武汉普赛斯推出千瓦级半导体激光器在线测试与老化系统

1/06/2023，光纤在线讯，大功率半导体激光器及大功率半导体激光器泵浦激光器在材料加工、激光打标、激光测距、激光存储、激光显 示、激光照明、激光医疗等民用领域，以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用。如何实现大功率 半导体激光器的可靠性及老化测试评价，包括对测试系统泵浦源的研究，一直以来都是学科热点和国际制造研究的重要方向之一。

为解决行业的痛难点问题，武汉普赛斯全新研发推出了千瓦级半导体激光器在线测试与老化系统，以及兼容CW及QCW的老化电源。产品可对每支老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行实时采集，并对热沉温度、冷却循环水的流量、水温进行实时监测，具有功能完备、可靠性高、性价比优的优点，可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。



激光器主要由泵浦源、增益介质、谐振腔组成。激光器可以根据泵浦方式分为电泵浦、化学泵浦、光泵浦、 气动泵浦四大类，也可以根据增益介质分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。半导体激光器既可以单独做为激光器使用，又同时可作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。使用半导体激光器做固体激光器泵浦源可以同时兼容固体激光器及半导体激光器的双重优点：高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小，目前半导体激光器已逐步取代传统的氪灯或氙灯，成为固体激光器的主要泵浦源，广泛应用于材料加工、 医疗和科学研究领域。

激光器工作时，由泵浦源向增益介质注入能量进行激励，增益介质的电子受到能量激励后发生能级跃迁，由基态跃迁至激发态，由于激发态相较于基态是非稳定状态，电子会自发地回归到基态，并放出光子。无数光子在谐振腔两个断面循环，往复运动，不断叠加，最终输出方向、频率高度一致、高能量的激光束。



大功率半导体激光器主要分为单管与bar条两种结构，单管结构多采用宽条大光腔的设计，并增加了增益区域，以实现高功率输出，减少腔面灾变损伤;bar条结构为多个单管激光器的并联线阵，多个激光器同时工作，再经过合束等手段实现高功率激光输出。

 半导体激光器的典型封装
封装对半导体激光器的作用：一是建立电流环路, 使芯片能受到电流的刺激而产生光(受激辐射光放大);二是散热，解决芯片发光时产生的热量;三是对芯片及电路起到保护的作用。按功用来分，半导体激光器的封装类型有两种,一是保护壳封装,二是芯片封装。芯片封装主要有F - Mount型封装 、 C-Mount型封装等。



 半导体激光器芯片测试的重要性与现状
激光器芯片的测试比较复杂，牵涉到光、电的测量，也要考虑封装形式的区别。与同等功率水平的传统固体激光器或气体激光器相比，大功率激光器在光束质量、工作效率、结构体积、寿命和系统维护等方面具有明显的优势 。但与此同时，由于单颗芯片出光功率大，单位面积产生的热量大，如果不做好散热技术，将直接影响半导体激光器输出功率、阈值电流密度、电光转化效率、微分量子效率、偏振度等性能，并导致半导体激光器寿命和可靠性的下降，甚至会损毁芯片，最终影响器件可靠性。因此，在交付使用之前将激光器芯片置于高的温度和电流等极端操作条件下进行寿命和可靠性实验，淘汰早期失效器件并检测出失效因素，在激光产业链发展中起着非常重要的作用。

目前，大功率激光器芯片在大电流工作连续输出 时普遍面临着各种难点：
1、激光器芯片的测量一般都要看LIV数据，光电参数受热的影响比较大，随着温度的升高，芯片的阈值电流增加;
2、激光器芯片直流、宽脉冲下的测试结果不准;
3、大功率激光器抗浪涌冲击能力差，要求脉冲电流无过冲，浪涌冲击小;
4、电源的波动会影响激光器的寿命，同时会造成光功率不稳定及器件发热不稳定等。

 创新技术突破，国产化极优性价比
激光器老化测试系统解决方案
基于率先国产化数字源表(SMU)的技术开发实力，以及多年来产品覆盖国际通信及半导体头部用户的认可和应用研究，武汉普赛斯针对千瓦级大功率半导体激光器芯片需要使用窄脉冲大电流测试和老化、芯片发热严重等问题，创新开发推出一套通用性好、大功率、循环水冷的老化测试系统。产品具有大电流窄脉冲恒流特性好、电流稳定、抗干扰能力强，并具有防过冲、防反冲、反浪涌的稳压及恒流的双重保护电路等功能，为泵浦激光器的老化测试提供了一个完整的解决方案。实现多单元、高效率、自动监控并记录上传测试数据的一体化测试系统。

