高重频Nd_YAG激光器的可靠性设计

Vol. 32,No. 3J une ,2002

　　文章编号:100125078(2002) 0320180202

高重频Nd Y ∶A G 激光器的可靠性设计

侯惠民, 张玉峰, 姚大虎

(华北光电技术研究所, 北京100015)

摘　要:为提高高重频大功率Nd Y ∶A G 激光器的可靠性, 在激光器的结构、聚光腔、Q 开关等方

面进行优化设计, 使得激光器在光束质量及可靠性等方面有了很大的提高, 并可满足恶劣环境的使用要求。

关键词:高重频; 光束质量; 可靠性中图分类号:TN248. 1+3　　　文献标识码:B

R eliability 2design of High R epetition R ate Nd YAG ∶Laser

HOU Hui 2min , ZHAN G Yu 2feng , YAO Da 2hu

(North China Research Institute of Electro 2Optics , Beijing 100015,China )

Abstract :The optimal design of the structure , pump cavity and Q 2switch of high 2repetition rate and high power Nd Y ∶A G laser are introdnced. It improved beam quality and reliability of laser. At the same time , also met the need of the requirement in bad situation.

K ey w ords :High 2repetition rate ; beam quality ; reliability

1　引　言

　　谐振腔、聚光腔、Q 件, 其稳定性、程中, 高, 。2　理论分析及方案选取2. 1　高频聚光腔设计

为提高泵浦均匀性, 获得高的泵浦效率, 通常我们选择漫反射紧包腔。实验结果表明在激光棒中贮能的分布更均匀, 消除了晶体中强点, 增加了“关门”能力, 提高了调Q 激光的输出效率。并且漫反射聚光腔具有良好的稳定性, 能够长时间工作, 制作工艺简单, 成本低、重量轻、不易受污染等优点。在重频不高的情况下, 由高注入带来的热效应通常可以通过提高冷却水流的速度以及光学补偿来克服, 其光束质量受到的影响不大。但在高重频工作情况下(≥80Hz ) , 由于冷却水冷却不均匀造成激光光斑边缘扭曲、抖动, 严重情况下甚至出现强点损坏光学元件, 此时无论怎样增加冷却水流速度, 也很难有所改进。为此, 我们通过改进聚光腔的结构设计, 大大提高了高重频工作下, 激光棒的冷却效果。改进后的聚光腔结构如图1所示。

将激光棒装在通冷却水的专用管中, 冷却水先

, , 可以吸收有害, 管内螺旋结构使水流绕激光棒螺旋式流动, 从而达到均匀冷却, 抑制激光光斑边缘抖动, 改善高频下的光束质量, 并能够长期可靠运转。2. 2　Q 开关设计

电光Q 开关一直是激光器中的易损器件, 其可靠性已成为制约激光器寿命的关键因素, 同时K D 3P 调Q 晶体的温度敏感性对激光器在高低温环境下的工作也有不可忽视的影响。为提高其性能我们摒弃了惯用的退压调Q 工作方式, 而采用升压调Q 工作方式。

(1) 传统的退压电路通常采用冷阴极触发管作为开关元件, 晶体易损坏, 寿命短。且冷阴极在工作时由于阳极加热因子超标, 电路阻抗失配等原因, 致使其栅极过热和变形, 阳极有弧光放电, 长时间工作, 会出现尖叫、漏闪甚至连通, 触发可靠性差。

升压调Q 电路采用MOS 管作为开关元件, 开关速度快, 结构紧凑, 受环境温度影响小, 激光漏闪率低, 激光波形输出稳定, 给实际应用带来很大的方便。通过试验, 适当选取电路参数, 得到的激光输出完全可达到冷阴极管作为电开关的水平。

(2) 由于K D 3P 晶体的半波电压随温度变化而变化, 为保证激光器在环境温度变化时仍能稳定工作。传统方式中, K D 3P 晶体置于由加热丝加热, 温度传感探测器很难准确反映晶体内的温度, 加热也很难做到均匀、稳定, 因此效果并不理想, 而且恒温电路本身易受电信号干扰, 影响激光器的可靠性。

