大功率激光器被廣泛應(yīng)用于各種合金或鋼材的打標(biāo)、切割及表面硬化等。某些場(chǎng)合激光器工作于1%或以上占空比的脈沖模式下以期獲得更高的光能強(qiáng)度。這一方式在避免激光器過(guò)熱的同時(shí)仍可在短時(shí)間內(nèi)提供極高的光功率。

      盡管半導(dǎo)體激光器是現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換效率最高的方式，但也鮮有能達(dá)到50%以上轉(zhuǎn)換效率的實(shí)例。 這意味著那些出光功率在100 W或以上的器件同時(shí)需要處理至少100 W的熱能。根據(jù)光發(fā)射過(guò)程中的物理原理，激光器只能在電流和光強(qiáng)度非常高的狀態(tài)下工作，高功率激光Bar也不例外。如同其他所有的功率半導(dǎo)體器件，多個(gè)互相緊靠著的單管器件將超大量的熱能匯集在了極小的一個(gè)體積內(nèi)。

      更為令人不安的是，一個(gè)激光器受熱愈多，其將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率愈低。因此一旦一個(gè)激光Bar無(wú)法得到有效的冷卻，它的溫度就會(huì)升高，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低并進(jìn)一步帶來(lái)更多熱量，這將導(dǎo)致一個(gè)災(zāi)難性的結(jié)果，我們稱(chēng)之為“熱逸散”。

     因此需要進(jìn)行可靠性測(cè)試。在器件任何測(cè)試或老化過(guò)程中，有兩種基本方式來(lái)控制激光器溫度恒定，激光器熱沉及空冷/水冷底板直接接觸的方式，常用于80 W以下的中等功率器件。對(duì)于大功率激光器則會(huì)采用內(nèi)部自有的水冷微通道，這一結(jié)構(gòu)允許冷卻水在激光器下方約100 µm處通過(guò)。良好的溫度控制是測(cè)試任何激光器可靠性的前提，畢竟所有的重要指標(biāo)都與溫度直接相關(guān)。

     老化及特性測(cè)試

     在量產(chǎn)過(guò)程中，總會(huì)有一些工藝上的差別，例如某特定部件的厚度的不一致，無(wú)論是系統(tǒng)性的還是隨機(jī)性的。為了確保合格率，所有厚度偏差在指定規(guī)格內(nèi)的部件都被認(rèn)為是合格的，這種情況對(duì)于每個(gè)獨(dú)立部件或材料成分都是如此。

     當(dāng)特定的一組隨機(jī)差異作用于一獨(dú)立產(chǎn)品時(shí)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致某種明顯失效的發(fā)生，甚至是經(jīng)特性檢測(cè)合格的產(chǎn)品的壽命縮短。這些早期發(fā)生的失效，即我們說(shuō)的“Infant Mortalities”，可以通過(guò)制造流程中對(duì)產(chǎn)品的加速老化并監(jiān)測(cè)特性參數(shù)的變化來(lái)加以甄別。

     一個(gè)老化的流程通常應(yīng)使器件工作于大負(fù)荷電流或高溫環(huán)境下，生產(chǎn)者可通過(guò)在老化前后測(cè)量激光器的波長(zhǎng)、功率、遠(yuǎn)場(chǎng)等各種參數(shù)來(lái)淘汰那些表現(xiàn)出極端變化的產(chǎn)品。

     特定產(chǎn)品的實(shí)際規(guī)格以及最合適老化方法的參數(shù)必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。品質(zhì)管理人員需要綜合考慮測(cè)試/老化的成本以及不合格產(chǎn)品流出或合格產(chǎn)品的誤判。

     某些依存于時(shí)間、溫度的失效的原理已經(jīng)為大家所了解，亦可在一定精度范圍內(nèi)被準(zhǔn)確預(yù)判。例如，通過(guò)確定激光器中特定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的激發(fā)能量，我們可以預(yù)測(cè)在特定溫度下光功率（電流）下降固定值所需要的時(shí)間。這會(huì)直接提升激光器的預(yù)期產(chǎn)品壽命這一對(duì)用戶來(lái)說(shuō)極為關(guān)鍵的參數(shù)。

    對(duì)激光器進(jìn)行老化的另一個(gè)好處是使其幾個(gè)重要參數(shù)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的連續(xù)工作后趨于穩(wěn)定。例如一個(gè)全新的激光器的光功率輸出及波長(zhǎng)在未達(dá)到穩(wěn)定值的初期會(huì)急劇變化。

    對(duì)大功率激光器的評(píng)價(jià)需要其基本的光學(xué)特性得到較好的控制。經(jīng)常可以看到的是，由多個(gè)激光器Bar發(fā)出的光被耦合入另一個(gè)器件，如某個(gè)裝有透鏡的外部諧振腔。而光與這些微透鏡間的耦合效率則取決于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光束兩者是否都能被較好的控制。

    當(dāng)一個(gè)激光器完成組裝后，不同材料間熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的熱應(yīng)力會(huì)造成Bar的彎曲形變。在這種情況下，Bar上所有的單管發(fā)射器將不再是呈直線排列。這樣的彎曲將直接影響到激光器與某外部諧振腔（如：Nd:YAG腔）之間的耦合效率，與此類(lèi)似的情形還有激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)特性不對(duì)稱(chēng)造成的耦合效率降低。因此這些特性才成為器件規(guī)格中非常重要的一部分。

    光的波長(zhǎng)會(huì)影響到特定材料對(duì)光的吸收效率，因此部分特性的測(cè)試應(yīng)以波長(zhǎng)為中心進(jìn)行分布。

    為了比較老化前后各項(xiàng)參數(shù)的變化，一些制造商將每個(gè)器件分別在老化實(shí)施前后加載到測(cè)試臺(tái)上測(cè)試，這樣就會(huì)帶來(lái)大量額外的對(duì)器件的操作和重要數(shù)據(jù)的追蹤比較，還包括所有器件的篩選。

    Yelo Ltd.已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一套能夠適用于最高200 amps的大功率激光二極管特性測(cè)試和老化設(shè)備 ，兼容各種封裝形式的接觸式或水冷式產(chǎn)品。模塊化的系統(tǒng)構(gòu)造使得不同結(jié)構(gòu)的激光器可以同時(shí)進(jìn)行老化，而且每一個(gè)器件的工作完全獨(dú)立于其他器件。

    該老化系統(tǒng)可按用戶定義的間隔全自動(dòng)完成LIV測(cè)量，不僅能為用戶提供產(chǎn)品壽命相關(guān)數(shù)據(jù)（例如輸出光功率隨時(shí)間的變動(dòng)），而且用戶能夠看到在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)閾值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這會(huì)大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，失效產(chǎn)品在老化結(jié)束后可立即被淘汰。為了確保測(cè)量的精度，系統(tǒng)中所有使用的工具儀器均按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

    總結(jié)

    對(duì)激光器的老化是改善大功率激光器產(chǎn)品品質(zhì)，淘汰早期失效產(chǎn)品并使產(chǎn)品幾個(gè)主要特性參數(shù)在出廠前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的必要手段。Yelo Ltd.提供的系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成老化過(guò)程并在老化前后測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)。這能使制造商準(zhǔn)確完成對(duì)優(yōu)等產(chǎn)品的評(píng)價(jià)。