高功率脉冲半导体激光器组件研究

1、分类号：密级：编号：高功率脉冲半导体激光器组件研究学位授予单位及代码：量壹堡王盍堂！竖学科专业名称及代码：遣堂（！研究方向：邀发堑堡皇堑型邀出矍申请学位级别：亟主导师：韭剑塞熬攫研究生：呈曦盘论文起止时间：摘要高功率脉冲半导体激光器组件作为距离选通主动成像系统的核心单元，对系统总体性能起到决定性作用。针对成像系统的要求，研究提高组件性能的整体方案和具体技术途径，对于推动主动成像系统的发展具有重要意义。本文介绍了主动成像原理及距离选通技术抑制大气后向散射的机理；讨论了距离选通主动成像系统的构成和关键技术；明确了用于主动成像的高功率脉冲半导体激光器组件的构成；统筹考虑了功率合成方式、热传导结构、光

2、束准直和装配工艺等关键技术环节，完成了组件的整体优化设计与制备。采用有一定间隔的厘米条叠层堆砌阵列方案，提高了组件的输出功率；设计了厘米条到热沉的热传导结构，通过热膨胀系数匹配片和软焊料对热应力的两级释放，实现了大热膨胀系数失配界面（厘米条与热沉）的低应力键合；针对厘米条的光束质量差，直接应用困难的问题，分析了常见光束准直方法，并进行了光束准直实验；采用金锡硬焊料工艺，替代传统的软焊料工艺，开展了脉冲叠层的装配实验研究；进行了连续照明和脉冲照明的外场比对实验，观察到了后向散射的抑制效果。关键词：距离选通高功率组件脉冲半导体激光器光束准直，。仃；：、；（）、，：研究生学位论文原创性声明和版权使用

3、授权说明原创性声明我以诚信声明：本人呈交的硕士学位论文是在张剑家研究员指导下开展研究工作所取得的研究成果。文中关于“半导体激光器的封装和主动成像外场实验的内容和关于“采用距离选通技术的激光主动成像系统，可以显著降低激光传输过程中后向散射对成像质量和作用距离的影响”的结论系本人独立研究得出，不包含他人研究成果。所引用他人之思路、方法、观点、认识均已在参考文献中明确标注，所引用他人之数据、图件、资料均已征得所有者同意，并且也有明确标注，对论文的完成提供过帮助的有关人员也已在文中说明并致以谢意。学位论文作者签字）：翟呶签字期：如口诈月，日版权使用授权说明本人完全了解长春理工大学关于收集、保存、使用学

4、位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。学位论文作者（签字）：己哦怕签字日期：勘沁年月）第一章绪论引言目前夜视领域基本以被动成像为主，依靠物体反射自然光或自身辐射成像，其典型代表就是微光夜视仪和红外热像仪。像增强（）是在微光夜视仪基础上发展起来的光电成像器件，是像增强器、传像束和低照度三项技术的整合体。随着对成像系统性能需求的不断提高，要求微光夜视成像系统的作用距离更远、低照度适应能力更强。采用半导

5、体激光器（）作为照明光源的主动成像技术，是使微光夜视成像系统的作用距离大幅度提高并能够在更低的照度下工作的有效途径之一。同时，主动微光夜视成像系统在零照度成像、深空目标成像、散射介质中成像和水下成像等领域也有广泛的应用前景。半导体激光器在体积、重量、寿命、电光效率和直接调制特性等方面具有其它种类激光器无法比拟的优越性，因此可作为很多领域应用中的理想光源。但半导体激光器的缺点也十分突出，光束质量与其它种类激光器差距悬殊，存在严重的像散和不均匀性。输出光束发散角大，且两轴方向极不对称，通常需对输出光束进行准直和整形才能在上述领域中应用。在半导体激光器的研制中，往往追求器件的高功率输出，而忽视了半导

6、体激光器的热传导结构及焊装工艺对光束准直和整形的影响，增大了光束准直和整形技术难度，使系统复杂，效率低。如果运用系统工程思想对半导体激光器和光学系统进行统筹设计，可使系统体积小、效率高，便于集成和使用。用于主动成像的半导体激光器组件国内外研究状况们美国鲍尔太空技术公司（）采用波长、峰值功率的脉冲半导体激光器组件作为核心元件，用于主动门控电视系统（）的照明器。该半导体激光器组件的平均功率一可调，脉冲宽度一，重复频率，采用液氮制冷。光束发散角。×。，接收视场。和。，可手动选择。年，公司采用波长为、峰值功率的半导体激光器组件作为照明器核心元件，用于为一开发的视频图像探测系统。组件的平均功率