　　作者简介:侯惠民(1975-) , 男,1998年毕业于长春光学精密机械学院,1998年至今在华北光电技术研究所激光技术部从事激光技术研究。

收稿日期:2002203212

图1　高频漫反射激光腔

第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外181

工作点又要照顾低工作点, 我们选取工作频率为

60Hz 为最佳工作点。由于不同频率下的热焦距不同, 所以在谐振腔参数R 的选取上应尽量考虑使热焦距的变化对谐振腔的影响尽量小。

1-1-(4) =+

f f t R f R (5) l =l /1-f

图2　激光脉冲与调Q 信号时序关系

我们采用升压调Q 方式, 可以通过对调Q 信号

的设计, 来适应半波电压的变化, 克服上述不足。其激光脉冲与调Q 信号的时序关系, 如图2所示:调Q 信号波形其前沿约为20ns , 后沿大于100ns , 电压V 可由0～5000V 连续可调,V1为K D 3P 晶体的λ/4电压, 在基本对应于V1位置产生激光输出。当温度发生变化时, 例如λ/4电压变为V2时, 激光输出时间相应移动, 基本对应于V2位置, 调Q 波形对温度波动有一定的自适应能力。试验表明当V =5000V 时, 环境温度从-10℃至+50℃, 激光器输出能量不稳定度小于10%。当环境温度变化大于该范围时, 可改进电路设计, 使得调Q 信号幅度相应变化则可以满足使用要求。采用升压调Q 脉冲适应温度变化的方法, 不仅摒弃了恒温池、可靠性, 构简单, 2. 3　态工作时, , 较高的光束质量和较好的稳定性。高重频状态下, 圆棒晶体将产生严重的热效应, 具体表现为热透镜效应和应力双折射。本激光器采用高斯变反膜(VRM ) 非稳腔, 以提高光束质量, 压缩发散角, 并要考虑热效应对激光的影响和在不同工作频率下的兼容性。

(1) 高斯变反膜(VRM ) 谐振腔具有横模选择能力强、提高模稳定性、扩大模体积和改善场图均匀性等方面具有独特的优势。我们采用VRM 平凸腔。输出镜M 1为高斯变反膜镜, 其反射率表达式为:

(1) R =R 0exp [-2(r/ωm ) ]

式中R 0为中心处反射率, ωm 为膜斑尺寸,n 为高斯函数的阶数。

输出镜上的光斑尺寸与膜斑尺寸的关系为:ω=ωm (M n -1) 1/n (2) 式中M 为非稳腔的几何放大倍率。近场光场平顶分布条件为:

(3) M R 0=1

(2) 和通过合理选取ω、n 、M 值, 并结合(1) 、

(3) 式便可确立变反膜参数。

(2) 由于本激光器是在高重复频率状态下工作, 激光晶体中会形成一个径向分布的温度梯度场, 使晶体产生热透镜效应, 这种热透镜效应对腔参数影响很大, 在设计时应考虑进行补偿。

由于激光器工作频率范围很宽, 既要照顾到高

其中R l , l ′、R ′为补偿热透镜后的腔长和曲率半径, f t 为热焦距。

热焦距f t 可由实验测得见文献[2]。

将欲设计的腔长l 和曲率半径R 和热焦距f t

带入(4) 和(5) 式, 便可求出实际的腔长l ′和曲率半径R ′, 则使得热透镜得以补偿。

根据以上理论分析,

我们在实际工作中选取输出镜曲率半径R 为500mm , 平面全反镜, 腔长360mm , 激光晶体Φ7×80mm , 获得了频率1～100Hz 动态工作范围内能量大于200mJ , 自然发散角小于1mrad 的动态激光输出。其近场光斑图样如图3。

图3　频率100Hz 、E ≥200m J 、距激光出口500mm 处光斑图样

3　结构可靠性设计

我们采取的措施主要由以下几点:3. 1　为了消除机械振动、运输、高低温等原因导致的谐振腔失谐而对激光输出的影响。激光器机头采用铸件结构, 光学调整架采用固定不可调结构, 增加整体机械结构稳定性, 在恶劣环境下获得了稳定的激光输出。

3. 2　光学系统密封, 强化工艺技术, 规范化生产, 使得激光器的可靠性得到进一步提高。

3. 3　注意对激光器内杂散激光的吸收处理, 以及对关键光学元件的多层屏蔽密封保护, 提高可靠性。4　结　论

经过对本激光器的优化设计, 大大提高了输出激光的光束质量和可靠性。以其结构紧凑、高光束质量、抗恶劣环境和高可靠性等优点广泛应用于科研、军事等领域。现已形成批量生产, 创造了良好的社会和经济效益, 得到了专家和用户的好评。参考文献:

[1]　曹三松, 王明秋, 等1漫反射聚光腔灯泵Nd ∶Y A G 激光

器[J].激光技术,1999, (6) :230.[2]　李俊书, 谢志浩, 李华振1平凸非稳腔Nd ∶Y A G 激光器

[J].兵器激光,1981, (2) :98.[3]　张贵芬, 李庆国, 张蕾1可变反射率激光谐振腔研究

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实验研究[J].兵器激光,1981, (3) :152.[5]　Optomechanical considerations for stable lasers[A ]1SPIE

1991. Vol. 1416:10-20.

半导体激光器的电导数测试和可靠性分析

数与半导体教光晷耳掌性的关系

关键词半导体煮光幂,器件参教.耳幸性?._._.-?’_’-?.

