阵列式大功率半导体激光器高温工作退化行为及机理研究

Aiming at the requirements for reliable operation of high-power semiconductor lasers at high temperature, this project takes the high power semiconductor laser array device as the object and plans to perform the following research works. Based on the analysis of thermal crosstalk and current competition between the emitters of high-power semiconductor laser array, study the dynamical temporal behaviors of critical parameters, such as output power, spectra, threshold current for each emitter of high power semiconductor laser array. Study the effects of intermetallic compounds (IMC), and voids in the solder layer on the degradation behavior of high-power semiconductor laser, e.g., output power attenuation, spectrum broadening, threshold current increase, etc. Create the degradation model of electro-optical-thermal-mechanical model of high-power semiconductor laser operated at high temperature. This research will provide beneficial theoretical guidance for the improvement of performances and reliability of high power diode lasers operated at high temperature. The results of the project will be widely applied in the fields of laser ranging, laser weapon, LIDAR, laser guidance, free space optical communication, etc.

针对大功率半导体激光器迫切需要实现高温环境可靠工作的需求，本项目提出以阵列式大功率半导体激光器件为研究对象，通过分析大功率半导体激光器阵列各发光单元之间热串扰行为及电流竞争效应，研究在高温工作条件下，构成阵列的各发光单元的输出功率、光谱、阈值电流等关键参数的时间演化行为，理解高温工作条件下界面金属间化合物生长、贴片层空洞扩展等因素对大功率半导体激光器功率衰减、光谱展宽、阈值电流增加等退化行为的影响机制，建立大功率半导体激光器阵列高温工作性能退化行为的电-光-热-材料关联模型，为适用于高温工作的阵列式大功率半导体激光器研制提供理论指导。项目成果在激光测距、激光武器、激光雷达、激光制导、空间光通信、深空探测等领域具有广泛的应用前景。

针对高功率半导体激光器阵列可靠性方面存在的问题，深入研究了封装界面层、温度及热应力对高功率半导体激光器阵列的功率、光谱、“smile”退化行为的影响。.1) 对传导冷却高功率半导体激光器巴条互连界面在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0.0425GPa; 相应的边缘位置的寿命最短，只有3006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寿命分别为3006、4808和4911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。成果为获得可靠性更高的互连界面材料提供了理论依据。.2) 建立了正向电压法-空间光谱联合测试平台并提出了基于正向电压法的半导体激光器阵列光谱能量分布的去卷积方法及光谱能量分布（SPD）预测方法，基于该模型能够定量预测不同封装结构、工作条件的高功率半导体激光器阵列光谱能量分布。.3) 基于实验和理论模拟研究了G-Stack高功率密度传导冷却型半导体激光器阵列在高温下的稳态及瞬态热行为。分别根据累积平均温度法及光谱实验方法分别得到了不同占空比条件下的温热量传导在器件的横向及垂直方向分别占64.7％与35.3％，发现CuW对于激光器的散热性能有着决定性的影响。分别根据累积平均温度法及光谱实验方法分别得到了不同占空比条件下的温差及瞬态热平衡状态下的热阻，结果表明实验及模拟得到瞬态热阻的结果基本吻合。本研究结果对优化半导体激光器热设计，提高半导体激光器的光电性能及可靠性提供了有益指导。