为了提高半导体激光器光束的均匀性, 设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜; 慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统, 在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真, 验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性, 得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度, 研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%, 能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统, 实现了对高功率半导体激光器在－60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征. 采用计算流体力学及数值传热学方法, 模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能. 模拟结果表明, 压降均为0.47 bar时, 采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃). 低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂, 最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量, 最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作. 基于该低温测试表征系统, 对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究. 测试结果表明, 载冷剂温度由0℃下降到－60℃, 半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W, 功率提升比为18.02%; 电光转换效率由60.99%提升到67.25%, 效率提升幅度为6.26%; 中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm. 器件开启电压增加0.04 V, 阈值电流降低3.93 A, 串联电阻增加0.18 mΩ, 外微分量子效率提高11.84%. 分析表明, 阈值电流的减小及外微分量子效率的提高, 是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素. 研究表明, 采用液体微通道冷却的低温工作方式, 是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

可靠性是高功率半导体激光器（HLD）的一个重要性能。热加速寿命试验是HLD寿命评价和可靠性分析的重要技术。在本文中, 我们在高温测试平台上对铟焊料封装的18个中心波长为808 nm的传导冷却型HLD单巴器件在恒定电流60 A条件下进行55, 65, 80 ℃ 3组热沉温度下的热加速寿命试验。根据器件输出功率在加速寿命测试期间的降低趋势, 得到该批HLD器件的寿命分别为1 022, 620, 298 h, 再根据Arrhenius公式得到该器件的激活能为0.565 41 eV, 从而外推得到器件在室温下的寿命为5 762 h。可见55 ℃下器件寿命加速了5倍, 而在65 ℃下寿命加速了8.5倍, 80 ℃下寿命加速17倍。此外, 我们还分析了器件热加速寿命试验后的性能。