武漢普賽斯：60A CW /600A QCW大功率激光器老化測(cè)試系統(tǒng)解決方案

  ICC訊 大功率半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器泵浦激光器在材料加工、激光打標(biāo)、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、激光顯 示、激光照明、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域，以及激光制導(dǎo)、激光夜視、激光武器等軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何實(shí)現(xiàn)大功率 半導(dǎo)體激光器的可靠性及老化測(cè)試評(píng)價(jià)，包括對(duì)測(cè)試系統(tǒng)泵浦源的研究，一直以來(lái)都是學(xué)科熱點(diǎn)和國(guó)際制造研究的重要方向之一。

  為解決行業(yè)的痛難點(diǎn)問(wèn)題，武漢普賽斯全新研發(fā)推出了千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器在線測(cè)試與老化系統(tǒng)，以及兼容CW及QCW的老化電源。產(chǎn)品可對(duì)每支老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)熱沉溫度、冷卻循環(huán)水的流量、水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有功能完備、可靠性高、性?xún)r(jià)比優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)，可供大功率激光器的研制和應(yīng)用單位推廣使用。

  激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔組成。激光器可以根據(jù)泵浦方式分為電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦、 氣動(dòng)泵浦四大類(lèi)，也可以根據(jù)增益介質(zhì)分為液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器等。半導(dǎo)體激光器既可以單獨(dú)做為激光器使用，又同時(shí)可作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。使用半導(dǎo)體激光器做固體激光器泵浦源可以同時(shí)兼容固體激光器及半導(dǎo)體激光器的雙重優(yōu)點(diǎn)：高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高可靠性、壽命長(zhǎng)、體積小，目前半導(dǎo)體激光器已逐步取代傳統(tǒng)的氪燈或氙燈，成為固體激光器的主要泵浦源，廣泛應(yīng)用于材料加工、 醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域。

  激光器工作時(shí)，由泵浦源向增益介質(zhì)注入能量進(jìn)行激勵(lì)，增益介質(zhì)的電子受到能量激勵(lì)后發(fā)生能級(jí)躍遷，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)相較于基態(tài)是非穩(wěn)定狀態(tài)，電子會(huì)自發(fā)地回歸到基態(tài)，并放出光子。無(wú)數(shù)光子在諧振腔兩個(gè)斷面循環(huán)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷疊加，最終輸出方向、頻率高度一致、高能量的激光束。

  大功率半導(dǎo)體激光器主要分為單管與bar條兩種結(jié)構(gòu)，單管結(jié)構(gòu)多采用寬條大光腔的設(shè)計(jì)，并增加了增益區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)高功率輸出，減少腔面災(zāi)變損傷;bar條結(jié)構(gòu)為多個(gè)單管激光器的并聯(lián)線陣，多個(gè)激光器同時(shí)工作，再經(jīng)過(guò)合束等手段實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。

  半導(dǎo)體激光器的典型封裝

  封裝對(duì)半導(dǎo)體激光器的作用：一是建立電流環(huán)路, 使芯片能受到電流的刺激而產(chǎn)生光(受激輻射光放大);二是散熱，解決芯片發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量;三是對(duì)芯片及電路起到保護(hù)的作用。按功用來(lái)分，半導(dǎo)體激光器的封裝類(lèi)型有兩種,一是保護(hù)殼封裝,二是芯片封裝。芯片封裝主要有F - Mount型封裝 、 C-Mount型封裝等

  半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試的重要性與現(xiàn)狀

  激光器芯片的測(cè)試比較復(fù)雜，牽涉到光、電的測(cè)量，也要考慮封裝形式的區(qū)別。與同等功率水平的傳統(tǒng)固體激光器或氣體激光器相比，大功率激光器在光束質(zhì)量、工作效率、結(jié)構(gòu)體積、壽命和系統(tǒng)維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì) 。但與此同時(shí)，由于單顆芯片出光功率大，單位面積產(chǎn)生的熱量大，如果不做好散熱技術(shù)，將直接影響半導(dǎo)體激光器輸出功率、閾值電流密度、電光轉(zhuǎn)化效率、微分量子效率、偏振度等性能，并導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器壽命和可靠性的下降，甚至?xí)p毀芯片，最終影響器件可靠性。因此，在交付使用之前將激光器芯片置于高的溫度和電流等極端操作條件下進(jìn)行壽命和可靠性實(shí)驗(yàn)，淘汰早期失效器件并檢測(cè)出失效因素，在激光產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中起著非常重要的作用。

