專(zhuān)利名稱(chēng)：窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器制造領(lǐng)域，涉及一種窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和性能穩(wěn)定性的不斷提高，大功率半導(dǎo)體激光器及其泵浦的固體激光器及光纖激光器在工業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)、軍事、航空航天、醫(yī)療、顯示、娛樂(lè)中的應(yīng)用越來(lái)越向高層次和高精密方向發(fā)展，尤其是激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合后構(gòu)成的高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已經(jīng)成為先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力，具有巨大的市場(chǎng)前景。為了提高輸出功率，通常將多個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條組成疊陣的形式，其輸出功率可以達(dá)到幾千瓦到上萬(wàn)瓦。大功率半導(dǎo)體激光器疊陣，廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防領(lǐng)域、激光加工工業(yè)中，也可用于固體激光器及光纖激光器的泵浦源、激光點(diǎn)火、激光打孔、激光切割、激光打標(biāo)和激光熱處理等技術(shù)中。半導(dǎo)體激光器疊陣在很多應(yīng)用中，例如固體激光器泵浦等，需要較窄的光譜寬度，但是半導(dǎo)體激光器疊陣由幾十個(gè)巴條組成，各巴條的光譜中心波長(zhǎng)不一致，因此最終疊陣總的光譜會(huì)有明顯的展寬。目前已有的研究中大多集中于半導(dǎo)體激光器巴條的光譜窄化。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些關(guān)于大功率半導(dǎo)體激光器陣列的光譜展寬機(jī)理的研究，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器陣列光譜展寬主要有下述原因:(Xingsheng Liu等，Proceedings of 58thElectronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.1005-1010, 2008.)(I)構(gòu)成半導(dǎo)體激光器陣列芯片的各個(gè)發(fā)光點(diǎn)成分或結(jié)構(gòu)不均勻，導(dǎo)致各發(fā)光點(diǎn)的波長(zhǎng)不一致，從而使光譜發(fā)生一定程度的展寬。(2)高功率半導(dǎo)體激光器的熱效應(yīng)導(dǎo)致各發(fā)光點(diǎn)溫度不一致，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)隨溫度變化關(guān)系(波長(zhǎng)隨溫度變化速率通常為0.3-0.4nm/K)，各發(fā)光點(diǎn)的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此導(dǎo)致光譜展寬。熱效應(yīng)導(dǎo)致光譜展寬具體可以分兩種情況:(a)理想情況下貼片層不存在空洞時(shí)，大功率半導(dǎo)體激光器陣列工作過(guò)程中會(huì)散發(fā)出大量的熱，半導(dǎo)體激光器中心區(qū)域的發(fā)光點(diǎn)和邊緣區(qū)域的發(fā)光點(diǎn)溫度不一致，從而導(dǎo)致各發(fā)光點(diǎn)中心波長(zhǎng)不相同，光譜發(fā)生展寬；(b)在半導(dǎo)體激光器封裝過(guò)程中貼片層不可避免地會(huì)產(chǎn)生很小的空洞，在工作過(guò)程中由于電流過(guò)大，焊料容易發(fā)生電遷移及電熱遷移。較大的空洞會(huì)使半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)光點(diǎn)附近的局部溫度顯著升高，導(dǎo)致局部發(fā)光點(diǎn)的波長(zhǎng)紅移，因此總的光譜發(fā)生展寬。(3)封裝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力不均勻?qū)е鹿庾V展寬。為了得到較高的轉(zhuǎn)換效率和較高的連續(xù)波功率，激光器陣列通常使用電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率好的銅作為熱沉。由于半導(dǎo)體激光器和銅熱沉的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配，這會(huì)在封裝之后在激光器二極管陣列上不可避免地產(chǎn)生應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，由于應(yīng)力不均勻?qū)е碌募す馄麝嚵胁ㄩL(zhǎng)漂移可達(dá)7meV，最終導(dǎo)致激光器陣列的光譜展寬。由于組成疊陣的各個(gè)巴條光譜不一致，最終疊陣的光譜會(huì)發(fā)生明顯的展寬。因此為了解決這一問(wèn)題，需要通過(guò)優(yōu)化疊陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到制備窄光譜半導(dǎo)體激光器疊陣的效
