反射法測量大功率二極管激光器腔面溫度

鄧敏，薄報學(xué)，喬忠良，高欣，陳甫，魏永平

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022)

大功率二極管激光器是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的光發(fā)射器件。盡管其電光轉(zhuǎn)換效率很高，還是有大部分的電功率被轉(zhuǎn)化生成了熱，導(dǎo)致激光二極管工作結(jié)溫的升高。而溫度升高必然帶來大功率二極管激光器閾值電流增加、發(fā)射波長紅移，造成模式的不穩(wěn)定，甚至腔面損壞(COD)。為了解決這些問題，首先必須知道導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器結(jié)溫升高的各種影響因素，并通過實驗的方法定量獲得器件的溫升。Hans Brugger等[1]較早在1990年利用拉曼散射方法分別對基模脊形波導(dǎo)GaAs/AlGaAs單量子阱梯度折射率分限制異質(zhì)結(jié)激光器腔面鍍膜與未鍍膜腔面溫度進(jìn)行測量，得到平行和垂直有源層的溫，該方法存在操作使用復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，測量數(shù)據(jù)不連續(xù)的缺點；1993年P(guān)eter-WolfgangEpperlein[2]開始將光熱反射方法和拉曼方法測量腔面溫度進(jìn)行了對比，初步表明光熱反射方法相比拉曼方法具有測量速度快，溫度分辨率高，且能夠?qū)崟r監(jiān)控腔面熱圖像等優(yōu)點。

測溫方法可分為接觸式與非接觸式。對于非接觸式的輻射測溫法而言，又可將其分為被動式輻射測溫法及主動式輻射測溫法兩種[3]。在主動式輻射測溫法中，由于使用了激光器或紅外輻射源作為測量光源[4]，因而都能實時、準(zhǔn)確地測出被測目標(biāo)的真實溫度，并且具有較高的測量精度。

1 實驗原理

光熱反射技術(shù)原理是直接建立在樣品光學(xué)反射率的溫度依賴特性基礎(chǔ)上。探測光束被樣品表面反射，并且測量其強度變化。光束強度的變化是由反射率變化(R)造成的。由于半導(dǎo)體激光器的表面通常是由各種材料構(gòu)成，因此溫度測量問題就轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾未_定每一點處溫度與反射率之間的關(guān)系。實驗表明，硅的反射率隨溫度幾乎呈線性關(guān)系，因此反射率是一個適合溫度測量的參量[5]。試驗中也對GaAs片加熱進(jìn)行了反射率測量，也近似成為線性，故而可以通過測量溫度與反射率之間的關(guān)系測量溫度，即光反射系數(shù)變化率和光反射系數(shù)以及溫度變化的關(guān)系為：

2 實驗方法及裝置

2.1 裝置示意圖

如圖1所示，一束經(jīng)斬波器調(diào)制的激光束，通過會聚透鏡垂直入射在正在工作的激光器的腔面上。當(dāng)探測光束垂直入射在激光器腔面時，由于發(fā)生反射現(xiàn)象，光束被腔表面反射回來，沿原路通過濾光片、1/4波片，最后經(jīng)偏振分束棱鏡分束，被光電探測器接收，光電探測器探測其反射光的信號，進(jìn)入鎖相放大器，反映腔表面的溫度變化情況。本實驗中采用的探測激光器是660nm基模半導(dǎo)體激光器，準(zhǔn)直后光束發(fā)散度為0.5mrad，斬波器型號為StanfordResearchSystems的SR540，可自動顯示斬波頻率，會聚透鏡為顯微鏡的聚焦透鏡，待測腔面為808nm激光器腔面，鎖相放大器型號為Stanford Research Systems的 SR830。

2.2 聚焦光斑大小測量

在實驗中，由于腔面尺寸很小(微米量級)，其探測光束聚焦光斑大小對測量結(jié)果有重要的影響，在此采用狹縫掃描法對直徑為5mm的激光光束在透鏡焦點處光斑大小進(jìn)行測量，其測得結(jié)果精度與透光狹縫寬度有關(guān)，狹縫5m時所測得的焦點光斑大小約為6m。該方法簡便易行，易于定性分析與定量測量。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

2.3 鎖相放大技術(shù)

鎖相放大器是一種完成信號窄帶化處理的相干監(jiān)測系統(tǒng)，是弱信號監(jiān)測的一種重要技術(shù)，對頻率和相位都可進(jìn)行區(qū)分，其檢測性能的改善可達(dá)一千倍以上。本次試驗系統(tǒng)中使用具有相位靈敏偵測(PSD)能力的 SR830鎖相放大器，SR830中數(shù)字信號處理器精確的數(shù)字計算功能已取代了傳統(tǒng)鎖相放大器中笨拙的模擬相移電路，其相位的測量結(jié)果可以精確到0.01°。

2.4 對激光器出射激光的濾波

實驗中由于測量的是正在工作的激光器，那么對于出射光必須要進(jìn)行濾波，否則若被探測器探測，會嚴(yán)重干擾測量過程。實驗中選用的是帶通濾光片，透過波長為660nm的探測光，過濾掉808nm的出射光。在試驗光路中，多次用到濾光片，盡管會對信號有部分削弱，但可以有效排除無用光信號的影響，并且利用鎖相放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號的測量。

