半导体激光器组件:包装二极管激光阵列

边缘发射半导体激光器阵列也称为激光棒。这些设备肯定是最广为人知和广泛的建筑高功率二极管激光器(hpdl)。

当使用一个电子泵方案,目前这些结构能够产生高达500 W的CW光功率,同时保持整体活性物质体积小于0.01毫米³。

虽然这些设备的光电效率可以轻松超过50%——尤其是GaAlAs InGaAs-based二极管激光器——能量的部分不是转换成光几乎一样高。

这转化为大量的能量,从激光设备的热消散;否则,活性介质可能会融化在几微秒。

散热是最紧迫的问题在HPDL安装技术。产生任何热量通过传导最初传播给周围的基质体积。底物的体积通常1 - 4毫米³。

耗热率太高了对于这样一个体积有限,然而,这意味着需要进一步消散步骤为了消散热量通过大量材料之前这是最终被环境——通常通过对水或空气强制对流。

这个过程必须足够快速,避免极端的活性介质的温度升高。铜是一种流行的选择这种类型的应用程序由于其良好的电子导电性。

铜还显示第二大热导率在所有金属(k ~ 385 W·m¹·K¹),仅略超过银(k ~ 405 W·m¹·K¹),这通常不是一个可行的选择是由于成本的影响。

铜以来一直作为首选sub-mount材料半导体激光技术是首次开发。然而,一个新的技术挑战已经出现:建立一个适当的接口之间的激光器和铜散热器。

这是最初通过焊接来实现,这仍然是最普遍采用的技术。然而,焊接提出了一些固有的问题。

接口为焊接材料选择目的需要舒适的熔化温度低于熔点的激光器和散热器。

还应该高到足以确保热力和机械稳定激光二极管的工作温度,一般15ºC和80ºC。第一个材料用于这个目的是铟- T_融化~ 157ºC。

焊接过程的目标是创建一个固体激光棒之间的联合和铜散热器、铟熔化温度实现这一目标。

因为每个在场的三个材料表现出不同的热膨胀系数(CTE亚博网站下载),设备总是会经历一定程度的残余应力,当它冷却到室温。¹

微笑在激光二极管阵列

这是一个关键的含义被称为微笑的外观现象,即酒吧遭受曲率导致发射器阵列内没有激光完全平行于水平轴。

相反,在高度分离从2μm 5μm往往会出现从底部到顶部发射器(图1)。

这个距离是通常的最佳衡量标准大小微笑。微笑在激光棒是一个重要的考虑外部谐振器配置是必要的或如果需要最大亮度的快轴。

图1。排放强度理论模式在快轴准直和慢轴成像19-emitter激光器。上图对应于一个smile-free激光器。两个底部图像对应于两个不同的微笑效应。图片来源:Monocrom

外部谐振器配置

构建一个外部谐振器与激光棒是一种常见的方法来增加光谱亮度或功率激光器本身的亮度。空间的亮度(W·厘米高²·sr)是一个重要的因素高功率二极管激光器用于工业应用金属切削、焊接或钻孔。

高光谱亮度(W·厘米²老··纳米¹(nm)和低波长热转变·K¹)也常与固体激光器泵的应用程序。

权力使用反射亮度的外部反馈生成布拉格衍射光栅(图2)。这种方法在有效的空间叠加的结果从激光器激光束,以同样的方式好像强度是来自一个发射器激光棒内。

图2。基本方案说明光谱梁相结合原则。空间上分开发射器发射不同波长的影响在不同入射角度衍射光栅。然而,衍射角是常见的所有人(使用不同的颜色来说明不同波长的波长但并不代表本身)。图片来源:Monocrom

因此,空间亮度增加了一个数量级。

这也可以通过扩大发射带宽(导致低光谱亮度)同时接受一定比例的权力和光学损失;例如,全面降低20%到40%力量w.r.t.自由梁的操作。

这些不可避免的,固有的光学损失与衍射光栅的效率和透镜的传输。

图3。没有微笑的激光棒的发射器是包含在定义的飞机快轴和系统的光轴。因此,发射的激光束及其部分反射层对应(反馈)空间重合在一个外部谐振器配置。图片来源:Monocrom

图4。大多数激光发射器的酒吧与微笑是部分或完全定义的飞机快轴和系统的光轴。这导致部分缺乏外部光反馈的谐振器配置(大部分的发出和反馈梁部分或完全不符合)。图片来源:Monocrom

至关重要的是,光损失也影响激光束的方式返回到发射器后其强度的一部分是反弹outcoupling镜子。这就是反馈排放从外部谐振器,微笑效应导致的损失更高的(图3和图4)。

