半導(dǎo)體激光器列陣(LDA)作為當(dāng)前常用的大功率半導(dǎo)體激光器模塊的核心部件召噩，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與封裝質(zhì)量直接決定著大功率半導(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量和穩(wěn)定性母赵。大功率半導(dǎo)體激光器除了采用單列陣結(jié)構(gòu)之外，也會(huì)通過堆棧結(jié)構(gòu)或加裝光學(xué)透鏡等手段使多個(gè)列陣光束沿列陣快軸方向排列起來具滴，以此獲得更大的輸出功率和更易于整形的光斑凹嘲，但不管哪種應(yīng)用方式，LDA 的光束質(zhì)量都是影響大功率半導(dǎo)體激光器整體光束質(zhì)量的關(guān)鍵因素构韵。因此以 LDA作為大功率半導(dǎo)體激光器的光源基礎(chǔ)周蹭，想要獲得良好的光束質(zhì)量以及較大的輸出功率，就要保證封裝獲得的半導(dǎo)體激光器列陣都具有較好的光束質(zhì)量贞绳。半導(dǎo)體激光列陣的光束質(zhì)量除了受芯片自身結(jié)構(gòu)影響之外谷醉，封裝過程中所引入的“Smile”效應(yīng)是主要的影響因素。
半導(dǎo)體激光陣列中的“smile”效應(yīng)
1抖单，“smile”效應(yīng)
大功率半導(dǎo)體激光器列陣的“Smile”效應(yīng)是由封裝過程所引入萎攒，在列陣工作時(shí)所顯現(xiàn)出來的發(fā)光彎曲現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為列陣各個(gè)發(fā)光單元的光斑不在一條直線上矛绘。因?yàn)榇蠊β拾雽?dǎo)體激光器列陣為一維線陣結(jié)構(gòu)耍休，由十幾個(gè)至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光發(fā)光單元(Single emitter)在慢軸方向上橫向排列而成。半導(dǎo)體激光發(fā)光單元作為基本的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)货矮，其快軸方向尺寸約為 1μm羊精，光束輸出為基模高斯光束；慢軸方向尺寸為 50μm 至 200μm囚玫，輸出為厄米高斯光束喧锦。由于快慢軸的尺寸大小以及出光的不對(duì)稱性，使測(cè)試 LDA 的“Smile”效應(yīng)變得尤為復(fù)雜抓督，目前常用的測(cè)試方法有 ccd 成像測(cè)量法燃少，近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡測(cè)量法和干涉測(cè)量法。
圖1-1 用CCD探測(cè)到半導(dǎo)體激光器陣列的“smile”效應(yīng)
2铃在，“smile”效應(yīng)評(píng)價(jià)計(jì)算方法
通過測(cè)試獲得列陣近場(chǎng)光斑分布之后阵具，需要采用一定的算法確定列陣的“Smile”效應(yīng)大小及走勢(shì)碍遍，即“Smile”效應(yīng)評(píng)價(jià)計(jì)算方法。其中阳液，通過光斑強(qiáng)度質(zhì)心分布表示光斑位置對(duì)LDA的“Smile”效應(yīng)進(jìn)行描述是國(guó)內(nèi)外通用一種的描述方法怕敬。而“Smile”效應(yīng)值大小，作為現(xiàn)有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中重要的因素帘皿，目前的研究結(jié)論中有以下兩種計(jì)算方法澎羞。
第1種為標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算法蜀肘，如德國(guó)核能開發(fā)技術(shù)中心介紹LDA“Smile”效應(yīng)評(píng)價(jià)方法，其對(duì)“Smile”效應(yīng)值S的定義（如式2-1所示），圖中a顯示LDA的坐標(biāo)軸設(shè)置弹谁，b顯示“Smile”效應(yīng)的LDA前視圖。
圖2-1 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算法示意圖