7、，脉冲宽度，重复频率，光束发散角。×。光学系统口径，焦距，图像传感器使用，系统可以在高湿度、高水汽的夜间以的正确率识别处的目标。加拿大光子学研究开发中心采用波长、峰值功率为的半导体激光器组件作为第一代主动成像系统照明器的核心元件。其脉冲宽度，重复频率，最大平均功率。组件采用个条串联叠层，每含有个发光区。光束发散角。和。可选，接收视场。和。可手动选择，景深。系统采用了公司的三代微光电视和倍连续变焦镜头（）。可以观测到处大船的名称和左右的车辆和建筑物；合作目标的作用距离最远可达。系统基于距离门选通技术，对后向散射不敏感，对薄雾、雨雪的存在也不敏感，适合在天气条件很差的夜晚工作。年，美国激

8、光应用小组“，采用波长为、平均功率的半导体激光器组件作为照明器核心元件，用于搜救与营救激光系统。组件的制作过程是将两只平均功率的半导体激光器分别与芯径光纤耦合，然后再合柬耦合到一根芯径的光纤中。该系统通过黑白硅照相机在近红外区成像。激光和照相机视场的匹配是通过安装在照相机上的可调焦镜头和激光器聚焦的电子控制来实现的。可以完成范围内的海上搜救任务。年，加拿大公司将波长为、峰值功率为的半导体激光器组件，用于其研制的第二代系统的照明器。组件脉宽为，重复频率，最大平均功率提至，照明器光束发散角为。相机装有双视场镜头，接收视场为。和。是一个多传感器的增强型低光照可见和红外监视系统。它采用新的具有减反射膜

9、的变焦距镜头，镜头焦距一，镜头直径。传感器使用三代像增强相机，最大作用距离，已装备直升机。年，加拿大公司采用波长为、峰值功率为的半导体激光器组件作为其研制的第三代主动成像系统的照明器核心元件。该组件采用个厘米条（）串联叠层，每个条由个发光区组成，单发光区间距。组件的快轴方向采用梯度折射率微透镜阵列准直，慢轴上由平凸圆柱微透镜阵列准直。脉冲宽度，重复频率，最大占空比为，平均功率，光束的发散角为。组件采用热电制冷器控制温度，并使用大面积散热片和强制风冷，以带走组件和热电制冷器的废热。镜头焦距为五档可调，有效孔径，透过率为。接收器为超二代像增强，它采用了增强的一光电阴极射线管，响应时间仅为典型三代光

10、电阴极管的一半。可以识别内宽、高，字母大小为瞌右的汽车铭牌，最大作用距离达到。公司的研究人员估算如果将激光平均功率增加到，最大作用距离可达。年，英国公司推出的叠层脉冲高功率半导体激光器，峰值功率为，波长，工作脉宽一，脉冲频率，最大占空比。其发光区尺寸为，叠层器件采用个尺寸为宽的半导体激光条直接叠层焊装，每个条含有个发光区，其两轴发散角为。和。；年，该公司又推出了采用半导体激光条叠层的脉冲高功率半导体激光器，同样是采用个条叠层，波长和峰值功率与相同，但发光区间隔增加到，最大工作脉宽提高到肛，最大占空比达，发光区尺寸为，两轴发散角分别为。和。这两种器件的主要应用于测距和激光照明领域。高功率脉冲半导

11、体激光器组件研究居世界领先地位的是加拿大公司，它的激光技术小组多年从事脉冲半导体激光器组件研究工作。目前其组件最高峰值功率可达到，发散角为，工作脉宽为，重频，波长范围是。已用于缉私和搜救。总结上述国外的报道，用于距离选通主动成像的高功率脉冲组件，所选用的半导体激光器波长一般为，脉宽，重复频率，输出的最大平均功率一般在，峰值功率，光束发散角，最大作用距离，。国内从事高功率脉冲半导体激光器研究的单位主要有长春理工大学、北京半导体所、电子部十三所和四十四所等。目前国内有关半导体激光器组件用于距离选通主动成像系统的报道很少，距离选通主动成像系统的应用仍是空白。从国外距离选通主动成像技术的发展来看，选用