2.5 其它光學(xué)元件

在裝置圖1中，使用立體偏振分光棱鏡配以1/4波片將光束入射至探測器中。當(dāng)光束入射到被測腔面并反射回分束鏡時，因光路中加進(jìn)一1/4波片，它能使兩次經(jīng)過1/4波片的振動方向轉(zhuǎn)過90°，因此入射至偏振分光棱鏡的光全部反射至探測器。在試驗裝置中，對于激光器的偏振態(tài)與偏振分光棱鏡及波片的偏振態(tài)也進(jìn)行了調(diào)整，使得最后出射光強度最大，便于提高測量精度。

3 實驗結(jié)果與分析

本研究測量的大功率半導(dǎo)體激光器為典型的808nm波長150 m寬條形激光器。由于其發(fā)射光譜與 Nd:YAG等固體激光介質(zhì)吸收峰值對應(yīng)，主要用作固體激光器泵源，取代氙燈泵浦，是目前國際上商用藍(lán)光激光器、1.06 m固體激光器的主要泵浦源[6]。測試表明，當(dāng)二極管激光器工作時，由于腔面光吸收、非輻射復(fù)合導(dǎo)致明顯的腔面溫度升高。在這種特定的條件下，激光器有源區(qū)附近會出現(xiàn)明顯的高溫分布，其局部溫升特異點反映了器件腔面缺陷、界面態(tài)及器件焊裝方面的空洞缺陷。器件工作時，芯片中存在電場、載流子濃度、溫度的擾動，這三種因素都會改變反射率，但電子、載流子濃度對反射率的影響遠(yuǎn)低于溫度對反射率的調(diào)制，因此，反射法測量主要反映了激光器腔面溫度引起的反射率變化。

圖2 腔面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cavity surface

如圖 2所示，為被探測激光器芯片結(jié)構(gòu)示意圖，Ⅰ號光束為探測激光束，Ⅱ號光束為腔面反射回來的探測激光束，Ⅲ號光束為被測激光器初射的激光束，選取平行于結(jié)面且垂直于初射光線的方向為x方向。由于垂直結(jié)平面方向的激光器光波導(dǎo)厚度很薄(約1 m)，故而要求匯聚到腔表面的光斑應(yīng)在微米量級，否則將會對測量結(jié)果有很重要影響。器件腔面的表面膜層為 SiO2，由于 Si的折射率與AlGaAs芯片折射率很接近(nSi=3.4、nALGaAs=3.5)，不會明顯影響AlGaAs的光學(xué)性能。

如圖3所示，激光器在不同注入電流條件下的腔面溫度分布測量曲線。從圖中可以看到，隨著外加注入電流的增加，使得腔面反射率增大，探測器接收的光能量的不同證明，被測激光器腔面溫度升高，且溫度主要集中在有源區(qū)的很小一區(qū)域內(nèi)，越靠近中心溫度越高，并逐漸向兩邊擴散，并存在局部溫度升高的特異點。實驗結(jié)果表明，該方法對腔面溫度變化的測量可以達(dá)到1度的精確度，可以很好滿足大功率半導(dǎo)體激光器腔面特性的評價。

圖3 有源區(qū)的溫度變化Fig.3 Changes of active region temperature

4 結(jié)束語

對于激光器材料、結(jié)構(gòu)及工藝水平的不斷提高，其輸出功率越來越大，這無疑對器件的溫度特性，特別是腔面溫度特性提出了更高的要求。因此，需要更深入地研究器件內(nèi)部溫升機理，特別是腔面復(fù)合吸收過程中溫升所導(dǎo)致的熱燒毀現(xiàn)象?；谏鲜鲈?，測量器件腔面上的溫度分布具有重要的研究價值。本研究工作在激光器腔面溫度測量方面已取得了初步進(jìn)展，為器件溫升的內(nèi)部機理研究奠定了良好基礎(chǔ)，可望實際用于大功率二極管激光器的腔面溫度評價及性能優(yōu)化研究。

[1]Hans Brugger，Peter W Epperlein.Mapping of local temperatures on mirrors of GaAs/AlGaAs laser diodes[A].Proceedings of 17 th International Symposium of Gallium Arsenide and Related Compounds，IOP Conference Series[C].London:IOP，1990，56(11)：1049-1051.

[2]Peter Wolfgang Epperlein.Micro-Temperature Measurementson Semiconductor laser Mirrors by Reflectance Modulation:A Newly Developed Technique for Laser Characterization[J].Appl Phys，1993，32(12)：5514-5522.

[3]Tessier G，Hole S，F(xiàn)ournier D.Quantitative thermal imaging by synchronous thermoreflectance with optimized illu mination wavelengths[J].Appl Phys Lett，2001，78(16)：2267-2269.

[4]施德恒，黃國慶，劉玉芳，等.一種利用激光并采用熱電器件實現(xiàn)的實時測溫系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25(3)：288-293.

[5]蔡濤，段善旭，康勇.半導(dǎo)體器件熱特性的光學(xué)測量技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，6(45)：51-58.

[6]舒雄文，徐晨，徐遵圖，等.808nm大功率半導(dǎo)體激光器腔面光學(xué)膜工藝.半導(dǎo)體學(xué)報，2005，26(3)：571-574.