通過公式2-1可以看出芝加，由此式定義的LDA“Smile”效應(yīng)是指每個(gè)發(fā)光單元到所有單元總中心位置距離的標(biāo)準(zhǔn)差备畦，可以看出S的取值范圍大于等于0。當(dāng)S等于0仁期，代表列陣沒有“Smile”效應(yīng)桑驱。公式中N代表列陣發(fā)光單元總數(shù)，q為每個(gè)單元的標(biāo)號(hào)（1,2,……N）跛蛋。以此方法評(píng)價(jià)“Smile”效應(yīng)可以在一定程度上描述每個(gè)單元針對(duì)總中心的離心度熬的。
第二種為Z值計(jì)算法，其計(jì)算方法以LDA中所有發(fā)光單元中心平均線為中心赊级，中心線之上Z大的偏差值Maxδqup與中心線之下Z大的偏差值Maxδqdown絕對(duì)值之和為L(zhǎng)DA“Smile”效應(yīng)值押框。如下圖所示。
圖2-2 Z值計(jì)算法示意圖
通過公式 2-2 可以看出理逊，由此式定義的 LDA“Smile”效應(yīng)是指以列陣總質(zhì)心位置為中心橡伞，所有發(fā)光單元在快軸方向上的Z大偏差值。在獲知 LDA 的“Smile”效應(yīng)分布之后晋被，此方法便于計(jì)算“Smile”效應(yīng)大小兑徘，是目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)常采用的“Smile”效應(yīng)計(jì)算方法。
3羡洛，如何降低“smile”效應(yīng)
“Smile”效應(yīng)的出現(xiàn)受很多因素影響挂脑，半導(dǎo)體激光列陣生產(chǎn)過程中引入的缺陷，熱沉材料的選擇以及表面平整度欲侮，焊料材料的選擇以及表面平整度崭闲，封裝及應(yīng)用過程中引入的應(yīng)力等都是造成“Smile”效應(yīng)的主要原因。就現(xiàn)有的封裝技術(shù)和 LDA 結(jié)構(gòu)而言锈麸，“Smile”效應(yīng)尚無(wú)法完全消除镀脂，目前常用的半導(dǎo)體芯片長(zhǎng)度通常為 10mm，寬度 1-2mm忘伞，較大的長(zhǎng)寬比使半導(dǎo)體激光列陣在封裝過程中很容易出現(xiàn)受力不均薄翅，一旦出現(xiàn)受力不均現(xiàn)象沙兰，必然引起 LDA 出現(xiàn)“Smile”效應(yīng)。
根據(jù)“Smile”效應(yīng)的成因翘魄，改進(jìn)封裝技術(shù)是降低“Smile”效應(yīng)的根本手段鼎天。除了保證良好的壓力控制，熱沉平整度及焊料純度之外暑竟，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明：采用80：20的金錫焊料進(jìn)行 LDA 封裝斋射；以及適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間，縮短熔融時(shí)間但荤，均可以獲得較低的“Smile”效應(yīng)罗岖。
針對(duì)封裝之后 LDA 已經(jīng)存在的 “Smile”效應(yīng)，為了使 LDA 得到更好的應(yīng)用「乖辏現(xiàn)有研究結(jié)果表明桑包，利用平凸柱面鏡在一定程度上可以矯正 LDA 的“Smile”效應(yīng)，其中對(duì)拋物線形狀的“Smile”效應(yīng)相對(duì)矯正量可到 90%纺非。
CCD 成像測(cè)量法是用 CCD 接收 LDA 在屏上的光斑哑了，并進(jìn)行分析計(jì)算的方法。目前利用此原理較為精確的測(cè)試方法為：首先通過安裝快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)烧颖，將 LDA 快軸方向光準(zhǔn)直弱左，再用一組柱面鏡將慢軸方向光壓縮，通過衰減片之后用 CCD 進(jìn)行接收炕淮。此方法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單拆火，測(cè)試成本低。
我司獨(dú)jia代理的德國(guó)Cinogy光束質(zhì)量分析儀測(cè)試精度高涂圆，操作步驟簡(jiǎn)單榜掌，能輸出光斑的模斑分布，尺寸大小以及位置關(guān)系乘综，適合用于半導(dǎo)體激光器陣列封裝過程中降低“smile”效應(yīng)的應(yīng)用。
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