  目前，大功率激光器芯片在大電流工作連續(xù)輸出 時(shí)普遍面臨著各種難點(diǎn)：

  1、激光器芯片的測(cè)量一般都要看LIV數(shù)據(jù)，光電參數(shù)受熱的影響比較大，隨著溫度的升高，芯片的閾值電流增加;

  2、激光器芯片直流、寬脈沖下的測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn);

  3、大功率激光器抗浪涌沖擊能力差，要求脈沖電流無(wú)過(guò)沖，浪涌沖擊小;

  4、電源的波動(dòng)會(huì)影響激光器的壽命，同時(shí)會(huì)造成光功率不穩(wěn)定及器件發(fā)熱不穩(wěn)定等。

  創(chuàng)新技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)化極優(yōu)性?xún)r(jià)比

  激光器老化測(cè)試系統(tǒng)解決方案

  基于率先國(guó)產(chǎn)化數(shù)字源表(SMU)的技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)力，以及多年來(lái)產(chǎn)品覆蓋國(guó)際通信及半導(dǎo)體頭部用戶(hù)的認(rèn)可和應(yīng)用研究，武漢普賽斯針對(duì)千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器芯片需要使用窄脈沖大電流測(cè)試和老化、芯片發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)推出一套通用性好、大功率、循環(huán)水冷的老化測(cè)試系統(tǒng)。產(chǎn)品具有大電流窄脈沖恒流特性好、電流穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，并具有防過(guò)沖、防反沖、反浪涌的穩(wěn)壓及恒流的雙重保護(hù)電路等功能，為泵浦激光器的老化測(cè)試提供了一個(gè)完整的解決方案。實(shí)現(xiàn)多單元、高效率、自動(dòng)監(jiān)控并記錄上傳測(cè)試數(shù)據(jù)的一體化測(cè)試系統(tǒng)。

  靈活可拓展

  系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)實(shí)力

  激光器老化系統(tǒng)具有大批量激光器芯片測(cè)試的能力。器件裝載使用抽屜式結(jié)構(gòu)，設(shè)備可以靈活擴(kuò)展最高至4層結(jié)構(gòu)，每層設(shè)計(jì)若干路，每路支持1-16只激光器芯片的串聯(lián)老化。系統(tǒng)包括高溫環(huán)境控制裝置、直流或脈沖驅(qū)動(dòng)電源、收光裝置、光纖、光譜儀(選配)、循環(huán)水冷系統(tǒng)、定制夾具、溫度采集器及上位機(jī)等。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)采集半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流、激光器電壓、激光器光功率、環(huán)境溫度。經(jīng)過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以直接輸出數(shù)據(jù)采集表，提高半導(dǎo)體激光器老化及測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化程度，提高工作效率，減少人為干預(yù)。

  兼容CW及QCW模式

  脈沖恒流源的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

  半導(dǎo)體激光器中，泵浦源驅(qū)動(dòng)電路占據(jù)較大部分，對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電源的電流要求相當(dāng)高，要避免它承受超出范圍的正向電流，否則可能導(dǎo)致激光器芯片失效。這就要求恒流驅(qū)動(dòng)方式而且必須低噪聲，另外恒流電路的設(shè)計(jì)紋波也需要相對(duì)偏小。驅(qū)動(dòng)電源滿(mǎn)足二極管LD安全運(yùn)行要求，避免激光器的核心PN結(jié)承受過(guò)大的反向電壓與擊穿損壞情況的出現(xiàn);同時(shí)確保與二極管LD實(shí)現(xiàn)分流，合理規(guī)避反向浪涌所產(chǎn)生電流直接擊穿激光器，消除浪涌沖擊。

