一种高功率半导体激光器系统及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种高功率半导体激光器系统及其制备方法，以提高半导体激光器的可靠性，从而延长其使用寿命。该高功率半导体激光器系统，包括半导体激光器芯片，半导体激光器芯片封装后连接正极和负极，所述半导体激光器芯片通过正负极分别与电流/电压监测装置、反馈电路和电源连接。本发明所用的反馈电路结构简单，能够降低半导体激光器整体成本；能够大大提高半导体激光器的工作寿命，避免了不必要的损失。
【专利说明】
一种高功率半导体激光器系统及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体激光器系统，尤其是一种高功率半导体激光器系统及其制备方法。
【背景技术】
[0002]高功率半导体激光器由于具有体积小、重量轻、使用电驱动、电光转换效率高、寿命长等优点，在工业加工、军事国防、医疗、全固态激光泵浦等领域获得了广泛应用。半导体激光器的发展趋势是高功率、高亮度和长寿命。但是，半导体激光器功率的增加会导致其结温增加，从而导致功率、光谱等参数的退化，并导致可靠性降低。例如，应用于光通信领域的半导体激光器，其功率通常在毫瓦量级，相应的工作寿命能达到100000小时；而目前应用于工业加工、军事国防等领域的半导体激光器，单巴连续波输出功率可达100W，典型准连续波输出功率达300W，相应的工作寿命通常仅为几千个小时，远远不能满足工业加工、航空航天、军事国防、医疗等领域的应用。因此，如何提高半导体激光器高功率工作模式下的可靠性及寿命已成为高功率半导体激光器领域亟需解决的关键问题。
[0003]在高功率工作条件下，半导体激光器失效的一个主要原因是灾变性光学腔面损伤。如图1所示，随着半导体激光器输入电流的增加，结温也随之增加，当结温增加到某个临界值的时候，即会发生灾变性光学腔面损伤，导致半导体激光器发生失效。目前，通常认为灾变性光学腔面损伤有两种机制:内部反馈机制及外部反馈机制。
[0004]内部反馈机制:半导体激光器结温升高导致腔面附近半导体材料带隙Eg(T)变化，相应的带间吸收增加(对应于激光发射波长)，导致腔面附近的非平衡载流子浓度增加，进一步导致腔面温度升高。上述过程会形成正反馈环，最终导致发生thermalrunaway (热逃逸)现象，使腔面温度超过临界值，导致灾变性光学腔面损伤。
[0005]外部反馈机制:半导体激光器结温升高导致缺陷聚集并产生，腔面附近或者谐振腔内的缺陷聚集会导致缺陷相关的光跃迁吸收增加，能量会由缺陷位向半导体晶格转移，即通常所说的非辐射复合现象。非辐射复合会导致结温进一步升高，即形成了一个外部反馈环，从而导致灾变性光学腔面损伤。
[0006]通常，灾变性光学腔面损伤是由内部反馈机制、外部反馈机制共同作用导致。在时间尺度上，灾变性光学腔面损伤可以分成三个过程:
[0007]第一步:半导体激光器的腔面温度接近临界温度，对于不同的半导体激光器腔面表面态及工作条件，这个过程少则持续几纳秒，多则持续几年时间。
[0008]第二步:热逃逸现象产生，腔面局部区域温度超过半导体材料的熔点，腔面局部发生熔融。这个过程通常持续1-1Ons。
[0009]第三步:热逃逸现象停止，如果继续向半导体激光器施加工作电流，半导体激光器会发生进一步的退化，直至完全失效。在这个过程中通常会产生暗带。根据工作条件的不同，此过程的持续时间通常从几微秒到几毫秒。
[0010]基于上述理论，为了避免灾变性光学腔面损伤，一方面需要从改进半导体激光器外延层生长工艺，降低有源区缺陷密度入手，另外一方面需要针对已有的半导体激光器，通过设计新型的半导体激光器工作电路，在半导体激光器的温度刚刚超过临界温度，灾变性损伤尚未导致半导体激光器完全失效之前改变半导体激光器的工作条件，降低有源区温度，能够达到提高半导体激光器可靠性，延长使用寿命的目的。
【发明内容】
[0011]本发明提供了一种高功率半导体激光器系统及其制备方法，以提高半导体激光器的可靠性，从而延长其使用寿命。
[0012]为实现以上发明目的，本发明提出以下基本技术方案:
[0013]该高功率半导体激光器系统，包括半导体激光器芯片，半导体激光器芯片封装后连接正极和负极，所述半导体激光器芯片通过正负极分别与电流/电压监测装置、反馈电路和电源并联；所述电流/电压监测装置用于检测半导体激光器芯片两端的实际电流/电压，电源用于向半导体激光器芯片供电；所述反馈电路用于在设定的时间范围内控制电源暂停或开启。
