窄光譜高功率半導體激光器疊陣及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種窄光譜高功率半導體激光器疊陣及其制備方法，依據半導體激光器疊陣的制冷方式對半導體激光器疊陣進行模擬實驗，得出組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度分布情況，測量每一個巴條的光譜，得出每一個巴條的中心波長，將中心波長較大的巴條置于模擬出的溫度較低的區域，將中心波長較小的巴條置于疊陣溫度較高的區域，使巴條波長與區域溫度相匹配，組裝疊陣，達到組成疊陣的巴條波長一致輸出，即為高功率窄光譜半導體激光器疊陣。該發明專利技術具有很好地光譜窄化效果，采用本發明專利技術方法制備的半導體激光器疊陣光譜寬度能夠降低30%左右。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體激光器制造領域，涉及一種。
技術介紹
隨著半導體激光器輸出功率、轉換效率和性能穩定性的不斷提高，大功率半導體激光器及其泵浦的固體激光器及光纖激光器在工業、先進制造業、軍事、航空航天、醫療、顯示、娛樂中的應用越來越向高層次和高精密方向發展，尤其是激光器與計算機數控技術相結合后構成的高效自動化加工設備，已經成為先進制造業發展的新動力，具有巨大的市場前景。為了提高輸出功率，通常將多個半導體激光器巴條組成疊陣的形式，其輸出功率可以達到幾千瓦到上萬瓦。大功率半導體激光器疊陣，廣泛應用于軍事國防領域、激光加工工業中，也可用于固體激光器及光纖激光器的泵浦源、激光點火、激光打孔、激光切割、激光打標和激光熱處理等技術中。半導體激光器疊陣在很多應用中，例如固體激光器泵浦等，需要較窄的光譜寬度，但是半導體激光器疊陣由幾十個巴條組成，各巴條的光譜中心波長不一致，因此最終疊陣總的光譜會有明顯的展寬。目前已有的研究中大多集中于半導體激光器巴條的光譜窄化。近年來國內外已經有一些關于大功率半導體激光器陣列的光譜展寬機理的研究，導致半導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)構成半導體激光器陣列芯片的各個發光點成分或結構不均勻，導致各發光點的波長不一致，從而使光譜發生一定程度的展寬。(2)高功率半導體激光器的熱效應導致各發光點溫度不一致，根據半導體激光器的波長隨溫度變化關系(波長隨溫度變化速率通常為0.3-0.4nm/K)，各發光點的中心波長發生變化，因此導致光譜展寬。熱效應導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，大功率半導體激光器陣列工作過程中會散發出大量的熱，半導體激光器中心區域的發光點和邊緣區域的發光點溫度不一致，從而導致各發光點中心波長不相同，光譜發生展寬；(b)在半導體激光器封裝過程中貼片層不可避免地會產生很小的空洞，在工作過程中由于電流過大，焊料容易發生電遷移及電熱遷移。較大的空洞會使半導體激光器陣列發光點附近的局部溫度顯著升高，導致局部發光點的波長紅移，因此總的光譜發生展寬。(3)封裝過程中產生的應力不均勻導致光譜展寬。為了得到較高的轉換效率和較高的連續波功率，激光器陣列通常使用電導率和熱導率好的銅作為熱沉。由于半導體激光器和銅熱沉的熱膨脹系數(CTE)不匹配，這會在封裝之后在激光器二極管陣列上不可避免地產生應力。研究發現，由于應力不均勻導致的激光器陣列波長漂移可達7meV，最終導致激光器陣列的光譜展寬。由于組成疊陣的各個巴條光譜不一致，最終疊陣的光譜會發生明顯的展寬。因此為了解決這一問題，需要通過優化疊陣結構設計，達到制備窄光譜半導體激光器疊陣的效果O
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種，具有方法簡單、便于操作、成本低的優點。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的:一種窄光譜高功率半導體激光器疊陣的制備方法，包括以下步驟:(I)依據半導體激光器疊陣的制冷方式對半導體激光器疊陣進行模擬實驗，得出組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度分布情況；(2)測量每一個巴條的光譜，得出每一個巴條的中心波長；(3)將中心波長較大的巴條置于步驟(I)中模擬出的溫度較低的區域，將中心波長較小的巴條置于疊陣溫度較高的區域，使巴條波長與區域溫度相匹配；(4)組裝疊陣，達到組成疊陣的巴條波長一致輸出，即為高功率窄光譜半導體激光器疊陣?；谝陨显恚苽淞艘韵?)、2)兩種液體制冷半導體激光器疊陣，這兩種液體制冷半導體激光器疊陣均由多個半導體激光器巴條層疊組成，各個巴條通過串聯、并聯或串并聯結合的方式進行電連接；I)液體制冷回路為雙進雙出，即在疊陣兩端各設置一個入液口和一個出液口。對于這種液體制冷半導體激光器疊陣，通過實驗和模擬得出:組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度對稱分布，疊陣中部溫度高，疊陣兩側邊緣區域溫度低。