卷布喇格光栅(vbg)通常放置在前面快轴平行激光棒来提高光谱亮度。布拉格光栅需要外部反馈,在这种情况下缩小和“锁”整个激光器的发射波长。

结果在大量减少波长位移w.r.t.温度,从0.3 nm·K¹小于0.08 nm·K¹,类似于发现的分布反馈激光器应用于二极管结构本身或使用光纤连接。

当使用激光二极管阵列,避免微笑的存在是一个至关重要的因素在确保统一反馈每个发射器,尤其是当考虑到光元素是常见的每个发射器(图3和图4)。

快轴亮度

激光发射在快轴几乎总是衍射极限(M²~ 1)。这个应用程序提供了一个明显的优势最大亮度沿着线形激光点是必需的,例如,抵消激光打印(computer-to-print机器)。

微笑效应在激光棒的存在有可能降低整体快轴亮度在50%和80%之间。这是由于明显的激光源的高度是快轴的比例增加的笑容。

将快轴准直器(FAC)镜头前的激光器将导致更高的残余散度或更大的集中位置(图6)。

图5。10-emitter激光器的近场表示没有微笑(上)和3μm微笑效应(底部)。明显的大小(由下面的虚线框架)是快速扩大轴由于微笑。图片来源:Monocrom

图6。不同的微笑模式(左)产生不同的快轴强度下快轴准直(中间)。远场强度剖面沿快轴是叠加的结果尽可能多的线形斑点发射器激光棒内(右)。图片来源:Monocrom

选择微笑抑制

尽管上述挑战,HPDL行业已经发现的克服微笑的效果。一个著名的解决方案被称为“硬钎焊”,其中包括使用一个AuSn合金界面材料和自力型散热器(图7(左)。²

硬钎焊看到半导体的CTE,散热器金属和焊接界面变得更近,导致一个更可靠的联合可以通过使用铟(图7中,中心)。这种方法导致微笑效应被最小化,不过是有代价的。

自力型显示显著减少热导率相比,铜低(约50%),以及更低程度的可加工性和更高的成本。

自力型因此只作为一个中间激光器和散热器之间的体积,这通常是由铜。这种方法增加了额外的激光二极管封装热阻跳跃,但这种方法的好处是限于少数的应用程序。

一个方法涉及铟和硬钎焊方法中脱颖而出。Monocrom夹紧™的好处已经被证明了超过二十年,这种方法依赖于极其简单的机械原理(图7中,右)的压力。

概念简单并不总是意味着简单的工程和Monocrom仍是唯一一家有能力把这种革命性的激光二极管的方法包装。

夹紧™技术主要依赖于一个优良的表面光洁度的铜散热器和建立与激光器直接热、电接触。这些因素就增强了机械力的应用。

焊接棒接触的p-side散热器(阳极)和线键是用来连接到n边(阴极)。两边夹紧酒吧是“夹”使用笨重的散热器函数作为阳极和阴极。

图7。比较最常见的焊接方法激光棒包装和夹紧^TM技术。图片来源:Monocrom

夹紧™的优点有很多:

• 冷过程:没有残余应力是由不同的CTE,也就是说,微笑是局限于表面平坦的散热器本身——通常μm超过1厘米²(图8)。
• 最小热阻跳跃:热量直接疏散到激光器的散热,所以只需要占铜之间的接触电阻和半导体材料。
• 热会消散的p - n边,为散热提供额外的路径。在连续波和高责任周期QCW操作,这允许使用水/乙二醇冷却通道加工电极。这也减少了需要微通道冷却效果渠道可以利用,导致减少腐蚀敏感性和确保最低限度的维护需求。
• 简单性和降低成本:不涉及接口材料,不需要焊接设备。app亚博体育应用机械力的不锈钢螺丝,完美的表面光洁度的铜散热器是一个关键因素。
• 优越的性能在脉冲模式:缺乏横向残余应力消除疲劳遭受联合和激光棒在连续开/关周期,最终提高设备的使用寿命。

图8。典型的个人概要文件排放强度(快轴准直+慢轴成像)在焊接激光器(左)和一个夹激光器(右)。图片来源:Monocrom

夹紧™可以被理解为一个聪明的解决具有挑战性的包装问题,一个Monocrom已经有效地实现为标准生产过程的一部分。

引用

1. CTEIn = 33μm·m¹·K¹;CTECu = 17μm·m¹·K¹;CTEGaAs = 5μm·m¹·K¹
2. CTEAu (80) Sn(20) = 16μm·m¹·K¹;CTECuW = 5 - 9μm·m¹·K¹

这些信息已经采购,审核并改编自Monocrom提供的材料。亚博网站下载

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