果O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣及其制備方法，具有方法簡(jiǎn)單、便于操作、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的制備方法，包括以下步驟:(I)依據(jù)半導(dǎo)體激光器疊陣的制冷方式對(duì)半導(dǎo)體激光器疊陣進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出組成疊陣的各個(gè)放置巴條區(qū)域的溫度分布情況；(2)測(cè)量每一個(gè)巴條的光譜，得出每一個(gè)巴條的中心波長(zhǎng)；(3)將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于步驟(I)中模擬出的溫度較低的區(qū)域，將中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣溫度較高的區(qū)域，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配；(4)組裝疊陣，達(dá)到組成疊陣的巴條波長(zhǎng)一致輸出，即為高功率窄光譜半導(dǎo)體激光器疊陣。基于以上原理，制備了以下1)、2)兩種液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，這兩種液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣均由多個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條層疊組成，各個(gè)巴條通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的方式進(jìn)行電連接；I)液體制冷回路為雙進(jìn)雙出，即在疊陣兩端各設(shè)置一個(gè)入液口和一個(gè)出液口。對(duì)于這種液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬得出:組成疊陣的各個(gè)放置巴條區(qū)域的溫度對(duì)稱(chēng)分布，疊陣中部溫度高，疊陣兩側(cè)邊緣區(qū)域溫度低。將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于疊陣邊緣區(qū)域，中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣中部的組裝模式，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配，所組裝的疊陣輸出光譜較窄。2)液冷通道為單向直線(xiàn)型的液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，即在疊陣一端設(shè)置入液口，另一端設(shè)置出液口。對(duì)于這種液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬得出:位于液體入口處的區(qū)域溫度較低，遠(yuǎn)離液體入口處，沿著液體流動(dòng)方向，相應(yīng)的巴條區(qū)域溫度逐漸增加；將組成疊陣的各巴條，按照其中心波長(zhǎng)從大到小，依次置于自入液口至出液口的各段區(qū)域，即:將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于靠近疊陣入液口的區(qū)域，將中心波長(zhǎng)適中的巴條設(shè)置在疊陣中部，將中心波長(zhǎng)較小的巴條設(shè)置在靠近出液口的區(qū)域，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配，疊陣的輸出光譜較窄。本發(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明具有很好地光譜窄化效果，采用本發(fā)明方法制備的半導(dǎo)體激光器疊陣光譜寬度能夠降低30%左右。2、本發(fā)明工藝較為簡(jiǎn)單，成本低。


圖1為本發(fā)明技術(shù)方案示意圖；圖2為依據(jù)本發(fā)明原理制備的雙進(jìn)雙出式液體制冷疊陣結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為20個(gè)巴條組成的雙進(jìn)雙出式半導(dǎo)體激光器疊陣的溫度分布；
圖4為本發(fā)明制備的由20個(gè)巴條組成的975nm峰值功率5000W雙進(jìn)雙出式半導(dǎo)
體激光器疊陣光譜測(cè)試結(jié)果；圖5為依據(jù)本發(fā)明原理制備的單向直線(xiàn)型液體制冷疊陣結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為60個(gè)巴條組成的單向直線(xiàn)型半導(dǎo)體激光器疊陣的溫度分布；圖7為由60個(gè)巴條組成的808nm峰值功率18kW直通型半導(dǎo)體激光器疊陣光譜測(cè)
試結(jié)果。圖中，I為入液口，2為出液口，3為半導(dǎo)體激光器巴條。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)敘述本發(fā)明的技術(shù)方案:如圖1所示，按模擬的溫度分布，波長(zhǎng)排布隨溫度的升高而減小。首先通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)得到組成疊陣的各個(gè)巴條的溫度分布情況；然后測(cè)量各個(gè)巴條的光譜，得到各個(gè)巴條的中心波長(zhǎng)；半導(dǎo)體激光器巴條的中心波長(zhǎng)會(huì)隨溫度升高發(fā)生紅移，溫度降低發(fā)生藍(lán)移，在組裝疊陣時(shí)將中心波長(zhǎng)較大的巴條組裝在溫度較低的區(qū)域(疊陣邊緣區(qū)域)，將中心波長(zhǎng)較小的巴條組裝在溫度較高的區(qū)域(疊陣中間區(qū)域)。最終使各個(gè)巴條的中心波長(zhǎng)趨向一致，從而使總的光譜寬度窄化。對(duì)于雙進(jìn)雙出式液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬證實(shí)(如圖3所示):得出組成疊陣的各個(gè)放置巴條區(qū)域的溫度對(duì)稱(chēng)分布，疊陣中部溫度高，疊陣兩側(cè)邊緣區(qū)域溫度低。