12、高功率脉冲半导体激光器组件作为照明器的核心元件是发展趋势。随着应用领域的不断拓宽，对主动成像系统的要求也不断提高，更小的体积、更远的作用距离、更高的成像质量和更宽的天候适应性等等，这反过来也推动了高功率脉冲半导体激光器的发展。近年来，量子阱、应变量子阱日益成熟，的阈值电流密度显著降低、效率逐渐提高、单峰值输出功率不断增加。同时随着大光腔技术的广泛应用和隧穿级联等新技术的涌现，单输出功率已不再是限制高功率脉冲应用的主要因素。如何提高最大可用功率和改善光束质量已成为高功率脉冲实际应用中亟待解决的主要问题，相关领域的课题已成为国际上竞相研究的热点。决定最大可用功率的是将废热从结中导出并传递出去的热传

13、导结构和冷却机构，具体到的设计就是热传导结构设计、焊装结构设计和焊装工艺；如何利用最小体积代价获得最高效率的结果，始终是改善光束质量的核心目标。目前、国际上该领域的研究方兴未艾，各种技术方案、工艺流程、检测手段及核心元件层出不穷，准直、整形和光纤耦合的效率不断提高，相应微光学系统体积不断减小，总的趋势是将和微光学系统整合，向模块化、组件化发展。本文研究的主要内容本文研究的主要内容安排如下：第一章为绪论。介绍了用于主动成像的半导体激光器组件国内外研究状况和主要应用领域，论述了开展本文的研究意义。第二章为主动成像与距离选通技术。讨论了照明器峰值功率、大气激光传输特性、探测器光谱响应和距离选通门宽等

14、决定主动成像系统作用距离的主要因素，并参考国外相关系统的激光器指标，结合理论计算确定了的成像距离所需功率。第三章为半导体激光器的封装。在探讨高功率合成方法、热传导结构和装配结构的基础上制定了高功率脉冲半导体激光器设计方案；进行了半导体激光器的热特性、焊料和热膨胀系数匹配分析；采用贴片机进行了叠层器件的装配，对装配完成的器件进行了测试。第四章为半导体激光器的光束整形。讨论了半导体激光器的远场特性及光束质量，分析了常用的光束准直方法和相关理论：介绍了光纤微柱透镜、慢轴准直透镜和双曲面微透镜的准直实验，并对完成准直的组件进行试。第五章为主动成像外场实验。进行了连续照明和脉冲照明的外场比对实验，观察了

15、两种照明形式下激光后向散射，并给出照片比较。第六章为结论与展望。第二章主动成像与距离选通技术主动成像原理激光主动成像的原理就是通过调节发射激光束的发散角，将远距离目标的全部或关键特征部位照亮，以满足接收成像系统的探测要求，实现对远距离目标成像。大气对激光传输的影响大气中存在各种微粒及水汽等杂质，当激光在大气中传播时，大气对激光的吸收和散射等作用会造成激光传输能量的衰减，使接收信号减弱，成像质量下降。大气衰减激光在大气中传输时，大气中的尘埃、水汽等各种杂质和雨、雪、雾等复杂气象环境，会将激光的一部分辐射能量吸收，还有一部分辐射能量会被大气中的粒子反射和散射而偏离原来的传播方向。吸收和散射的效果使

16、激光的辐射能量在传输方向受到衰减，即大气衰减。大气衰减主要有以下三种原因：分子吸收分子散射微粒散射大气分子的吸收据文献记载，水和二氧化碳分子是可见光和近红外波段最重要的吸收分子，它们是激光辐射能量在晴朗天气衰减的主要因素，主要吸收谱线的波长如表所示。表可见光和近红外区主要吸收谱线从表中不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，通常将透过率较高的波段称为“大气窗口（如图）。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光器波长都处于这些窗口之内，以尽可能的减少大气分子吸收作用对激光辐射造成的能量衰减。本文所选用的半导体激光器组件的波长为

17、，处于，因此能较好的抑制大气衰减作用。大气分子的散射及后向散射根据粒子尺度与波长的关系，散射可以分为：直径远小于激光波长的粒子对激光的散射，即瑞利（）散射，如大气分子的散射；粒子的尺度和激光波长相比不能忽略的米氏（）散射，如悬浮粒子的散射。粒子直径小于入射光波长的散射为分子散射，粒子直径等于或大于的散射为粒子散射（如霾、雾和烟）。散射系数等于分子散射系数和粒子散射系数之和。这一大气窗口中，一一一。硎承一舷夫重百飞峭吲川。，矗溲援剐时图大气透过率及大气窗口文献记载表明，对目前常用的激光器波长而言（如），因散射造成激光能量衰减的主要原因是米氏散射。米氏散射分为悬浮固体粒子（如尘埃、烟等）和悬浮液滴

