808nm準(zhǔn)連續(xù)波(QCW)激光二極管陣列(LDAs)在醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究、國(guó)防以及固態(tài)激光泵浦、印刷等領(lǐng)域具備廣泛應(yīng)用。因此,關(guān)于此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及升級(jí)已成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。借助緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和每個(gè)巴條獨(dú)立的光學(xué)整形,我們成功實(shí)現(xiàn)了高功率、高功率密度、較窄的光譜寬度、卓越的均勻性和一致的脈沖激光輸出。整個(gè)產(chǎn)品系列,包括G-stack和C-stack,均可根據(jù)客戶需求定制頻率、巴條的數(shù)量和類型、輸出功率、波長(zhǎng)范圍、整體尺寸和光束形貌。此類產(chǎn)品采用可靠的金錫封裝,確保激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在占空比為20%的工作條件下,這些產(chǎn)品仍能保持可靠運(yùn)行。本文主要采用三明治結(jié)構(gòu)作為封裝的基礎(chǔ)元件。8個(gè)間距為1.7毫米的三明治結(jié)構(gòu)垂直排列成一個(gè)單元,使用3個(gè)單元垂直排布,構(gòu)成一個(gè)3×8的24巴陣列。在3%的占空條件下,通過巴條的選擇,輸出波長(zhǎng)控制在808nm±1nm范圍內(nèi),半高全寬(FWHM)小于3.5nm,峰值功率超過11 kW。此外,該設(shè)計(jì)具有出色的可靠性,累積可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)超過7000小時(shí),適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景。在光學(xué)方面,可以通過光纖或者非球面鏡對(duì)每個(gè)巴條的快軸進(jìn)行準(zhǔn)直,實(shí)現(xiàn)了95%的光束均勻性。這種高功率、高均勻性巴條陣列產(chǎn)品在科學(xué)研究領(lǐng)域具有重要作用,均勻的激光輸出在晶體吸收和泵浦效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外,此類設(shè)計(jì)在脫毛領(lǐng)域亦具有巨大潛力與優(yōu)勢(shì),隨著激光脫毛需求不斷增加且廣泛接受,其應(yīng)用前景廣闊。高功率半導(dǎo)體激光器在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在工業(yè)領(lǐng)域,其卓越的性能得到了廣泛認(rèn)可;醫(yī)學(xué)美學(xué)領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)激光脫毛、嫩膚等治療。此外,其在固態(tài)激光泵浦、激光退火、打印等場(chǎng)景中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。總之,高功率半導(dǎo)體激光器在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用極具價(jià)值,為各類場(chǎng)景提供了高效、可靠的解決方案。近年來,激光二極管陣列憑借其廣泛的波長(zhǎng)范圍和高轉(zhuǎn)換效率,迅速在醫(yī)療美學(xué)市場(chǎng)占據(jù)一席之地,成為主流脫毛設(shè)備的光源。值得注意的是,可見光和1μm以上的激光器由于單點(diǎn)芯片功率低,巴條疊陣類產(chǎn)品在醫(yī)療市場(chǎng)也同時(shí)占據(jù)了主要地位。此外,因其高峰值功率、體積小、重量輕、發(fā)光均勻性可調(diào)控,光斑尺寸可定制,逐漸代替光纖輸出類激光光源應(yīng)用科學(xué)研究、軍事安防等重要領(lǐng)域。各種應(yīng)用場(chǎng)景往往對(duì)半導(dǎo)體激光器提出小型化、輕量化的要求。為實(shí)現(xiàn)激光系統(tǒng)整體能耗、體積和重量的降低,最切實(shí)有效的技術(shù)途徑包括提升電光轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)散熱。本篇著重闡述了一種脈沖半導(dǎo)體激光器巴條疊陣產(chǎn)品,其具備高均勻性、功率、可靠性和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),充分滿足應(yīng)用需求。2. 實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)本文主要闡述了一種由24個(gè)巴條組成的高功率、高均勻性的疊陣產(chǎn)品。