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国内大功率半导体激光器研究及应用分析

2013-01-09 00:31
林契于宸
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  目前,国内用于半导体激光器组装的焊料一般分为两种:软焊料和硬焊料。这两种焊料各自具有其优缺点。金属铟是常用的软焊料,它具有良好的延展性,因此广泛应用于单管激光器的封装,然而,对于半导体激光器阵列,纯铟焊料焊接时并不理想。半导体激光器阵列组装时,由于阵列面积比单管面积大,所以需要烧结的时间长,在烧结过程中铟易氧化,从而在表面形成氧化膜,这层氧化膜的熔点很高,一般的烧结温度不会使焊料熔化,管芯就会焊接不上,如提高烧结温度,使氧化膜熔化,激光器管芯就会受到损坏,而且高温烧结时,会出现铟须。铟须会蔓延在激光器谐振腔的表面,如果铟须使上下电极导通,激光器就会短路,或铟须阻挡激光器腔面出光,大量热量集中于激光器腔面,使腔面烧毁,从而导致激光器损坏。因此,利用铟作为焊料需要选择适当的助焊剂及很好的实际封装操作技巧。

  激光器封装过程中也使用金一锡合金,但是这种合金延展性较差。大功率半导体激光器阵列工作时,管芯的温度会很高,而激光器管芯和焊料的热膨胀系数差别很大,当激光器工作时,激光器管芯和焊料之间的热膨胀系数差异将导致激光器管芯的损坏。因此,人们采用热膨胀系数与芯片相近的另一种合金材料:钨铜合金。这种材料在封装无铝器件时特别适用,因为无铝器件相对有铝器件不具备很好的韧性。目前,本研究组常用的焊接材料有In、Sn/Au合金、W/Cu混合材料等。每种材料都配有特定的焊接温度和相应的助焊剂,并可以选择在不同的气氛下进行封装,如空气、N2、有机物气体等。

  1.4 器件可靠性

  在大功率半导体激光器的应用中,器件的可靠性是一个重要的技术指标。因此,可靠性和寿命测试的研究成为当前器件实用化和产业化的重点之一。

  目前,对半导体激光器可靠性测试一般采用电老化方法,包括耐久性老化和加速老化两种方式。采用加速老化方式可以缩短器件老化时间。其他的方法还有电导数测量法、热阻测量法等,但是这些方法目前还主要处于研究和探索阶段,作为实际应用的少。

  通过对器件可靠性的测试可以预测器件在正常工作条件下的寿命;检验器件的制作工艺;在较短时间内暴露器件的失效类型及形式,便于对失效机理进行研究,找出失效原因,淘汰早期失效产品;测定器件的极限使用条件。

  研究组主要采用耐久性老化方式测试器件的寿命和可靠性,目前开展了对器件加速老化方式的初步实验研究。

  1.5 光束整形与耦合

  随着半导体材料外延技术、激光器封装和制冷技术的进步,高功率、长寿命、高封装密度的大功率半导体激光器逐渐成熟。但是,半导体激光器的光束质量差,光亮度低,限制了该器件的应用,尤其是工业领域的直接使用。因此,进一步提高大功率半导体激光器的光亮度是国内外研究的热点。主要方法之一是利用光学手段对大功率半导体激光器进行光束整形。在保证输出光功率不变的前提下提高光束质量,或保证光束质量不变的前提下提高激光输出功率,从而得到高亮度激光器件。光束整形不仅可以达到提高半导体激光器光亮度的目的,同时也是光纤耦合的基础。它可以极大改善半导体激光器的光束质量,从而降低光纤耦合的难度,并进一步形成高端产品。这些高亮度的半导体激光器不仅可以用来泵浦高光束质量的固体激光器和光纤激光器,而且可以直接应用于军事、工业加工、航空航天、生物医学等领域。

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