壽命，避免了不必要的損失。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷示意圖；
[0029]圖2為所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)整體示意圖；
[0030]附圖明細如下:1_散熱裝置、2-正極、3-半導(dǎo)體激光器芯片、4-負極、5-半導(dǎo)體激光器電源、6-電流電壓監(jiān)測裝置、7-反饋電路。

【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明的原理是基于災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷理論所得出，具體是根據(jù)災(zāi)變性損傷理論研究結(jié)果，在災(zāi)變性光學(xué)腔面損傷的第二個階段，即熱逃逸產(chǎn)生階段，半導(dǎo)體激光器腔面局部區(qū)域溫度超過熔點，腔面局部熔融。根據(jù)公式(I)可知，半導(dǎo)體激光器的閾值電流Ith會隨溫度變化而發(fā)生變化。
[0032]Ith = Ith(lexp (T/T。)(I)
[0033]因此，半導(dǎo)體激光器芯片的電流/電壓也會隨溫度變化而產(chǎn)生一微小的變化。通過在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中增加一個電流/電壓監(jiān)測裝置及反饋電路，電流/電壓監(jiān)測裝置實時監(jiān)測半導(dǎo)體激光器的電壓及電流狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的電流及電壓出現(xiàn)異常，說明半導(dǎo)體激光器局部可能發(fā)生熱逃逸現(xiàn)象，則通過反饋電路在極短時間內(nèi)(通常小于I微秒)向激光器電源發(fā)送一反饋信號，使半導(dǎo)體激光器暫時停止工作，則可以避免半導(dǎo)體激光器腔面進一步發(fā)生退化，從而避免半導(dǎo)體激光器完全失效。在半導(dǎo)體激光器暫停工作幾秒后重新在半導(dǎo)體激光器施加電流，則可使半導(dǎo)體激光器繼續(xù)正常工作，因此顯著增加了半導(dǎo)體激光器的使用壽命。
[0034]基于上述理論分析結(jié)果，本發(fā)明所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具體是:該高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器芯片，半導(dǎo)體激光器芯片分別與電流/電壓監(jiān)測裝置、反饋電路和電源連接。
[0035]該高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的具體加工過程如下:
[0036]對高功率半導(dǎo)體激光器芯片進行封裝，將其用焊料焊接與熱沉上，并連接正負極；半導(dǎo)體激光器芯片包括單發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片、多發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片等。
[0037]將封裝后的高功率半導(dǎo)體激光器固定于散熱裝置上，如傳導(dǎo)冷卻制冷散熱器、液體制冷散熱器、TEC制冷器等；
[0038]將封裝的半導(dǎo)體激光器正負極分別與電源的正負極連接；電源用于向半導(dǎo)體激光器芯片供電；半導(dǎo)體激光器電源為電流源，可包括連續(xù)電流源、準(zhǔn)連續(xù)電流源、脈沖電流源坐寸ο
[0039]將封裝的半導(dǎo)體激光器正負極分別與電流/電壓監(jiān)測裝置連接；電流/電壓監(jiān)測裝置用于檢測半導(dǎo)體激光器芯片兩端的實際電流/電壓；
[0040]將電流/電壓監(jiān)測裝置與反饋電路連接，反饋電路還與電源連接，反饋電路能夠向電源發(fā)送控制信號。
[0041]反饋電路為一帶有輸入/輸出脈沖信號的控制器，能夠接受電流/電壓監(jiān)測裝置所發(fā)出的控制信號；反饋電路能夠在小于I微秒時間內(nèi)向電源發(fā)送反饋信號，使半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作。在半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作一段時間后，反饋電路能夠再次施加信號，使半導(dǎo)體激光器電源重新開始工作，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。
[0042]反饋回路在電源和電流/電壓監(jiān)測裝置之間形成，電源和電流/電壓監(jiān)測系統(tǒng)分別和反饋電路連接，當(dāng)電流/電壓監(jiān)測裝置所測量的信號超出穩(wěn)定值范圍，則電流/電壓監(jiān)測裝置向反饋電路發(fā)出一脈沖信號，反饋電路向電源發(fā)出一脈沖信號。電源接收到此信號后，暫時停止工作，從而半導(dǎo)體激光器暫時停止工作。經(jīng)過一段時間(通常為幾秒鐘)，反饋電路再次向電源發(fā)出一脈沖信號，使電源重新開始工作，相應(yīng)的激光器也開始工作。
[0043]結(jié)合上述裝置，其工作方法具體為:
[0044]若電流/電壓監(jiān)測裝置6所測量的電流或電壓信號超出可靠值，則電流電壓監(jiān)測裝置能夠在小于I毫秒時間內(nèi)向反饋電路7發(fā)出一脈沖信號，反饋電路7向電源5發(fā)送一反饋信號，電源5接受此脈沖信號后，自動暫時關(guān)閉電源，使半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作，相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器暫時停止工作，避免半導(dǎo)體激光器芯片COD損傷的進一步擴大。在半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作一段時間后，反饋電路7能夠再次施加信號，使半導(dǎo)體激光器電源重新開始工作，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體激光器芯片，半導(dǎo)體激光器芯片封裝后連接正極和負極，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器芯片通過正負極分別與電流/電壓監(jiān)測裝置、反饋電路和電源并聯(lián)；所述電流/電壓監(jiān)測裝置用于檢測半導(dǎo)體激光器芯片兩端的實際電流/電壓，電源用于向半導(dǎo)體激光器芯片供電；所述反饋電路用于在設(shè)定的時間范圍內(nèi)控制電源暫?；蜷_啟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述反饋電路是帶有輸入/輸出脈沖信號的控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述反饋電路包括時間控制單元，用于使反饋電路在小于I微秒時間內(nèi)向電源發(fā)送反饋信號，使半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作；所述半導(dǎo)體激光器電源暫時停止工作至設(shè)定的時間后，反饋電路再次施加信號，使半導(dǎo)體激光器電源重新開始工作，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器芯片固定設(shè)置在散熱裝置上，所述散熱裝置為傳導(dǎo)冷卻制冷散熱器、液體制冷散熱器或TEC制冷散熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器芯片為單發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片或多發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器電源為電流源，包括連續(xù)電流源、準(zhǔn)連續(xù)電流源和/或脈沖電流源。
7.一種制備如權(quán)利要求6所述高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1]對高功率半導(dǎo)體激光器芯片進行封裝將其用焊料焊接于熱沉上，將封裝后的高功率半導(dǎo)體激光器固定于散熱裝置上； 2]對高功率半導(dǎo)體激光器芯片連接正負極并且與半導(dǎo)體激光器電源串聯(lián)連接；同時將封裝的半導(dǎo)體激光器正負極與電流/電壓監(jiān)測裝置并聯(lián)連接，用于檢測半導(dǎo)體激光器芯片兩端的實際電流/電壓； 3]將電流/電壓監(jiān)測裝置與反饋電路串聯(lián)連接，反饋電路還與電源串聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的制備方法，其特征在于:步驟I]中所述的半導(dǎo)體激光器芯片包括單發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片、多發(fā)光點半導(dǎo)體激光器芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的制備方法，其特征在于:步驟I]中所述散熱裝置為傳導(dǎo)冷卻制冷散熱器、液體制冷散熱器或TEC制冷散熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的制備方法，其特征在于:步驟2]述半導(dǎo)體激光器電源為電流源，包括連續(xù)電流源、準(zhǔn)連續(xù)電流源和/或脈沖電流源。
【文檔編號】H01S5/024GK104184044SQ201410412518
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】張普, 劉興勝, 熊玲玲, 王貞福, 聶志強 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所