灵活可拓展
 系统集成开发的设计实力
激光器老化系统具有大批量激光器芯片测试的能力。器件装载使用抽屉式结构，设备可以灵活扩展最高至4层结构，每层设计若干路，每路支持1-16只激光器芯片的串联老化。系统包括高温环境控制装置、直流或脉冲驱动电源、收光装置、光纤、光谱仪(选配)、循环水冷系统、定制夹具、温度采集器及上位机等。实现上位机程序进行自动测试，自动采集半导体激光器驱动电流、激光器电压、激光器光功率、环境温度。经过上位机数据处理系统可以直接输出数据采集表，提高半导体激光器老化及测试系统自动化程度，提高工作效率，减少人为干预。



兼容CW及QCW模式
 脉冲恒流源的创新设计
半导体激光器中，泵浦源驱动电路占据较大部分，对泵浦源驱动电源的电流要求相当高，要避免它承受超出范围的正向电流，否则可能导致激光器芯片失效。这就要求恒流驱动方式而且必须低噪声，另外恒流电路的设计纹波也需要相对偏小。驱动电源满足二极管LD安全运行要求，避免激光器的核心PN结承受过大的反向电压与击穿损坏情况的出现;同时确保与二极管LD实现分流，合理规避反向浪涌所产生电流直接击穿激光器，消除浪涌冲击。

经过多年对数字源表的系统研究与产品产业化的良好基础，普赛斯泵浦激光器老化测试系统采用全新开发、自主设计的大电流脉冲恒流源，可以完美兼容CW模式以及QCW模式，支持直流恒流、直流扫描、脉冲直流、脉冲扫描等四种模式。驱动电源通过RS485接口控制，上位机设定输出电流，并可读出实际输出值; 另外还可以一主多从的方式多台串并联，上位机只需控制主机，从机即可实现同步输出。支持线性扫描、对数扫描及自定义扫描。



针对大功率激光器芯片的老化与测试，普赛斯大电流脉冲恒流源工作在QCW模式下，目前可以提供高达600A的脉冲大电流，输出电压可高达100V，解决了传统的开关电源方式很难在脉冲边沿时间及脉冲纹波电流方面取得很好性能的问题，同时有效避免了芯片因瞬间电流大、自发热带来的器件损坏问题。

针对大功率激光器泵浦源的老化与测试，可以在CW模式下输出高至60A的电流驱动。驱动电流精度、回读电流均可实现0.1%的精度，电流纹波小。多只器件串联老化时，所有器件的工作电流一致，电压自适应而互不干扰，即使发生某支器件短路情形，其余器件仍可正常继续老化;如果发生断路情况，则电流为0，老化终止，但不会损坏其余器件。

 收光装置创新结构设计
采样大功率脉冲光信号
传统的激光光功率测试采用热电堆，但是该传感器响应速度慢，无法完成单个脉冲光功率测量。使用积分球+PD的方式可以解决高速光功率测试的问题。积分球多由金属材料制成，内壁涂白色高漫反射层(通常是氧化镁或硫酸钡)，且球内壁各点漫反射均匀。水冷积分球是大功率激光器测试收光的最佳选择，但是其成本非常高，而老化时需要使用的数量又多。基于此，普赛斯采用创新结构的腔体收光装置，类似积分球原理漫反射衰减光功率，通过PD进行光电转换测量，可以有效避免激光直射击穿收光装置，同时保护PD。



精确、高效、可调
 加热及水冷散热的温控设计
普赛斯采用水冷循环系统，通过流体对流换热和热传导的方式来进行散热。冷板采用导热率较高的铜和铝材料制备,发热的电子器件紧贴在冷板表面,通过器件外壳、冷板表面、水这三部分形成良好的导热路径,最终将热量传递给流动的循环水达到散热的目的。系统可实时进行水流量的监控和报警提醒，确保激光器具有良好的热流通道，实现千瓦级以上高功率的连续输出。



同时，大功率激光器老化测试系统还可满足25～125 ℃的环境温度的加热与保持;选用耐高温的印刷电路板作为治具的本体，配备大散热面积的铝合金热沉，实现半导体激光器在老化及测试中处于热平衡状态，同时实现与半导体激光器驱动的电气连接。

上位机测试软件
为了满足用户的使用需求，普赛斯大功率激光器老化测试系统配有专用上位机软件。在软件中可直接设置多项测试参数，测试完成后软件会自动计算出相关参数，以方便客户实现快速测试，提高测试效率。



武汉普赛斯为大功率半导体激光器的老化测试提供了一个完整的解决方案。欲了解更多系统方案详情，请登录武汉普赛斯仪表有限公司(www.whpssins.com)或关注普赛斯仪表官网微信公众号(whpssins_com)。