窄光谱高功率半导体激光器叠阵及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种窄光谱高功率半导体激光器叠阵及其制备方法，依据半导体激光器叠阵的制冷方式对半导体激光器叠阵进行模拟实验，得出组成叠阵的各个放置巴条区域的温度分布情况，测量每一个巴条的光谱，得出每一个巴条的中心波长，将中心波长较大的巴条置于模拟出的温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于叠阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配，组装叠阵，达到组成叠阵的巴条波长一致输出，即为高功率窄光谱半导体激光器叠阵。该发明专利技术具有很好地光谱窄化效果，采用本发明专利技术方法制备的半导体激光器叠阵光谱宽度能够降低30%左右。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体激光器制造领域，涉及一种。
技术介绍
随着半导体激光器输出功率、转换效率和性能稳定性的不断提高，大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器及光纤激光器在工业、先进制造业、军事、航空航天、医疗、显示、娱乐中的应用越来越向高层次和高精密方向发展，尤其是激光器与计算机数控技术相结合后构成的高效自动化加工设备，已经成为先进制造业发展的新动力，具有巨大的市场前景。为了提高输出功率，通常将多个半导体激光器巴条组成叠阵的形式，其输出功率可以达到几千瓦到上万瓦。大功率半导体激光器叠阵，广泛应用于军事国防领域、激光加工工业中，也可用于固体激光器及光纤激光器的泵浦源、激光点火、激光打孔、激光切割、激光打标和激光热处理等技术中。半导体激光器叠阵在很多应用中，例如固体激光器泵浦等，需要较窄的光谱宽度，但是半导体激光器叠阵由几十个巴条组成，各巴条的光谱中心波长不一致，因此最终叠阵总的光谱会有明显的展宽。目前已有的研究中大多集中于半导体激光器巴条的光谱窄化。近年来国内外已经有一些关于大功率半导体激光器阵列的光谱展宽机理的研究，导致半导体激光器阵列光谱展宽主要有下述原因:(Xingsheng Liu等，Proceedings of 58thElectronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.1005-1010, 2008.)(I)构成半导体激光器阵列芯片的各个发光点成分或结构不均匀，导致各发光点的波长不一致，从而使光谱发生一定程度的展宽。(2)高功率半导体激光器的热效应导致各发光点温度不一致，根据半导体激光器的波长随温度变化关系(波长随温度变化速率通常为0.3-0.4nm/K)，各发光点的中心波长发生变化，因此导致光谱展宽。热效应导致光谱展宽具体可以分两种情况:(a)理想情况下贴片层不存在空洞时，大功率半导体激光器阵列工作过程中会散发出大量的热，半导体激光器中心区域的发光点和边缘区域的发光点温度不一致，从而导致各发光点中心波长不相同，光谱发生展宽；(b)在半导体激光器封装过程中贴片层不可避免地会产生很小的空洞，在工作过程中由于电流过大，焊料容易发生电迁移及电热迁移。较大的空洞会使半导体激光器阵列发光点附近的局部温度显著升高，导致局部发光点的波长红移，因此总的光谱发生展宽。(3)封装过程中产生的应力不均匀导致光谱展宽。为了得到较高的转换效率和较高的连续波功率，激光器阵列通常使用电导率和热导率好的铜作为热沉。由于半导体激光器和铜热沉的热膨胀系数(CTE)不匹配，这会在封装之后在激光器二极管阵列上不可避免地产生应力。研究发现，由于应力不均匀导致的激光器阵列波长漂移可达7meV，最终导致激光器阵列的光谱展宽。由于组成叠阵的各个巴条光谱不一致，最终叠阵的光谱会发生明显的展宽。因此为了解决这一问题，需要通过优化叠阵结构设计，达到制备窄光谱半导体激光器叠阵的效果O
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，具有方法简单、便于操作、成本低的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:一种窄光谱高功率半导体激光器叠阵的制备方法，包括以下步骤:(I)依据半导体激光器叠阵的制冷方式对半导体激光器叠阵进行模拟实验，得出组成叠阵的各个放置巴条区域的温度分布情况；(2)测量每一个巴条的光谱，得出每一个巴条的中心波长；(3)将中心波长较大的巴条置于步骤(I)中模拟出的温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于叠阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配；(4)组装叠阵，达到组成叠阵的巴条波长一致输出，即为高功率窄光谱半导体激光器叠阵。基于以上原理，制备了以下1)、2)两种液体制冷半导体激光器叠阵，这两种液体制冷半导体激光器叠阵均由多个半导体激光器巴条层叠组成，各个巴条通过串联、并联或串并联结合的方式进行电连接；I)液体制冷回路为双进双出，即在叠阵两端各设置一个入液口和一个出液口。