18、（如霾、云、薄雾、舞、雪、雨、冰雹等）的散射。大气分子的散射作用使传输中的激光能量射向空间中的各个方向，总体效果是衰减了激光的辐射能量，但是也有其他的散射使辐射能量射向接收器中，这种散射通常称为后向散射。后向散射会引起背景辐射，产生不利于成像的背景噪声，降低了图像的对比度和清晰度，严重时散射噪声足以淹没从目标反射回来的有用信号。文献表明，后向散射是制约主动成像系统作用距离和成像质量的最大因素。距离选通技术为抑制大气的后向散射作用，研究人员采用近红外脉冲激光器和选通像增强型相机设计出了一种距离选通激光主动成像系统，可以全天候探测和识别目标并且提供距离信息。距离选通主动成像技术可以大大降低大气的后

19、向散射对成像系统的影响，大大提高成像系统的探测距离。距离选通技术，是近几年来国际上用来克服后向散射的一种有效手段。它是借助精确时钟同步技术、大功率脉冲激光驱动技术、选通增强摄像机（）等发展起来的。图为距离选通技术原理图。脉冲激光和选通摄像机通过控制电路同步。在时刻，激光光源发射激光脉冲，选通摄像机关闭。在激光脉冲传输到达目标并反射回选通摄像机所处位置（时刻）之前，选通摄像机保持关闭。这样，到时刻脉冲激光传输过程中产生的后向散射光无法进入选通摄像机形成噪音。当反射回的脉冲激光到达选通摄像机所处位置（时刻）时，选通摄像机打开，接收返回的脉冲激光并成像。而后重复这一过程，关闭摄像机，并发射下一个激光

20、脉冲。选通门开启持续时间与激光脉宽一致。这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的目标反射光有关。距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，的激光脉宽和的选通门宽结合，能提供一的距离分辨率。图距离选通技术原理图主动成像系统构成及核心组件主动成像系统的组成结合上文中论述的距离选通原理，参考了第一章中介绍过的国外研制成功的主动成像系统，本文提出了主动成像系统的构成方案。本文所研究的主动成像系统组成如图所示。核心组件为以下几部分：照明器（半导体激光器组件）接收器距离选通同步控制器等。主动成像系统的工作过程如下：照明器发射脉冲激光，对目标照射。同时光被管接收，经触发电路向同步控制器发射延时控制脉冲

21、。根据照明器与目标之间的距离确定同步控制器的延迟时间。当从目标反射回来的激光脉冲到达接收器的瞬间，同步控制器的延迟时间到，产生选通脉冲，打开接收器的选通门，让从目标反射回来的激光脉冲信号进入接收器，根据所需要的观察景深确定选通门开启持续时间，在监视器上所获得的图像主要与目标的反射光有关。这样就可以去除大部分后向散射光，提高回波信号的信噪比和成像系统的作用距离。图主动成像系统框图器耦合，构成摄像机。其像增强器能够在很短的时问内（通常为）打开或关闭，挚批匡爹其摄像机内部主要由输入面板、光电阴极、像增强器、光锥、传感器、高压选通电路、内置延迟信号发生器以及玲却系统组成。其中，像增强器口径为英寸；光电

22、阴极为材料，量子效率超过（如图）；其光谱响应范围；最小选通门宽；有效像元数达。目掣像增强器阿实物圈，”七，嚣一，一¨、嚣二一，￥”。；。蠡？椰孑鼻搿翟矽零譬；，嗽赫。、。二，二。一：网一、瑚图光电阴极的光谱响应曲线距离选通同步控制器（）延迟触发方式距离选通同步控制技术主要是使激光器和摄像机同步，并且提供选通门宽度、脉冲宽度和延迟时间选择。同步控制器主要由使快门开启与激光照射同步的延时电路组成，延迟时问取决于激光脉冲传输到目标上再反射到接收器所需要的时间。快门开启时间与距离分辨率有关。快门开启时间越短，距离分辨率越高。在距离选通技术中必须要保持照明器（脉冲激光器）与接收器（）之间的同步

23、。在保持同步的延迟信号触发方式主要有外触发和内触发两种。本系统选择前者，优点在于外触发方式对于脉冲激光器的传输延迟无要求，只需考虑触发电路、延迟脉冲发生器和像增强器驱动电路的传输延迟时间。（）延迟时间与选通门宽主动成像系统中，激光器发射激光脉冲对目标进行照射，同时延迟脉冲发生器开始延迟。当激光脉冲打到目标上，从目标反射回来的激光脉冲到达选通摄像机时，选通门开启，选通门打开状态持续时间（选通门宽）决定了所需的观察景深。延迟时间是由目标到激光器的距离所决定的，延迟时间与距离的关系如下：×（）其中为光速，选通门宽与所观察的景深凼之间的关系如下：铲击以选通门宽为例，对应的景深为（）即选通门宽