將中心波長較大的巴條置于疊陣邊緣區域，中心波長較小的巴條置于疊陣中部的組裝模式，使巴條波長與區域溫度相匹配，所組裝的疊陣輸出光譜較窄。2)液冷通道為單向直線型的液體制冷半導體激光器疊陣，即在疊陣一端設置入液口，另一端設置出液口。對于這種液體制冷半導體激光器疊陣，通過實驗和模擬得出:位于液體入口處的區域溫度較低，遠離液體入口處，沿著液體流動方向，相應的巴條區域溫度逐漸增加；將組成疊陣的各巴條，按照其中心波長從大到小，依次置于自入液口至出液口的各段區域，即:將中心波長較大的巴條置于靠近疊陣入液口的區域，將中心波長適中的巴條設置在疊陣中部，將中心波長較小的巴條設置在靠近出液口的區域，使巴條波長與區域溫度相匹配，疊陣的輸出光譜較窄。本專利技術具有以下有益效果:1、本專利技術具有很好地光譜窄化效果，采用本專利技術方法制備的半導體激光器疊陣光譜寬度能夠降低30%左右。2、本專利技術工藝較為簡單，成本低。附圖說明圖1為本專利技術技術方案示意圖；圖2為依據本專利技術原理制備的雙進雙出式液體制冷疊陣結構示意圖；圖3為20個巴條組成的雙進雙出式半導體激光器疊陣的溫度分布；圖4為本專利技術制備的由20個巴條組成的975nm峰值功率5000W雙進雙出式半導體激光器疊陣光譜測試結果；圖5為依據本專利技術原理制備的單向直線型液體制冷疊陣結構示意圖；圖6為60個巴條組成的單向直線型半導體激光器疊陣的溫度分布；圖7為由60個巴條組成的808nm峰值功率18kW直通型半導體激光器疊陣光譜測試結果。圖中，I為入液口，2為出液口，3為半導體激光器巴條。具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細敘述本專利技術的技術方案:如圖1所示，按模擬的溫度分布，波長排布隨溫度的升高而減小。首先通過模擬及實驗得到組成疊陣的各個巴條的溫度分布情況；然后測量各個巴條的光譜，得到各個巴條的中心波長；半導體激光器巴條的中心波長會隨溫度升高發生紅移，溫度降低發生藍移，在組裝疊陣時將中心波長較大的巴條組裝在溫度較低的區域(疊陣邊緣區域)，將中心波長較小的巴條組裝在溫度較高的區域(疊陣中間區域)。最終使各個巴條的中心波長趨向一致，從而使總的光譜寬度窄化。對于雙進雙出式液體制冷半導體激光器疊陣，通過實驗和模擬證實(如圖3所示):得出組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度對稱分布，疊陣中部溫度高，疊陣兩側邊緣區域溫度低。將中心波長較大的巴條置于疊陣邊緣區域，中心波長較小的巴條置于疊陣中間的組裝模式，使巴條波長與區域溫度相匹配，所組裝的疊陣輸出光譜較窄。如圖2、4所示，利用本專利技術技術方案制備了由20個巴條組成的975nm峰值功率5000W疊陣半導體激光器，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。對于單向直線型液體制冷半導體激光器疊陣，通過實驗和模擬證實(如圖6所示):得出位于液體入口處的區域溫度較低，遠離液體入口處，沿著液體流動方向，相應的巴條區域溫度逐漸增加；因此采用將中心波長較大的巴條置于疊陣入口處邊緣區域，將中心波長較小的巴條置于疊陣液體出口之間的組裝模式，使巴條波長與區域溫度相匹配。如圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種窄光譜高功率半導體激光器疊陣的制備方法，包括以下步驟：（1）依據半導體激光器疊陣的制冷方式對半導體激光器疊陣進行模擬實驗，得出組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度分布情況；（2）測量每一個巴條的光譜，得出每一個巴條的中心波長；（3）將中心波長較大的巴條置于步驟（1）中模擬出的溫度較低的區域，將中心波長較小的巴條置于疊陣溫度較高的區域，使巴條波長與區域溫度相匹配；（4）組裝疊陣，達到組成疊陣的巴條波長一致輸出，即為高功率窄光譜半導體激光器疊陣。

【技術特征摘要】
1.一種窄光譜高功率半導體激光器疊陣的制備方法，包括以下步驟: (I)依據半導體激光器疊陣的制冷方式對半導體激光器疊陣進行模擬實驗，得出組成疊陣的各個放置巴條區域的溫度分布情況； (2 )測量每一個巴條的光譜，得出每一個巴條的中心波長； (3)將中心波長較大的巴條置于步驟(I)中模擬出的溫度較低的區域，將中心波長較小的巴條置于疊陣溫度較高的區域，使巴條波長與區域溫度相匹配； (4)組裝疊陣，達到組成疊陣的巴條波長一致輸出，即為高功率窄光譜半導體激光器疊陣。2.一種液體制冷的窄光譜高功率半導體激光器疊陣，由多個半導體激光器巴條層疊組成，各個巴條通過串聯、并聯或串并聯結合的方式進行電連接；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉興勝，康利軍，吳迪，王警衛，戴曄，
申請(專利權)人：西安炬光科技有限公司，
類型：發明
國別省市：