[0014]上述反馈电路是带有输入/输出脉冲信号的控制器。
[0015]上述反馈电路包括时间控制单元，用于使反馈电路在小于I微妙时间内向电源发送反馈信号，使半导体激光器电源暂时停止工作；所述半导体激光器电源暂时停止工作至设定的时间后，反馈电路再次施加信号，使半导体激光器电源重新开始工作，驱动半导体激光器。
[0016]上述半导体激光器芯片固定设置在散热装置上，所述散热装置为传导冷却制冷散热器、液体制冷散热器或TEC制冷散热器。
[0017]上述半导体激光器芯片为单发光点半导体激光器芯片或多发光点半导体激光器
-H-* I I
心/T O
[0018]上述半导体激光器电源为电流源，包括连续电流源、准连续电流源和/或脉冲电流源等。
[0019]一种制备上述高功率半导体激光器系统的方法，包括以下步骤:
[0020]I]对高功率半导体激光器芯片进行封装将其用焊料焊接于热沉上，将封装后的高功率半导体激光器固定于散热装置上；
[0021]2]对高功率半导体激光器芯片连接正负极并且与半导体激光器电源串联连接；同时将封装的半导体激光器正负极与电流/电压监测装置并联连接，用于检测半导体激光器芯片两端的实际电流/电压；
[0022]3]将电流/电压监测装置与反馈电路串联连接，反馈电路还与电源串联连接。
[0023]上述步骤I]中的半导体激光器芯片包括单发光点半导体激光器芯片、多发光点半导体激光器芯片。
[0024]上述步骤I]中的散热装置为传导冷却制冷散热器、液体制冷散热器或TEC制冷散热器。
[0025]上述步骤2]中的半导体激光器电源为电流源，包括连续电流源、准连续电流源和/或脉冲电流源。
[0026]本发明有以下优点:
[0027]本发明所用的反馈电路结构简单，能够降低半导体激光器系统整体成本；能够大大提高半导体激光器的工作寿命，避免了不必要的损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为灾变性光学腔面损伤示意图；
[0029]图2为所述的高功率半导体激光器系统整体示意图；
[0030]附图明细如下:1_散热装置、2-正极、3-半导体激光器芯片、4-负极、5-半导体激光器电源、6-电流电压监测装置、7-反馈电路。
【具体实施方式】
[0031]本发明的原理是基于灾变性光学腔面损伤理论所得出，具体是根据灾变性损伤理论研究结果，在灾变性光学腔面损伤的第二个阶段，即热逃逸产生阶段，半导体激光器腔面局部区域温度超过熔点，腔面局部熔融。根据公式(I)可知，半导体激光器的阈值电流Ith会随温度变化而发生变化。
[0032]Ith = Ith(lexp (T/T。)(I)
[0033]因此，半导体激光器芯片的电流/电压也会随温度变化而产生一微小的变化。通过在半导体激光器系统中增加一个电流/电压监测装置及反馈电路，电流/电压监测装置实时监测半导体激光器的电压及电流状态，如发现半导体激光器的电流及电压出现异常，说明半导体激光器局部可能发生热逃逸现象，则通过反馈电路在极短时间内(通常小于I微秒)向激光器电源发送一反馈信号，使半导体激光器暂时停止工作，则可以避免半导体激光器腔面进一步发生退化，从而避免半导体激光器完全失效。在半导体激光器暂停工作几秒后重新在半导体激光器施加电流，则可使半导体激光器继续正常工作，因此显著增加了半导体激光器的使用寿命。
[0034]基于上述理论分析结果，本发明所述的高功率半导体激光器系统的结构具体是:该高功率半导体激光器系统包括半导体激光器芯片，半导体激光器芯片分别与电流/电压监测装置、反馈电路和电源连接。
[0035]该高功率半导体激光器系统的具体加工过程如下:
[0036]对高功率半导体激光器芯片进行封装，将其用焊料焊接与热沉上，并连接正负极；半导体激光器芯片包括单发光点半导体激光器芯片、多发光点半导体激光器芯片等。
[0037]将封装后的高功率半导体激光器固定于散热装置上，如传导冷却制冷散热器、液体制冷散热器、TEC制冷器等；
[0038]将封装的半导体激光器正负极分别与电源的正负极连接；电源用于向半导体激光器芯片供电；半导体激光器电源为电流源，可包括连续电流源、准连续电流源、脉冲电流源坐寸ο
[0039]将封装的半导体激光器正负极分别与电流/电压监测装置连接；电流/电压监测装置用于检测半导体激光器芯片两端的实际电流/电压；
[0040]将电流/电压监测装置与反馈电路连接，反馈电路还与电源连接，反馈电路能够向电源发送控制信号。
