大功率半导体激光器的寿命与可靠性研究应用.doc
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1、大功率半导体激光器寿命与可靠性研究组别:11成员:李硕 11023112 孟晓 11023106 王乐 11023121 李冉 11023111 马云霄 11023117 吴天宇 11023110目录一、大功率激光器的应用背景3二、半导体激光器的可靠性及寿命4三、大功率半导体激光器寿命的测量方法53.1 高功率二极管激光器的寿命测量方法53.1.2寿命测试实验63.1.3 结论73.2 焊接应面力对寿命的影响8四、提高大功率半导体器件寿命的使用方法8五、总结9六、组员分工9一、大功率激光器应用背景随着半导体激光技术日趋成熟和应用领域不断扩展,大功率半导体激光器应用范畴已经覆盖了光电子学诸多领域
2、,成为当今光电子实用器件核心技术。由于大功率半导体激光器具备体积小、质量轻、寿命长等长处,广泛应用于民用生产和军事等领域。 近年来,国外大功率半导体激光器研究进展非常迅速, 单条最大持续输出功率已经不不大于600 W,最高电光转换效率高达72,单条40-120 W 已经商品化。相对而言,国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚,但也获得了很大进展。大功率半导体激光器是一类用途非常广泛光电子器件,输出功率可以高达百瓦、千瓦,甚至准持续输出功率达万瓦以上,并且这些器件能量转换效率可高达50以上。半导体激光器相对于其她类型激光器最大特点就是波长多样性,随着应用领域不断拓宽,大功率激光器研究
3、几乎涉及整个650-1 700 nm波段。当前大功率半导体激光器以及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示,照明、激光医疗等民用领域,以及激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域均得到广泛应用。大功率半导体激光器在材料加工方面重要应用有:软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面解决、工程材料表面亲润特性改进、激光清洁、辅助机械加工等。北京工业大学研制了光束整形l 000 W 大功率半导体激光器,用于U74钢轨表面淬火实验。军事方面重要应用为:(1)半导体激光制导跟踪。从制导站激光发射系统按一定规律向空间
4、发射经编码调制激光束,且光束中心线对准目的;在波束中飞行导弹,当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部激光探测器接受到激光信号,经信号解决后,调节导弹飞行方向,从而实现制导跟踪。(2)半导体激光雷达。半导体激光雷达体积小,精度高,具备各种成像功能和实时图像解决功能。可用于检测目的,测量大气水汽,云层,空气污染等。(3)半导体激光引信。通过对激光目的进行探测,对激光回波信息进行解决和计算,判断目的,计算炸点,在最佳位置进行引爆。(4)激光测距。半导体激光光源具备隐蔽性,广泛应用在激光夜视仪和激光夜视监测仪。(5)激光通信光源。半导体激光器是一种抱负光源,具备抗干扰,保密性好等长处。蓝绿光可用于潜艇和
5、卫星以及航空母舰通信。(6)半导体激光武器模仿。可用于新型军训和演习技术。此外,半导体激光器还广泛应用在激光瞄准和报警、军用光纤陀螺等方面【1】。二、半导体激光器可靠性及寿命 为了研究激光器可靠性,咱们采用了恒流老化办法实验前先将封装好器件固定在散热片上,放在老化台上进行恒流电老化。驱动电流为400mA,温度保持在40左右,老化期间持续地观测光功率,断电并冷却到25进行电导数测试。测得大功率半导体激光器典型曲线如图1.2所示。 老化前1.1 老化后1.2 老化96小时1.3 老化320小时 1.4 在老化320小时后,光导数曲线和电导数曲线上不但浮现了反向峰爹并且浮现了向下同向峰,反向峰与器件
6、可靠性关不不大,反向峰重要是由侧向模术智暇孪引起,咱们老化器件是增益导引型器件,侧向模式不稳定性会导致,P-I区曲线上浮现扭曲。但如果侧向模式跳变是由激光器内部缺陷和均匀性差引起起,那么由此形成光导数曲线和电导数曲线上峰将会对器件可靠性产生影响。 导数曲线上由同向峰高功率半导体激光器普通是不可靠性器件,重要是由内部缺陷、载流子泄漏和电流泄漏引起非线性电阻通路作用成果。它们对舞件甲-可靠性影响很大,如图1.4所示,这个器件是一只迅速退化器件。大功率宽条形半导体激光器结面积大,工作电流较高,器件节温升高大,引起导数曲片上浮现峰因素会因而而加剧,因而,高功率半导体激光器导数曲线上常有峰浮现。 因而,
7、咱们可以得出这样一种结论,导数曲线上峰增多以及浮现同向峰反映了高功率半导体激光器退化,老化后,器件在较低驱动电流下就有峰浮现也是器件老化后退化反映【2】。高功率半导体激光器寿命评价面临难点产品寿命评价来自于大量记录数据,然而由于高功率半导体激光器制作成本相称高,同一批次器件也相称有限,这就限制了寿命数据来源。目迈进行寿命实验大某些都是单条封装器件,这种实验方案考察不到阵列器件中条与条之间互相影响,不能反映多条阵列封装器件寿命。由于高功率半导体激光器热负载非常大,因此要保证其工作温度稳定性也较困难,产品寿命和温度是密切有关,虽然有很小温度波动都会影响实验成果。当前高功率阵列器件都采用微通道板积极
8、冷却方式。在上千小时寿命实验过程中进行数据精准测量必要保证测量仪器稳定在0. 1% /1 000 h以内。大某些状况下,在数千小时实验中浮现断电不可避免,而对高功率激光器来说电池组又不切实际,因此整个系统要保证断电不对激光器导致损伤,并且可以在短时间内继续运营。高功率半导体激光器寿命评价方面还没有详细可行原则,关于原则只有ISO17526-,且只规定了概念框架。当前还没有切实可行较短时间寿命评价办法,较惯用是运用功率-时间实验曲线进行寿命外推,但外推寿命普通不能超过实际实验时间5倍,这对于寿命大概为10 000 h器件,运用外推法进行寿命实验最短时间也要在2 000 h甚至更高,这对实际实验来
9、说显得非常长,因而谋求切实可行加速寿命实验非常重要【3】。三、大功率半导体激光器寿命测量办法3.1 高功率二极管激光器寿命测量办法 3.1.1 理论办法对于高功率二极管激光器还没有原则办法对其寿命进行测试,依照器件退化率外推和加速老化寿命测试是电子器件进行可靠性鉴定两种不同模式。当前,国际上普遍采用两种外推办法进行寿命检测:一种办法是固定电源驱动电流,测量功率随时间变化状况,规定激光输出功率下降20 时间作为激光器有效使用寿命 ;另一种办法是激光输出功率一定状况下,电流随时间变化状况,规定工作电流上升20时间作为激光器寿命。退化率外推法测试寿命是微电子产品惯用办法,激光二极管退化与其类似,国外
10、许多大公司也采用这种办法测试寿命,依照使用状况和需要,咱们重要采用恒定电流外推模式。工作时间为t时激光输出功率与工作电流间关系为 式中:P(t)为t时刻激光输出功率;(t)为斜效率;Ith为阈值电流;I是工作电流;为退化因子(一08);带有0下标为激光器起始运营时参量,t下标为运营到t时刻参数。当激光器运营一段时间,其输出功率和斜效率就会下降,阈值电流随之升高。近年来高功率激光二极管发展不久,持续激光器寿命已由本来几百小时提高为上万小时,若耗费上万小时来测试其寿命,这样实验是不经济,只有通过其她途径进行寿命测试。这样就引入了退化率概念,退化率是指激光器功率退化量随时间变化速率。而激光器寿命就可
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