將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于疊陣邊緣區(qū)域，中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣中間的組裝模式，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配，所組裝的疊陣輸出光譜較窄。如圖2、4所示，利用本發(fā)明技術(shù)方案制備了由20個(gè)巴條組成的975nm峰值功率5000W疊陣半導(dǎo)體激光器，其光譜半高全寬FWHM(Full width at half maximum)為3.llnm，90%能量光譜寬度僅4.15nm。對(duì)于單向直線(xiàn)型液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬證實(shí)(如圖6所示):得出位于液體入口處的區(qū)域溫度較低，遠(yuǎn)離液體入口處，沿著液體流動(dòng)方向，相應(yīng)的巴條區(qū)域溫度逐漸增加；因此采用將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于疊陣入口處邊緣區(qū)域，將中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣液體出口之間的組裝模式，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配。如圖5、7所示，利用本發(fā)明技術(shù)方案制備了由60個(gè)巴條組成的808nm峰值功率18kff疊陣半導(dǎo)體激光器，其光譜半高全寬FWHM為2.80nm, 90%能量寬度為4.26nm。從上述實(shí)施例可以看出，采用本發(fā)明獲得了很好的窄化光譜的效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的制備方法，包括以下步驟: (I)依據(jù)半導(dǎo)體激光器疊陣的制冷方式對(duì)半導(dǎo)體激光器疊陣進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出組成疊陣的各個(gè)放置巴條區(qū)域的溫度分布情況； (2 )測(cè)量每一個(gè)巴條的光譜，得出每一個(gè)巴條的中心波長(zhǎng)； (3)將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于步驟(I)中模擬出的溫度較低的區(qū)域，將中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣溫度較高的區(qū)域，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配； (4)組裝疊陣，達(dá)到組成疊陣的巴條波長(zhǎng)一致輸出，即為高功率窄光譜半導(dǎo)體激光器疊陣。
2.一種液體制冷的窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，由多個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條層疊組成，各個(gè)巴條通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的方式進(jìn)行電連接；該液體制冷的窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的液體制冷回路為雙進(jìn)雙出，即在疊陣兩端各設(shè)置一個(gè)入液口和一個(gè)出液口 ；組成疊陣的巴條中，中心波長(zhǎng)較大的巴條置于疊陣邊緣區(qū)域，中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣中部，以使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配。
3.一種液體制冷的窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，由多個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條層疊組成，各個(gè)巴條通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的方式進(jìn)行電連接；該液體制冷的窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的液冷通道為單向直線(xiàn)型的液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，即在疊陣一端設(shè)置入液口，另一端設(shè)置出液口 ；組成疊陣的各巴條，按照其中心波長(zhǎng)從大到小，依次置于自入液口至出液口的各段區(qū)域，以使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種窄光譜高功率半導(dǎo)體激光器疊陣及其制備方法，依據(jù)半導(dǎo)體激光器疊陣的制冷方式對(duì)半導(dǎo)體激光器疊陣進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出組成疊陣的各個(gè)放置巴條區(qū)域的溫度分布情況，測(cè)量每一個(gè)巴條的光譜，得出每一個(gè)巴條的中心波長(zhǎng)，將中心波長(zhǎng)較大的巴條置于模擬出的溫度較低的區(qū)域，將中心波長(zhǎng)較小的巴條置于疊陣溫度較高的區(qū)域，使巴條波長(zhǎng)與區(qū)域溫度相匹配，組裝疊陣，達(dá)到組成疊陣的巴條波長(zhǎng)一致輸出，即為高功率窄光譜半導(dǎo)體激光器疊陣。該發(fā)明具有很好地光譜窄化效果，采用本發(fā)明方法制備的半導(dǎo)體激光器疊陣光譜寬度能夠降低30%左右。
文檔編號(hào)H01S5/024GK103078254SQ20121059141
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者劉興勝, 康利軍, 吳迪, 王警衛(wèi), 戴曄 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司