大功率半導體激光器及大功率半導體激光器泵浦激光器在材料加工、激光打標、激光測距、激光存儲、激光顯示、激光照明、激光醫療等民用領域,以及激光制導、激光夜視、激光武器等軍用領域得到廣泛應用。如何實現大功率半導體激光器的可靠性及老化測試評價,包括對測試系統泵浦源的研究，一直以來都是學科熱點和國際制造研究的重要方向之一。

        本方案將為您介紹一款千瓦級半導體激光器在線測試與老化系統,以及兼容CW及QCW的老化電源。產品可對每支老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率等參數進行實時采集,并對熱沉溫度、冷卻循環水的流量、水溫進行實時監測,具有功能完備、可靠性高、性價比優的優點,可供大功率激光器的研制和應用單位推廣使用。

關鍵詞:激光器;芯片;封裝測試;泵浦源;失效分析;可靠性測試;老化測試;光功率

        激光器主要由泵浦源、增益介質、諧振腔組成。其中,泵浦源為激光器的光源,為激光器提供能量。激光器可以根據泵浦方式分為電泵浦、化學泵浦、光泵浦、氣動泵浦四大類,也可以根據增益介質分為液體激光器、氣體激光器、半導體激光器和固體激光器等。半導體激光器既可以單獨作為激光器使用,又同時可作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。

        使用半導體激光器做固體激光器泵浦源可以同時兼容固體激光器及半導體激光器的雙重優點:高光電轉換效率、高功率、高穩定性、高可靠性、壽命長、體積小,目前半導體激光器已逐步取代傳統的氯燈或氬燈，成為固體激光器的主要泵浦源,廣泛應用于材料加工、醫療和科學研究領域。

表：激光器類型對比

        泵浦源是激光能量的源頭,根據能量守恒定律,激光器輸出激光能量束,需要在產生激光時輸入能量,泵浦源即是起到對增益介質進行能量激勵的作用。激光器工作時,由泵浦源向增益介質注入能量進行激勵,增益介質的電子受到能量激勵后發生能級躍遷,由基態躍遷至激發態,由于激發態相較于基態是非穩定狀態，電子會自發地回歸到基態,并放出光子。無數光子在諧振腔兩個斷面循環,往復運動,不斷疊加,最終輸出方向、頻率高度一致、高能量的激光束。

圖：激光器工作原理圖

圖：激光器受激輻射原理示意圖

        大功率半導體激光器主要分為單管與bar條兩種結構,單管結構多采用寬條大光腔的設計,并增加了增益區域,以實現高功率輸出,減少腔面災變損傷;bar條結構為多個單管激光器的并聯線陣,多個激光器同時工作,再經過合束等手段實現高功率激光輸出。

圖：激光器單管與bar條(線陣)結構

圖：邊發射激光器和面發射激光器

半導體激光器的典型封裝

        封裝對半導體激光器的作用:一是建立電流環路,使芯片能受到電流的刺激而產生光(受激輻射光放大);二是散熱,解決芯片發光時產生的熱量;三是對芯片及電路起到保護的作用。

        按功用來分,半導體激光器的封裝類型有兩種,一是保護殼封裝,二是芯片封裝。保護殼封裝主要有TO封裝和蝶形封裝等。這種封裝結構是把cos用金屬等其他材料的保護罩密封起來,好處在于:一是使其輕易不會被損壞,二是腔面被污染的幾率得到了有效降低,三是十分便于攜帶。芯片封裝主要有F-Mount型封裝、C-Mount型封裝等。芯片封裝是把芯片直接焊接在不同結構、不同材料的熱沉上的一種方法,熱沉的作用主要是把芯片發光時產生的熱量散掉,保證芯片能持續穩定的工作。

半導體激光器芯片測試的重要性與現狀

        激光器芯片的測試比較復雜,牽涉到光、電的測量,也要考慮封裝形式的區別。與同等功率水平的傳統固體激光器或氣體激光器相比,大功率激光器在光束質量、工作效率、結構體積、壽命和系統維護等方面具有明顯的優勢。但與此同時,由于單顆芯片出光功率大,單位面積產生的熱量大,如果不做好散熱技術,將直接影響半導體激光器輸出功率、閾值電流密度、電光轉化效率、微分量子效率、偏振度等性能,并導致半導體激光器壽命和可靠性的下降,甚至會損毀芯片,最終影響器件可靠性。因此,在交付使用之前將激光器芯片置于高的溫度和電流等極端操作條件下進行壽命和可靠性實驗,淘汰早期失效器件并檢測出失效因素,在激光產業鏈發展中起著非常重要的作用。

        目前,大功率激光器芯片在大電流工作連續輸出時普遍面臨著各種難點:

1、激光器芯片的測量一般都要看LIV數據,光電參數受熱的影響比較大,隨著溫度的升高,芯片的閾值電流增加;

2、激光器芯片直流、寬脈沖下的測試結果不準;3、大功率激光器抗浪涌沖擊能力差,要求脈沖電流無過沖,浪涌沖擊小;

4、電源的波動會影響激光器的壽命,同時會造成光功率不穩定及器件發熱不穩定等。

創新技術突破,國產化極優性價比激光器老化測試系統解決方案

        基于率先國產化數字源表(SMU)的技術開發實力,以及多年來產品覆蓋國際通信及半導體頭部用戶的認可和應用研究,武漢普賽斯針對千瓦級大功率半導體激光器芯片需要使用窄脈沖大電流測試和老化、芯片發熱嚴重等問題,創新開發推出一套通用性好、大功率、循環水冷的老化測試系統。產品具有大電流窄脈沖恒流特性好、電流穩定、抗干擾能力強,并具有防過沖、防反沖、反浪涌的穩壓及恒流的雙重保護電路等功能,為泵浦激光器的老化測試提供了一個完整的解決方案。實現多單元、高效率、自動監控并記錄上傳測試數據的一體化測試系統。

圖：普賽斯LDBIXX系列多路大功率激光器老化系統

        經過多年對數字源表的系統研究與產品產業化的良好基礎,普賽斯泵浦激光器老化測試系統采用全新開發、自主設計的大電流脈沖恒流源,可以兼容CW模式(60A)以及QCW模式(600A)支持直流恒流、直流掃描、脈沖直流、脈沖掃描等四種模式。驅動電源通過RS485接口控制,上位機設定輸出電流,并可讀出實際輸出值;另外還可以一主多從的方式多臺串并聯,上位機只需控制主機,從機即可實現同步輸出。支持線性掃描、對數掃描及自定義掃描。

圖：普賽斯HCPLOXX系列大功率激光器測試電源

        普賽斯為大功率半導體激光器的老化測試提供了一個完整的解決方案。欲了解更多系統方案詳情，歡迎來電咨詢18140663476！