激光前沿 | 高均匀性、高峰值功率808nm准连续波激光二极管阵列

【摘要】

808nm准连续波（QCW）激光二极管阵列（LDAs）在医学、科学研究、国防以及固态激光泵浦、印刷等领域具备广泛应用。因此，关于此类产品的设计及升级已成为当前关注的焦点。

借助紧凑的结构设计和每个巴条独立的光学整形，我们成功实现了高功率、高功率密度、较窄的光谱宽度、卓越的均匀性和一致的脉冲激光输出。整个产品系列，包括G-stack和C-stack，均可根据客户需求定制频率、巴条的数量和类型、输出功率、波长范围、整体尺寸和光束形貌。此类产品采用可靠的金锡封装，确保激光系统的稳定性和可靠性。在占空比为20%的工作条件下，这些产品仍能保持可靠运行。

本文主要采用三明治结构作为封装的基础元件。8个间距为1.7毫米的三明治结构垂直排列成一个单元，使用3个单元垂直排布，构成一个3×8的24巴阵列。在3%的占空条件下，通过巴条的选择，输出波长控制在808nm±1nm范围内，半高全宽（FWHM）小于3.5nm，峰值功率超过11 kW。此外，该设计具有出色的可靠性，累积可靠性测试数据超过7000小时，适应各种应用场景。在光学方面，可以通过光纤或者非球面镜对每个巴条的快轴进行准直，实现了95%的光束均匀性。

这种高功率、高均匀性巴条阵列产品在科学研究领域具有重要作用，均匀的激光输出在晶体吸收和泵浦效率方面具有显著优势。此外，此类设计在脱毛领域亦具有巨大潜力与优势，随着激光脱毛需求不断增加且广泛接受，其应用前景广阔。

1. 前言

高功率半导体激光器在诸多领域展现出广泛的应用前景。在工业领域，其卓越的性能得到了广泛认可；医学美学领域可以实现激光脱毛、嫩肤等治疗。此外，其在固态激光泵浦、激光退火、打印等场景中也发挥着关键作用。总之，高功率半导体激光器在各个领域中的应用极具价值，为各类场景提供了高效、可靠的解决方案。

近年来，激光二极管阵列凭借其广泛的波长范围和高转换效率，迅速在医疗美学市场占据一席之地，成为主流脱毛设备的光源。值得注意的是，可见光和1μm以上的激光器由于单点芯片功率低，巴条叠阵类产品在医疗市场也同时占据了主要地位。此外，因其高峰值功率、体积小、重量轻、发光均匀性可调控，光斑尺寸可定制，逐渐代替光纤输出类激光光源应用科学研究、军事安防等重要领域。

各种应用场景往往对半导体激光器提出小型化、轻量化的要求。为实现激光系统整体能耗、体积和重量的降低，最切实有效的技术途径包括提升电光转换效率、优化封装结构以及改进散热。本篇着重阐述了一种脉冲半导体激光器巴条叠阵产品，其具备高均匀性、功率、可靠性和结构紧凑的特点，充分满足应用需求。

2. 实验和设计

本文主要阐述了一种由24个巴条组成的高功率、高均匀性的叠阵产品。8个巴条为一个单元，封装成三明治结构（SBS）。SBS的设计理念是将一个巴条连接在两个铜钨散热器之间，形成一种三明治式的结构。值得注意的是，钨铜的热膨胀系数与砷化镓激光棒具有极高的匹配度，且具有较大的热导热系数。

八个SBS单元通过软焊锡合金固定在氮化铝陶瓷散热器上。1.7毫米的巴条间距构成了标准结构，三个小单元均匀间隔，形成一种垂直堆叠的结构。这种结构安装在宏观通道水冷底座上，有助于通过叠阵的背板进行散热。

对8个巴条小单元的测试显示，波长一致性在±1nm内，功率分布一致，证明了封装一致性良好。然后，用光纤作为快轴准直镜，实现中心能量均匀性95%，输出功率超过11000W。

本论文探讨的宏观通道产品可进行定制化，其间距可从0.4mm至1.7mm进行调整，实现产品微型化、紧凑尺寸及高输出功率，旨在满足各类应用场景。

3. 实验结果

考虑成本和尺寸等因素，光纤被用于快轴准直镜。为实现一定距离下光斑分布的均匀性需求，采用了离焦方案，模拟结果如图1所示。光纤在焦点和离焦状态下的准直效果。

(a) 准直 (b) 离焦

图1 快轴准直模拟结果

如图2所示，针对不同快轴角度进行模拟以实现光斑均匀。经分析，快轴半角为20°的时候，所产生的光斑均匀性符合规格要求。

(a) 快轴半角30°

(b) 快轴半角 25°

图2 不同快轴半角仿真结果

在本研究中，我们选取了腔长为1.5mm、快轴半角为20°、填充系数为75%的巴条。如图1所示，我们采用8巴结构封装了8根1.5mm的808nm巴条，巴条与巴条之间的间距为1.7mm。为了确保焊接质量和一致性，多个8巴堆栈单元（如图3所示）在400A、3%占空比和20℃的条件下进行了测试和老化。测试数据如图4所示，整体波长数据呈正态分布。在400A电流下，8巴单元的输出功率超过3800W，如图5所示。