为了在热仿真时得到可靠的有源层温度分布，采用基于芯片封装结构原型的808 nm高功率半导体激光器单管有限元模型，引入条型区、热沉覆铜层和键合引线等影响因素，研究了高功率半导体激光器单管稳态工作时有源层的热分布特性。在简易模型的基础上分别单独引入并计算了条型区、热沉覆铜层和键合引线对器件有源层平均温度的影响，将这些影响因素同时引入得到了本文新模型，并使用该模型和简易长方体堆叠模型仿真了半导体激光器单管稳态工作下的温度分布，得到有源层的平均温度分别为42.089 ℃和46.405 ℃，使用实验数据计算得到器件有源层的平均温度为41.708 ℃，简易模型的仿真结果误差为11.26％，本文模型的仿真结果误差为0.91％。对同一封装结构参数、不同转化效率和波长的多个高功率半导体激光器单管进行了热特性计算，进一步验证本文模型仿真结果的准确性。

由于高功率半导体激光器具有能量转换效率高、稳定性好、工作寿命长、体积小等优异的特性, 已经被广泛地用于固态激光器泵浦源、金属表面改性、焊接加工等领域。本文针对传统慢轴准直镜对于高填充因子的半导体激光阵列准直效果不好的问题, 提出了基于双焦距透镜的准直器件, 通过在一个面的相互正交的两个方向上分别设计不同的面型参数实现用一个器件同时对半导体激光器快慢轴两个方向同时准直的效果。应用费马原理推导了该透镜的面型参数, 得到两个面均为双曲面, 快轴方向的顶点曲率半径为0.074 95, 圆锥系数为-3.061, 慢轴方向的顶点曲率半径0.843, 圆锥系数为-3.061。最终得到的经过双焦距准直透镜准直之后的残余发散角分别为34.4 mrad (FWHM)和19 mrad (FWHM)。仿真结果表明这种设计可以实现与之前分离式两轴准直镜几乎相同的准直效果, 解决了传统FAC与SAC结构对高填充因子激光阵列参数受空间限制的问题, 同时减小了装调误差。

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。

高功率半导体激光器具有效率高、寿命长、体积小,及成本低等优点,在****、材料加工和抽运源等领域具有广泛应用。阐述了镓砷/GaAs基近红外波段激光器和镓氮/GaN基蓝绿光波段激光器的缺陷类型、发射特征,以及相关研究进展,通过聚焦商用器件,利用变条件分波段发射谱及其热像,展示了与缺陷相关的发射信号来源和空间分布,分析了内部光学损伤(COD)动力学,指出了现有“外COD”模型在解释器件热退化机理上的局限性。

随着高功率半导体激光器(HPLD)在极端环境中的应用越来越广泛, 互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法(FEM)对传导冷却(CS)高功率半导体激光器巴条互连界面在-55～125 ℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论, 对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性, 发现互连界面边缘的应力最大, 达到0.042 5 GPa; 相应的边缘位置的寿命最短, 只有3 006个周期, 即边缘位置为互连界面的“最危险单元”。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命, 计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环, 表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命, 更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变，并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明，在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源，而在工作过程中，热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上，将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上，对工作状态器件的热应力和smile进行模拟，以获得更精确的模拟结果.最后，通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对 smile 的影响.结果表明，工作过程会导致器件的smile增大，热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.

随着半导体激光自身输出功率和转换效率的提升, 半导体激光已经广泛的应用于激光加工领域。本文针对目前激光加工领域对半导体激光硬化光源的需求, 研制了波长为976 nm的连续输出半导体激光硬化光源。该光源采用空间/偏振合束工艺达到了较高的合束效率, 采用柱面微透镜阵列分割与聚焦镜复合较好地匀化了巴条激光器慢轴方向固有的光强起伏, 使聚焦光斑的光强呈平顶分布。最后对该光源进行了实验装调和测试。结果表明, 在工作电流为93 A时, 光源的最大输出功率为5 120W, 电光转换效率达47%, 光斑尺寸为2 mm×16 mm, 光斑分布为平顶分布, 平整度大于90%, 满足工业中对大面积、高效率激光硬化的要求。

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。

为了提高980 nm半导体激光器的出光功率，在外延结构中加入了扩展波导，并优化了激光器的垒层厚度和波导层组分，将光场以有源区为中心的对称分布转化为以扩展波导和有源区同为中心的对称分布，降低了有源区限制因子，提高了输出功率，同时增加了出光面积，降低了器件腔面的光功率密度，避免器件出现光学灾变损伤。