24、为时，景深为同理选通门宽为时，景深为。照明器船一，××（）主动成像系统对照明器的要求大量文献表明，用于主动成像系统的激光器须满足以下要求：较高的峰值功率。成像系统所要求的照明距离越远，所需要的激光器输出功率就越高；较窄的脉冲宽度和较高的重复频率，以便更好地将目标的反射光和后向散射光区分来；大气传输性能好。所选用的激光器的波长，需要位于大气窗口波段，以最大限度的降低激光在大气中的衰减，这样传输距离才会更远。（）激光成像距离方程】激光成像距离性能方程可以用于估算激光成像系统的最大探测距离及其影响因素，是激光成像系统设计的理论基础。对成像系统而言，待测物的距离越远，回波强度也越小

25、，当回波强度小到和噪声相当，系统无法分辨时的最远距离，就称此距离为最大探测距离。影响脉冲激光成像系统的因素有：脉冲激光器的输出峰值功率、待测物的反射率及可供反射的表面积、环境与大气散射等的影响、发射接收系统的光透过率以及各项噪声的大小。为了讨论方便，用图说明激光器和目标物的空间关系。图中待测目标物的距离为，所发射的激光脉冲在目标物上形成的光斑面积为。如果由激光器发出的峰值光功率为，发射光学系统的透过率为，大气的衰减系数为，则到达目标物表平面上的峰值总光功率，为：弓吃×乃一砌（）当激光照射于待测物表面时，将有一部分会被反射，反射光的一部分再被成像系统的接收器接收。物体对光的反射现象，可

26、以分为两大类：镜面反射以及漫反射，通常这两种现象是并存的，也有许多文献针对不同反射物体对成像系统产生的不同影响有更深入的研究。对于如树木、石头、泥土、草地，水泥墙、纸张等大部分日常生活中常见的物体，有文献指出，它们通常可以近似的视为很好的漫反射体，入射光的入射角小于。时，这些物体的反射性质几乎就和“朗伯反射表面的一样【。”。多献图激光器和目标物的空间关系所谓朗伯反射，是指反射光的行为遵守“郎伯定律，即每单位面积单位立体角在任何方位上所发出的光功率固定不变，也就是辐射度为常数。为简化说明，将待测物体的表面视为朗伯反射表面。在知道物体的漫反射率后，将其视为二次光源，就可以利用郎伯定律来求得物体的反

27、射辐射率大小，然后就可以推算实际到达激光接收系统的光功率。目标表面的辐射度：丝生万其中为目标物的反射率，为光斑面积。（）如果接收器的透过率为，窄带滤光片的透过率为，那么成像系统的接收器所能收到的回波光功率为：最珥（舢弛疋耳鲤趔嗪掣灯以“（）其中。为接收单元的面积，即图中透镜的面积，为大气衰减系数。一般而言，距离远大于光轴距离，这样夹角变得很小，于是万而且（），（）式就可以简化成：足：堕塑掣灯积积“（）又由式，可得到回波激光功率为：最：丝婴冬！止业灯：积积（）需要说明的是，上式是针对激光成像的一般情况，即基于以下两个假设：目标物表面积大于激光照射光斑面积，且光斑所成之像全部落在接收视场之内。如果

28、以上假设不成立，则应该相应增加两个参数，来反映相应比例系数，这两个系数与光强度分布函数和目标物与光点的相对位置有关，不妨设为，由下面两式确定：嚣小舻【脚，。（）章：三：发射光束的发散角，为激光接收视场角。这样激光成像距离性能方程就变为：（）（）式中为目标物有效发射截面积，。为激光光斑面积。（）式中。为激光尸。：丝型丝垂垒一！旦×口一砝“（）由（）式可知，随着目标距离的增大，激光成像系统接收到的目标回波功率迅速缩小。当。时，成像系统接收到的回波功率达到最小可探测功率。如果在成像距离性能方程中用最小可探测功率帅代替回波功率。，则由成像距离性能方程可得到最大可探测距离：丝垄圣堡圣盘！丝磁（