  經(jīng)過(guò)多年對(duì)數(shù)字源表的系統(tǒng)研究與產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的良好基礎(chǔ)，普賽斯泵浦激光器老化測(cè)試系統(tǒng)采用全新開(kāi)發(fā)、自主設(shè)計(jì)的大電流脈沖恒流源，可以完美兼容CW模式以及QCW模式，支持直流恒流、直流掃描、脈沖直流、脈沖掃描等四種模式。驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)RS485接口控制，上位機(jī)設(shè)定輸出電流，并可讀出實(shí)際輸出值; 另外還可以一主多從的方式多臺(tái)串并聯(lián)，上位機(jī)只需控制主機(jī)，從機(jī)即可實(shí)現(xiàn)同步輸出。支持線性?huà)呙?、?duì)數(shù)掃描及自定義掃描。

  針對(duì)大功率激光器芯片的老化與測(cè)試，普賽斯大電流脈沖恒流源工作在QCW模式下，目前可以提供高達(dá)600A的脈沖大電流，輸出電壓可高達(dá)100V，解決了傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源方式很難在脈沖邊沿時(shí)間及脈沖紋波電流方面取得很好性能的問(wèn)題，同時(shí)有效避免了芯片因瞬間電流大、自發(fā)熱帶來(lái)的器件損壞問(wèn)題。

  針對(duì)大功率激光器泵浦源的老化與測(cè)試，可以在CW模式下輸出高至60A的電流驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電流精度、回讀電流均可實(shí)現(xiàn)0.1%的精度，電流紋波小。多只器件串聯(lián)老化時(shí)，所有器件的工作電流一致，電壓自適應(yīng)而互不干擾，即使發(fā)生某支器件短路情形，其余器件仍可正常繼續(xù)老化;如果發(fā)生斷路情況，則電流為0，老化終止，但不會(huì)損壞其余器件。

  收光裝置創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  采樣大功率脈沖光信號(hào)

  傳統(tǒng)的激光光功率測(cè)試采用熱電堆，但是該傳感器響應(yīng)速度慢，無(wú)法完成單個(gè)脈沖光功率測(cè)量。使用積分球+PD的方式可以解決高速光功率測(cè)試的問(wèn)題。積分球多由金屬材料制成，內(nèi)壁涂白色高漫反射層(通常是氧化鎂或硫酸鋇)，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫反射均勻。水冷積分球是大功率激光器測(cè)試收光的最佳選擇，但是其成本非常高，而老化時(shí)需要使用的數(shù)量又多?；诖?，普賽斯采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的腔體收光裝置，類(lèi)似積分球原理漫反射衰減光功率，通過(guò)PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換測(cè)量，可以有效避免激光直射擊穿收光裝置，同時(shí)保護(hù)PD。

  精確、高效、可調(diào)

  加熱及水冷散熱的溫控設(shè)計(jì)

  普賽斯采用水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)流體對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)的方式來(lái)進(jìn)行散熱。冷板采用導(dǎo)熱率較高的銅和鋁材料制備,發(fā)熱的電子器件緊貼在冷板表面,通過(guò)器件外殼、冷板表面、水這三部分形成良好的導(dǎo)熱路徑,最終將熱量傳遞給流動(dòng)的循環(huán)水達(dá)到散熱的目的。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)進(jìn)行水流量的監(jiān)控和報(bào)警提醒，確保激光器具有良好的熱流通道，實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)以上高功率的連續(xù)輸出。

  同時(shí)，大功率激光器老化測(cè)試系統(tǒng)還可滿(mǎn)足25～125 ℃的環(huán)境溫度的加熱與保持;選用耐高溫的印刷電路板作為治具的本體，配備大散熱面積的鋁合金熱沉，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器在老化及測(cè)試中處于熱平衡狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)的電氣連接。

  上位機(jī)測(cè)試軟件

  為了滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求，普賽斯大功率激光器老化測(cè)試系統(tǒng)配有專(zhuān)用上位機(jī)軟件。在軟件中可直接設(shè)置多項(xiàng)測(cè)試參數(shù)，測(cè)試完成后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，以方便客戶(hù)實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，提高測(cè)試效率。

  武漢普賽斯為大功率半導(dǎo)體激光器的老化測(cè)試提供了一個(gè)完整的解決方案。欲了解更多系統(tǒng)方案詳情，請(qǐng)登錄武漢普賽斯儀表有限公司(www.whpssins.com)或關(guān)注普賽斯儀表官網(wǎng)微信公眾號(hào)(whpssins_com)。