对于这种液体制冷半导体激光器叠阵，通过实验和模拟得出:组成叠阵的各个放置巴条区域的温度对称分布，叠阵中部温度高，叠阵两侧边缘区域温度低。将中心波长较大的巴条置于叠阵边缘区域，中心波长较小的巴条置于叠阵中部的组装模式，使巴条波长与区域温度相匹配，所组装的叠阵输出光谱较窄。2)液冷通道为单向直线型的液体制冷半导体激光器叠阵，即在叠阵一端设置入液口，另一端设置出液口。对于这种液体制冷半导体激光器叠阵，通过实验和模拟得出:位于液体入口处的区域温度较低，远离液体入口处，沿着液体流动方向，相应的巴条区域温度逐渐增加；将组成叠阵的各巴条，按照其中心波长从大到小，依次置于自入液口至出液口的各段区域，即:将中心波长较大的巴条置于靠近叠阵入液口的区域，将中心波长适中的巴条设置在叠阵中部，将中心波长较小的巴条设置在靠近出液口的区域，使巴条波长与区域温度相匹配，叠阵的输出光谱较窄。本专利技术具有以下有益效果:1、本专利技术具有很好地光谱窄化效果，采用本专利技术方法制备的半导体激光器叠阵光谱宽度能够降低30%左右。2、本专利技术工艺较为简单，成本低。附图说明图1为本专利技术技术方案示意图；图2为依据本专利技术原理制备的双进双出式液体制冷叠阵结构示意图；图3为20个巴条组成的双进双出式半导体激光器叠阵的温度分布；图4为本专利技术制备的由20个巴条组成的975nm峰值功率5000W双进双出式半导体激光器叠阵光谱测试结果；图5为依据本专利技术原理制备的单向直线型液体制冷叠阵结构示意图；图6为60个巴条组成的单向直线型半导体激光器叠阵的温度分布；图7为由60个巴条组成的808nm峰值功率18kW直通型半导体激光器叠阵光谱测试结果。图中，I为入液口，2为出液口，3为半导体激光器巴条。具体实施例方式下面结合附图和实施例详细叙述本专利技术的技术方案:如图1所示，按模拟的温度分布，波长排布随温度的升高而减小。首先通过模拟及实验得到组成叠阵的各个巴条的温度分布情况；然后测量各个巴条的光谱，得到各个巴条的中心波长；半导体激光器巴条的中心波长会随温度升高发生红移，温度降低发生蓝移，在组装叠阵时将中心波长较大的巴条组装在温度较低的区域(叠阵边缘区域)，将中心波长较小的巴条组装在温度较高的区域(叠阵中间区域)。最终使各个巴条的中心波长趋向一致，从而使总的光谱宽度窄化。对于双进双出式液体制冷半导体激光器叠阵，通过实验和模拟证实(如图3所示):得出组成叠阵的各个放置巴条区域的温度对称分布，叠阵中部温度高，叠阵两侧边缘区域温度低。将中心波长较大的巴条置于叠阵边缘区域，中心波长较小的巴条置于叠阵中间的组装模式，使巴条波长与区域温度相匹配，所组装的叠阵输出光谱较窄。如图2、4所示，利用本专利技术技术方案制备了由20个巴条组成的975nm峰值功率5000W叠阵半导体激光器，其光谱半高全宽FWHM(Full width at half maximum)为3.llnm，90%能量光谱宽度仅4.15nm。对于单向直线型液体制冷半导体激光器叠阵，通过实验和模拟证实(如图6所示):得出位于液体入口处的区域温度较低，远离液体入口处，沿着液体流动方向，相应的巴条区域温度逐渐增加；因此采用将中心波长较大的巴条置于叠阵入口处边缘区域，将中心波长较小的巴条置于叠阵液体出口之间的组装模式，使巴条波长与区域温度相匹配。如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种窄光谱高功率半导体激光器叠阵的制备方法，包括以下步骤：（1）依据半导体激光器叠阵的制冷方式对半导体激光器叠阵进行模拟实验，得出组成叠阵的各个放置巴条区域的温度分布情况；（2）测量每一个巴条的光谱，得出每一个巴条的中心波长；（3）将中心波长较大的巴条置于步骤（1）中模拟出的温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于叠阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配；（4）组装叠阵，达到组成叠阵的巴条波长一致输出，即为高功率窄光谱半导体激光器叠阵。

【技术特征摘要】
1.一种窄光谱高功率半导体激光器叠阵的制备方法，包括以下步骤: (I)依据半导体激光器叠阵的制冷方式对半导体激光器叠阵进行模拟实验，得出组成叠阵的各个放置巴条区域的温度分布情况； (2 )测量每一个巴条的光谱，得出每一个巴条的中心波长； (3)将中心波长较大的巴条置于步骤(I)中模拟出的温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于叠阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配； (4)组装叠阵，达到组成叠阵的巴条波长一致输出，即为高功率窄光谱半导体激光器叠阵。2.一种液体制冷的窄光谱高功率半导体激光器叠阵，由多个半导体激光器巴条层叠组成，各个巴条通过串联、并联或串并联结合的方式进行电连接；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴胜，康利军，吴迪，王警卫，戴晔，
申请(专利权)人：西安炬光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：