29、）其中：为目标物的反射率，。为激光器的输出峰值功率，。为照明光源的透过率，。为接收器的透过率，为窄带滤光片的透过率，。为单程大气衰减率，为目标反射表面法线与光轴之间的夹角，为接收器的面积，即图中透镜的面积，为最小可探测功率，通常由探测器性能决定。由以上式子可以看出，为获得尽可能大的作用距离，在激光成像系统的系统设计中，就必须提高照明光源的发射功率。，增大接收器的面积，增大发射光学系统和接收光学系统的透过率，“。减小发射光束的发散角。，提高接收灵敏度，即减小接收器的最小可探测功率同时，系统设计时还应该考虑接收视场角和光束发散角的匹配。其次，激光成像系统的最大作用距离还与外部成像条件密切相关，大气

30、透过率。越高，被测目标的有效发射截面积。和漫反射率越大，激光成像系统的最大作用距离会相应增大。为方便讨论作用距离与照明器的输出峰值功率关系，使用下面的方程进行大致估算。一寸虹汪伍；（）（）假设当前环境温度为，能见度为，大气衰减系数在时为。由经验公式计算公里内的单程大气衰减率为：（一）（）接收器有效孔径根据系统设计为，因此接收器面积。为：彳（）（）公式中为照射到目标上的光斑面积与目标距离处对应成像系统观察面积的比值，可认为良，其中良为发射光束发散角，所为接收系统视场角，设为最大作用距离为，目标物的反射率为为，为接收器口径为，照明器和接收器的系统透过率均为，是光电阴极照明灵敏阈值为呵，是接收器面积

31、为×。，是光视效能，由文献中【每查得为将以上数值代入公式（）最终算得为。综合考虑各种天候条件、不同的成像目标、接收光学系统相对孔径和探测灵敏度的差异，同时参照国外类似系统的照明器参数设计，峰值功率的组件完全能够满足距离选通成像的照明要求。用于主动成像的高功率脉冲半导体激光器组件构成本文所研究的用于主动成像的高功率脉冲半导体激光器组件原理框图如图所示，后文简称为组件。组件由高功率脉冲半导体激光器和光学系统两部分组成，光学系统用于的光束准直。组件的波长选择，它处在的大气窗口波段，透过率高而且水分子对激光能量的吸收小：三代光阴极在波长的响应度接近峰值；处于近红外波段，与可见光相比隐蔽效果更

32、好。：撼徽卜半导体激光器广一光学系统图组件结构框图第三章半导体激光器的封装高功率脉冲半导体激光器设计方案高功率脉冲半导体激光器的设计，需要解决的几个主要问题：（）高功率合成方法由于单个厘米条（）的输出功率无法满足要求，因而首先需要确定功率合成方法，实现多条组合发光，提高输出功率；（）高效热传导结构作为电致发光器件，高功率意味着废热多。将废热从激光器每一个结导出的热传导结构高效与否，直接影响激光器的寿命和可靠性，几乎是所有高功率的设计重点和难点；（）高精度装配结构对多发光点组合发光的而言，如何减小由装配引入的发光间距误差、光束偏轴和变形，关系到与光学系统对接的难度和效率。设计合理的装配结构和工艺

33、流程，是减小装配误差的前提。激光器预期目标（）激射波长：；（）峰值功率：；（）工作脉宽：（）重复频率：（）平均功率：一；（）发光区尺寸：；（）发散角：（垂直），（水平）；椭圆光束长短轴之比小于；（）热管理模式：被动冷却厘米条参数拟采用、峰值功率的准连续（）厘米条做为基本器件单元，以多个基本器件单元组合的方式实现峰值功率等技术指标。基于降低散热压力和提高准直效率等方面的考虑，选择使用德国公司型号为的条，其详细参数见表表例性能参数激光器方案考虑到准直存在一定的损耗，不同条的工作电流有离散度，因而采用个组合方案较为稳妥。多条组合发光提高输出功率的技术途径主要有三种，即一维线阵（并联）、叠层堆砌阵列（

34、串联）和二维混合阵列（串并联混合）。由于只需要组合个条，输出平均功率也不是特别大，因而没必要采用二维混合阵列。下面仅就一维线阵和叠层堆砌阵列及相应的导热结构进行探讨。一维线阵条在热沉上一字排列，发光面向外并按照热沉直角定位边线对齐，热沉与条之间焊料焊装。一维线阵与单类似，都可以采用一层焊料一次焊装成型，均呈现低压大电流的负载特性。一维线阵导热结构和工艺过程相对简单，整体热阻小且技术成熟度高，寿命和可靠性容易保障，目前已被广泛用于各种激光晶体的侧向泵浦。一维线阵的缺点是发光区水平尺寸大，需要进行多次光束分割、转向和准直才能提高两轴的对称性，以满足做为成像系统照明光源的要求。整形需要使用的光学元件