8個(gè)巴條為一個(gè)單元,封裝成三明治結(jié)構(gòu)(SBS)。SBS的設(shè)計(jì)理念是將一個(gè)巴條連接在兩個(gè)銅鎢散熱器之間,形成一種三明治式的結(jié)構(gòu)。值得注意的是,鎢銅的熱膨脹系數(shù)與砷化鎵激光棒具有極高的匹配度,且具有較大的熱導(dǎo)熱系數(shù)。八個(gè)SBS單元通過軟焊錫合金固定在氮化鋁陶瓷散熱器上。1.7毫米的巴條間距構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),三個(gè)小單元均勻間隔,形成一種垂直堆疊的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)安裝在宏觀通道水冷底座上,有助于通過疊陣的背板進(jìn)行散熱。對(duì)8個(gè)巴條小單元的測(cè)試顯示,波長(zhǎng)一致性在±1nm內(nèi),功率分布一致,證明了封裝一致性良好。然后,用光纖作為快軸準(zhǔn)直鏡,實(shí)現(xiàn)中心能量均勻性95%,輸出功率超過11000W。本論文探討的宏觀通道產(chǎn)品可進(jìn)行定制化,其間距可從0.4mm至1.7mm進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化、緊湊尺寸及高輸出功率,旨在滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景。考慮成本和尺寸等因素,光纖被用于快軸準(zhǔn)直鏡。為實(shí)現(xiàn)一定距離下光斑分布的均勻性需求,采用了離焦方案,模擬結(jié)果如圖1所示。光纖在焦點(diǎn)和離焦?fàn)顟B(tài)下的準(zhǔn)直效果。如圖2所示,針對(duì)不同快軸角度進(jìn)行模擬以實(shí)現(xiàn)光斑均勻。經(jīng)分析,快軸半角為20°的時(shí)候,所產(chǎn)生的光斑均勻性符合規(guī)格要求。在本研究中,我們選取了腔長(zhǎng)為1.5mm、快軸半角為20°、填充系數(shù)為75%的巴條。如圖1所示,我們采用8巴結(jié)構(gòu)封裝了8根1.5mm的808nm巴條,巴條與巴條之間的間距為1.7mm。為了確保焊接質(zhì)量和一致性,多個(gè)8巴堆棧單元(如圖3所示)在400A、3%占空比和20℃的條件下進(jìn)行了測(cè)試和老化。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示,整體波長(zhǎng)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。在400A電流下,8巴單元的輸出功率超過3800W,如圖5所示。此外,8巴單位在60攝氏度的加速老化100小時(shí)后,表現(xiàn)正常,如圖6所示。根據(jù)上述數(shù)據(jù),將三個(gè)8巴單元封裝于一個(gè)宏觀通道底座上,進(jìn)行整體性能測(cè)試,輸出功率達(dá)到11592W,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7 24巴產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果利用光纖進(jìn)行快速軸離焦準(zhǔn)直(參見圖8中的產(chǎn)品圖像),整個(gè)過程的損耗低于2%,輸出功率達(dá)到11360W以上(如圖9所示)。光斑均勻度達(dá)到95%(如圖10所示)。圖9 快軸整形后24巴產(chǎn)品PIV測(cè)試曲線上述產(chǎn)品進(jìn)行了超過7000小時(shí)的長(zhǎng)期老化,表現(xiàn)正常,如圖11所示。伴隨著科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)以及工業(yè)加工領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,大功率激光巴條疊陣的需求正逐步升級(jí)并呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì),如脫毛、退火以及固態(tài)側(cè)泵等。通過調(diào)整定制參數(shù),如功率、斑點(diǎn)均勻性、波長(zhǎng)以及譜寬等,以滿足各類應(yīng)用需求。本文所闡述的產(chǎn)品,具備輸出峰值功率超過11KW、波長(zhǎng)精度控制在±0.5nm以內(nèi)、均勻性達(dá)到95%的優(yōu)異性能。該產(chǎn)品經(jīng)過超7000小時(shí)的連續(xù)壽命測(cè)試,展現(xiàn)出穩(wěn)定的性能,可以滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外,通過模塊化組合設(shè)計(jì),該產(chǎn)品還能實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率,從而適應(yīng)各種類型的應(yīng)用場(chǎng)景。