采用808 nm大功率半导体激光器巴条进行了封装实验,对影响封装质量的两个重要因素,即管炉温度和烧结时间进行了优化。结果表明,在管炉温度为650 ℃、烧结时间为100 s时,焊料层界面空洞最少,半导体激光器巴条的smile效应值最低,阈值电流最小,波长更加稳定,烧结质量最优。

为了提高半导体激光器的封装质量和效率, 引入管式炉利用夹具进行批量封装。由于封装质量的好坏直接影响半导体激光器的输出特性和使用寿命, 利用MOCVD生长808 nm芯片, 重点分析了管式炉温度和封装时间对半导体激光器巴条双面金锡封装质量的影响。利用X射线检测、结电压、光电特性参数和smile效应测试手段, 确定了管式炉封装半导体激光器巴条的最优封装条件, 为以后的产业化提供了指导意义。

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上，从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化，我们在传统CS热沉的基础上，引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构，对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下，一方面，当仅有GCF材料，并且其长度为8 mm时，温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃；另一方面，在合理的温升范围内，当GCF的长度为8 mm时，结合增加热沉热阻的孔状结构时，温差进一步降低到3.18 ℃。

采用外建激光谐振腔, 在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量, 从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜, 使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器, 降低该发光点的激光阈值, 从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光, 在平行于p-n结的方向移动柱面镜, 可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量, 从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响, 对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题, 本文在研究smile效应产生机理的基础上, 提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808 nm水平阵列封装半导体激光器为例, 采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明, 采用传统封装技术, 在恢复至室温22 ℃后, 芯片smile值约为39.36 μm, 采用封装前升高芯片温度至429 ℃的错温封装技术, 可以将smile值降至1.9 μm; 若采用热沉预应力技术, 对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N 的拉力, 可以将smile值降至0.35 μm。结果表明, 这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点, 其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中, 由于DLA存在子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用, 将导致合成光束的光束质量降低。 综合考虑DLA子单元光束发散角、 “smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响, 建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型, 进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。 结果表明, DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量: DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大, 合成光束的光束质量就越差; “smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响, 而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。 在实际工作应用中, 需要采取措施提高DLA光源质量, 以减小对合成光束的光束质量影响。

为克服传统光学方法测量半导体激光阵列(LDA)Smile效应时存在的光学系统搭建精度要求高、测试人员素质要求高、后期数据处理繁杂测量时间长等缺点，通过用机械接触式台阶仪的探针扫描焊接后LDA芯片N面的方式，快速测量LDA的Smile效应，并将之与传统光学方法测量的Smile效应进行对比。结果表明，两者形态完全一致，差别小于1 μm。用台阶仪测量LDA Smile效应耗时小于1 min。此方法能为芯片焊接工艺优化Smile效应提供快速反馈，可方便集成在大批量生产流水线中对LDA的Smile效应进行实时监测。

Smile效应是限制二极管激光器阵列应用的一个重要因素。研究了激光器封装工艺对smile效应的影响,研究结果表明,造成smile效应的因素主要有两个：一是焊接过程中芯片的焊接压力不均匀；二是芯片与热沉的热膨胀系数不匹配。使用低膨胀系数的压条可以改善焊接过程中芯片压力的均匀性,而增大焊料凝固过程中的降温速率可以降低芯片与热沉的收缩量的差距,这两种方法都有利于改善smile效应。最后通过实验结果证明了以上方法在实际操作中是可行有效的。

针对3种典型“Smile”形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题, 开展“Smile”条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的“Smile”值, 采用Zemax非序列模式, 模拟“Smile”下LDA的快轴准直。结果表明, LDA的“Smile”大小及形态分布影响准直镜装调位置, 透镜光轴需要与LDA匹配, 否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路, 为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。