35、较多，调整对准定位过程复杂，难以达到较高的效率。因而，为满足系统对激光器发光区和远场特性的要求，避免增加照明器主光学系统的设计加工难度，不选用一维线阵激光器方案。叠层堆砌阵列叠层堆砌阵列按热管理模式可分为主动冷却和被动冷却两种类型。主动冷却是指采用水冷方式将热量从管芯中导出的热传导结构，通过在每两个条之间加入一个带有微通道水冷结构的过度热沉来实现。由于水冷结掏的加入，与间的发光间隔较大一般为衄：被动冷却是指完全依靠接触传导方式将热量从管芯中导出的热传导结构，根据单平均功率、堆叠层数和应用需求的不同，发光间隔可在范围内调整。由于微通道水冷结构的寿命小于条的寿命，因而只有在被动冷却方式无法满足叠层

36、器件导热需求的时候，才采用主动冷却方式。条直接叠装可以实现最小的发光间隔和发光区纵向尺寸，如图所示。美国、英国和德国等公司均在自己的脉冲半导体激光器产品中采用了这种结构。以上文中提到的条为例，叠层的发光区问隔可以小到，发光区纵向尺寸只有左右。直接叠层器件工艺相对简单，只需将热沉进行焊料蒸镀处理后，采用专用夹具控制条的侧向和后向位移，然后通过贴片机将条和预制焊料片依次一层层摆置到热沉上，一次压焊即可完成装配。但由于预制焊料片的厚度误差导致压焊时难以控制压力均匀分布，从图中可以看到比较明显的焊料层厚度差异，这将导致一定程度的发光区间隔不均匀，使光束准直难度大大提高。而且发光点越密集相应的准直微透镜

37、阵列加工难度越大，调整裕量越小，高效准直的实现可能越小。此外，由】二直接叠装器件采用条本体导热，虽然窄脉冲时可以获得较大峰值功率（千瓦级），平均功率的承受水平却较低（瓦级左右）。囤条直接叠装的脉冲叠层阵刘山于激光器的设计最大输出平均光功率为，条的电光转换效率为，此时产牛的废热为（）。这样，仅凭激光器条本体进行热导出和热传递，难以将所有条产出的泼热自效传导至热沉，导致条之间热耦合，。重，进而使激光器输出特性变坏直至失效。为保证条中废热的高效导出，拟采用如图所示叠层堆砌阵列激光器方案。在激光器的条之间，加入一定厚度的热沉，作为条的主导热通道，热沉厚度是本方案的关键指标。首先，热沉厚度决定了热沉与底

38、板的接触导热面积，厚度太小则无法保证条、匹配片、热沉、底板这条主导热通路的顺畅；其次，热沉厚度是叠层器件发光自隔的决定因素，设计时应兼顾准直微透镜阵列的调整与装配空阳；最后，热沉是条、匹配片和绝缘隔片的载体，其厚度应保证它具有足够的刚性，为高温、高精度焊装提供保障。因而，练合考虑导热、光束准直和装配等方面因奈，最终确定热沉的厚度为咖，发光间隔为唧。此外，条焊接拟采用硬焊料工艺，以提高寿命、可靠性和装配精度；条的串联和电极引出均采用接触导电方式，在导电的同时兼顾导热。丌辟辅助导热通道提高导热能力。籍辑片沉圈叠层堆砌阵列激光器方案示意图热特性分析美公司【和在其超高效率半导体激光器项目报告书中指出，

39、当前制约半导体激光器最大可用功率的并不是其外延结构本身，而是能够高效将废热从激光器结中导出的热传导结构和把废热传递出去的冷却机构。因此，热传导结构和冷却机构成为目前一个研究和发展非常活跃的领域。温度对激光器光谱的影响半导体激光器的有源区材料通常采用直接带隙材料，激射波长由禁带宽度决定，如式（）所示（一胁）晶）式为有源区直接带隙材料的禁带宽度。温度升高时，有源区材料的禁带宽度会随之变窄：温度影响有源区的折射率的性质，当温度变化时，增益峰值波长会发生变化。这样，激射波鹾会随温度的升高发生红移，其红移量约为，【埘。由图我们也可以看出，时器件的模式变差，这主要是由于在温度升高时器件开始出现模式竞争，同

