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度。這一方式在避免激光器過熱的同時仍可在短時間內(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，但也鮮有能達到50%以上轉(zhuǎn)換效率的實例。 這意味著那些出光功率在100 W或以上的器件同時需要處理至少100 W的熱能。根據(jù)光發(fā)射過程中的物理原理，激光器只能在電流和光強度非常高的狀態(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體積內(nèi)。

      更為令人不安的是，一個激光器受熱愈多，其將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率愈低。因此一旦一個激光Bar無法得到有效的冷卻，它的溫度就會升高，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低并進一步帶來更多熱量，這將導(dǎo)致一個災(zāi)難性的結(jié)果，我們稱之為“熱逸散”。

     因此需要進行可靠性測試。在器件任何測試或老化過程中，有兩種基本方式來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。對于大功率激光器則會采用內(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。良好的溫度控制是測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)。

     老化及特性測試

     在量產(chǎn)過程中，總會有一些工藝上的差別，例如某特定部件的厚度的不一致，無論是系統(tǒng)性的還是隨機性的。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，這種情況對于每個獨立部件或材料成分都是如此。

     當(dāng)特定的一組隨機差異作用于一獨立產(chǎn)品時，有時會導(dǎo)致某種明顯失效的發(fā)生，甚至是經(jīng)特性檢測合格的產(chǎn)品的壽命縮短。這些早期發(fā)生的失效，即我們說的“Infant Mortalities”，可以通過制造流程中對產(chǎn)品的加速老化并監(jiān)測特性參數(shù)的變化來加以甄別。

     一個老化的流程通常應(yīng)使器件工作于大負(fù)荷電流或高溫環(huán)境下，生產(chǎn)者可通過在老化前后測量激光器的波長、功率、遠場等各種參數(shù)來淘汰那些表現(xiàn)出極端變化的產(chǎn)品。

     特定產(chǎn)品的實際規(guī)格以及最合適老化方法的參數(shù)必須通過大量的實驗來確定。品質(zhì)管理人員需要綜合考慮測試/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)測在特定溫度下光功率（電流）下降固定值所需要的時間。這會直接提升激光器的預(yù)期產(chǎn)品壽命這一對用戶來說極為關(guān)鍵的參數(shù)。

    對激光器進行老化的另一個好處是使其幾個重要參數(shù)在經(jīng)過一段時間的連續(xù)工作后趨于穩(wěn)定。例如一個全新的激光器的光功率輸出及波長在未達到穩(wěn)定值的初期會急劇變化。

    對大功率激光器的評價需要其基本的光學(xué)特性得到較好的控制。經(jīng)?？梢钥吹降氖?，由多個激光器Bar發(fā)出的光被耦合入另一個器件，如某個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和遠場光束兩者是否都能被較好的控制。

    當(dāng)一個激光器完成組裝后，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，與此類似的情形還有激光光束遠場特性不對稱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。

    光的波長會影響到特定材料對光的吸收效率，因此部分特性的測試應(yīng)以波長為中心進行分布。

    為了比較老化前后各項參數(shù)的變化，一些制造商將每個器件分別在老化實施前后加載到測試臺上測試，這樣就會帶來大量額外的對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)的激光器可以同時進行老化，而且每一個器件的工作完全獨立于其他器件。

    該老化系統(tǒng)可按用戶定義的間隔全自動完成LIV測量，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間的變動），而且用戶能夠看到在哪個時間點閾值達到穩(wěn)定狀態(tài)。這會大大簡化生產(chǎn)工藝，失效產(chǎn)品在老化結(jié)束后可立即被淘汰。為了確保測量的精度，系統(tǒng)中所有使用的工具儀器均按國際標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)。

    總結(jié)

    對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)品幾個主要特性參數(shù)在出廠前達到穩(wěn)定狀態(tài)的必要手段。Yelo Ltd.提供的系統(tǒng)能夠自動完成老化過程并在老化前后測試各項參數(shù)。這能使制造商準(zhǔn)確完成對優(yōu)等產(chǎn)品的評價。