[0041]反馈电路为一带有输入/输出脉冲信号的控制器，能够接受电流/电压监测装置所发出的控制信号；反馈电路能够在小于I微秒时间内向电源发送反馈信号，使半导体激光器电源暂时停止工作。在半导体激光器电源暂时停止工作一段时间后，反馈电路能够再次施加信号，使半导体激光器电源重新开始工作，驱动半导体激光器。
[0042]反馈回路在电源和电流/电压监测装置之间形成，电源和电流/电压监测系统分别和反馈电路连接，当电流/电压监测装置所测量的信号超出稳定值范围，则电流/电压监测装置向反馈电路发出一脉冲信号，反馈电路向电源发出一脉冲信号。电源接收到此信号后，暂时停止工作，从而半导体激光器暂时停止工作。经过一段时间(通常为几秒钟)，反馈电路再次向电源发出一脉冲信号，使电源重新开始工作，相应的激光器也开始工作。
[0043]结合上述装置，其工作方法具体为:
[0044]若电流/电压监测装置6所测量的电流或电压信号超出可靠值，则电流电压监测装置能够在小于I毫秒时间内向反馈电路7发出一脉冲信号，反馈电路7向电源5发送一反馈信号，电源5接受此脉冲信号后，自动暂时关闭电源，使半导体激光器电源暂时停止工作，相应的半导体激光器暂时停止工作，避免半导体激光器芯片COD损伤的进一步扩大。在半导体激光器电源暂时停止工作一段时间后，反馈电路7能够再次施加信号，使半导体激光器电源重新开始工作，驱动半导体激光器。
【权利要求】
1.一种高功率半导体激光器系统，包括半导体激光器芯片，半导体激光器芯片封装后连接正极和负极，其特征在于:所述半导体激光器芯片通过正负极分别与电流/电压监测装置、反馈电路和电源并联；所述电流/电压监测装置用于检测半导体激光器芯片两端的实际电流/电压，电源用于向半导体激光器芯片供电；所述反馈电路用于在设定的时间范围内控制电源暂停或开启。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器系统，其特征在于:所述反馈电路是带有输入/输出脉冲信号的控制器。
3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器系统，其特征在于:所述反馈电路包括时间控制单元，用于使反馈电路在小于I微秒时间内向电源发送反馈信号，使半导体激光器电源暂时停止工作；所述半导体激光器电源暂时停止工作至设定的时间后，反馈电路再次施加信号，使半导体激光器电源重新开始工作，驱动半导体激光器。
4.根据权利要求1至3任一所述的高功率半导体激光器系统，其特征在于:所述半导体激光器芯片固定设置在散热装置上，所述散热装置为传导冷却制冷散热器、液体制冷散热器或TEC制冷散热器。
5.根据权利要求4所述的高功率半导体激光器系统，其特征在于:所述半导体激光器芯片为单发光点半导体激光器芯片或多发光点半导体激光器芯片。
6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光器系统，其特征在于:所述半导体激光器电源为电流源，包括连续电流源、准连续电流源和/或脉冲电流源。
7.一种制备如权利要求6所述高功率半导体激光器系统的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1]对高功率半导体激光器芯片进行封装将其用焊料焊接于热沉上，将封装后的高功率半导体激光器固定于散热装置上； 2]对高功率半导体激光器芯片连接正负极并且与半导体激光器电源串联连接；同时将封装的半导体激光器正负极与电流/电压监测装置并联连接，用于检测半导体激光器芯片两端的实际电流/电压； 3]将电流/电压监测装置与反馈电路串联连接，反馈电路还与电源串联连接。
8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光器系统的制备方法，其特征在于:步骤I]中所述的半导体激光器芯片包括单发光点半导体激光器芯片、多发光点半导体激光器芯片。
9.根据权利要求8所述的高功率半导体激光器系统的制备方法，其特征在于:步骤I]中所述散热装置为传导冷却制冷散热器、液体制冷散热器或TEC制冷散热器。
10.根据权利要求9所述的高功率半导体激光器系统的制备方法，其特征在于:步骤2]述半导体激光器电源为电流源，包括连续电流源、准连续电流源和/或脉冲电流源。
【文档编号】H01S5/024GK104184044SQ201410412518
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】张普, 刘兴胜, 熊玲玲, 王贞福, 聂志强 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所