40、时，光谱宽度变大。（）尊鼻甜缸舢伽岫图温度与器件波长的关系温度对激光器阈值电流密度的影响【】激光器阈值电流密度随温度的变化关系，见图。啪啪狮¨图温度与阈值电流的关系半导体激光器的温度与阈值电流密度的关系表达式如下厶（）厶（）（三；与（）式中，为室温：如（乃）为室温下的阈值电流密度：是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数，通常称为特征温度，它与激光器所使用的材料和结构有关，丁。越大，表明激光器对温度的敏感性越小。由图我们看到，随着激光器温度的升高，阈值电流密度增加。这是由于温度升高时，增益系数、漏电流、自由载流子吸收损耗、散射损耗及耦合损耗等均会发生变化。半导体激光器阈值电流的提高，就

41、意味着输出功率下降。温度对激光器寿命的影响寿命通常采用阿列纽斯方程表征，其表达式为：彳（台）寿命呈指数下降。（）其中，为激光器的寿命，岛为经验激活能，为玻尔兹曼常数，为常数，为激光器工作温度。由阿列纽斯方程可知，寿命与温度呈指数关系，即工作温度上升为制造厂商提供的寿命，一般在工作温度取得。根据阿列纽斯方程有，刊（意公式（）和（）相比得加速因子口的表达式：）冲【鲁（丢一扣（）根据加速因子的推导，全球知名高功率半导体激光器制造商提出了著名的法则。即温度每上升，寿命将减少一半。这就是说，如果寿命依据常温给出，那么长期处于作温度时寿命会降为常温寿命的。可见保证作温度处于适当范围的重要性。半导体激光器的

42、热半导体激光器的热阻主要来自管芯、焊料与热沉。其中管芯的热阻鼢可表示为砌莓志（）表示的面外延材料的层数，函表示第层外延材料的厚度，表示第层外延材料的热导率，表示第层外延材料的有效导热面积。以通常采用面电极朝下的倒装焊接方式为例，有源区与热沉距离一般为几个至几十个，热量主要从面向热沉扩散，因此可将条的热阻肋近似为面外延材料的热阻。焊料热阻凡可表示为：如：罢“墨（）其中为焊料层的厚度，缸为焊料层热导率，以为焊料层导热面积。热沉的热阻幽可表示为：幽垒一口（）其中为热沉材料的厚度，鳓为其热导率，么为有效导热面积。条到热沉出热面的总热阻为砌皿十勘（）由以上分析可知，为降低总热阻，应采取的措施为：增加管芯

43、到热沉的有效导热面积，可以通过提高焊接质量实现；焊料和热沉的厚度不宜过大，焊装结构设计时统筹考虑；采用热导率高的焊料和热沉材料。焊料分析年，德国公司报道了他们采用硬焊料焊装高功率的研究【。他们使用同一外延片上解理出个条，分别使用焊料和焊料，各焊装了只。在硬脉冲电流驱动下，进行了老化对比实验，实验结果如图所示。在老化小时后，焊料焊装的有只明显退化，另有一只完全失效，此时焊料焊装的全部正常工作。实验表明，使用硬焊料焊装的比软焊料焊装的，在硬脉冲下具有更高的损毁阈值电流；英国公司也公开表示【】，他们在高功率制造中两条最重要的经验之一就是使用焊料封装。硬焊料与以为代表的传统软焊料相比，能够使在更高的驱

44、动电流和温度下工作，并具有更高的可靠性。图焊料和焊料焊装的老化对比实验在半导体激光器的装配工艺中，芯片与热沉间的连结最为关键。焊料作为芯片和热沉的键合材料，它的物理性能对的可靠性影响很大。通常，用于焊接的焊料分为硬焊料和软焊料两种。常用的软焊料有铟（）、铅锡合金（）、铟锡合金（）、铟铋合金（）等。软焊料熔点（）低，生长应力很小，在正常应力作用时产生塑性形变，可以用于热膨胀系数（）失配较大的装配界面，因而被广泛用于高功率的传统装配工艺中。但软焊料的塑性应力会产生潜在的热疲劳和电子迁移，在高温烧结时容易生成铟须，严重时会导致短路损毁：而且容易氧化，氧化层会导致焊装质量下降。常用的硬焊料有合金、合金、合金等，其中最常用的合金硬焊料为，其物理性能见表，主要优点如下：（）钎焊温度适中钎焊温度仅比它的熔点高出（即约）。在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可以使合金熔化并浸润，而且合金的凝固过程很快。因此，金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程周期，并适合多层次和对稳定性要求很高的元器件组装：