半导体激光器在光纤通信,光计算囊光信息处理方面的应用越来越广泛,器件的可靠性

问题非常重要,得刊广的重视_l】.

半导体激光器主要退化机理可分为两樊t一类是由衬底材料和外延晶体的不完整性引起

的,涉及到的是它们的界面或腔面,特别是与起非辐射复合中心作用的缺陷的存在和增加有

关}另一类是由器件在制备过程中引入的损伤引起的,如接触形成的应力,高温下接触台金

中金属原子的扩入以及裂痕等.这些因素的存在必然要在器件参数上有所反映因此,器件的

可靠性可与器件参数以及器件参数随温度的变化建立起联系.由于由半导体激光器的电导数

曲线可给出激光器的多种参数值],本文策用电导数分析方法对激光器的可靠性进行分析.

1宴验过程

实验所用器件为GaAs/GaAIAs质子轰击型异质结激光器.不同温度

下测得的该器件的电

导数(,,,)曲线和输出光功率(P)与驱动电流(,)曲线如图1所示.u?

对理想激光器,有

;

圈l不同温度下的电导数曲线和P-I曲线

,:+IR,,<;(1.1)

,:IR,,>(1.2)

电流超过阙值,结电压饱和,电导数曲线有一

下沉,由此可给出该器件的阈值.(1I1)式中

的是结的特征参量,它与复合过程有关,其

值可由曲线的截距给出.由变温测量可给出该

器件的特征温度o值.曲线的斜率与器件的

串并联电阻路径的存在有关.通过曲线的形状

可给出激光器的饱和情况及载流子泄漏的情况

收稿日期1992—06-02-营寒自蝽科学基盒夤?课思

等?1.我们用这种方法对40支质轰击型GaAs/GaAIAs激光器的器件

参数进行了测量,测

得的的范围为1.2,2.5,To的范围为52,161,串联电阻的范闸为3Q,12.5Q,并联线性

电阻一般在几十欧姆到几千欧姆之间.我们还用结电压法测量了热阻胁,其值在2l,191

之间.在器件电老化l00h后,又对上述参数进行了测量.老化是在室温,1.1,th下进行的.

2实验结果

2.1阈值大小对器件退化的影响’,

在我们测量的0支器件中,闽值电流最低的器件是l0器件,其值为37mA;其次是

l5器件,闽值电流为40mA.但l0器件的’串联电阻最大,为l2.5Q.15器件串联电阻为

5.2【j.24,26器件是老化的0支器件中膏值电流最大的器件,其阈值电流分别84mA和’

97.4mA,串联电阻分别为.3Q和.0电老后的测量表明,10器件串联电阻过大,情况

比较复杂,将另行讨论;15器件阈值电流其增加4mA;24,26器件闽值电流分别增加了

16mA和14.8mA,表现出明显快的退化.从前可见,对同样结构的器件,如果其它参数无明

显的差别,阈值偏大的器件要比阈值偏小的器件有较大的退化率.阈

值偏大的器件通常是晶

体质量不好,非辐射复合中心的存在使量子兢率降低或者腔面不好.阈值大,器件需在大电

流下工作t结温要高,缺陷,暗斑,暗线在高灌环境下易形成或增加,使量子效率降低和阈值

增加加快.15器件和2器件老化前后的P-!曲线如图2所示.

2.2串联电阻大小对退化率的影响

9,l0器件,阈值电流分别为40mA和37mA,是0支老化器件中阈值较低的,但它

们的串联电阻却是最大的,分别为12.3Q和2.5Q.电老比后的测量表明,其闽值电流分别

增加了l0mA和34mA,而且在随后的变温瓣试中都不再受激.与之相比,l5器件的闽值大

小虽和9器件的相同,比l0器件大3mA,但其串联电阻远比9,l0小,仅为5.2Q,因

此,该器件电老化后的闽值仅增加mA.串联电阻明显大的器件,尽管其阈值不高,但其退

化仍然是快的.这是因为串联电阻通常都是嘲接触电阻和体电阻组成的,而材料参数相同的

器件的体电阻又不会有太大差异,串联电阻艄大小,主要取决于接触电阻.而电阻上的功耗

转变成热量,使结温升高,加速暗斑,暗线的彰成,同时加速了接触处

金属原子向结内扩散,

导致了器件快速退化.图3给出了l0,l5’器件的电导致曲线和l0,15器

件老化前后的

P-I曲线.由电导数曲线可以看出,10”器件的串联电阻明显大于l5器

件,从P-,曲线可以

看出,l0器件有较大的退化率.

圈215,24器件在老化前后的P-!曲线圈310.15器件的电导致曲线及

老化前后的P-I曲线

——

52——

2.3并联线性电阻对退化率的影响

并联线性电阻路径的存在可明显增加

半导体激光器的阈值电流,而阈值电滤增

大可使器件退化加快.在我们的实验中,

20器件存在一个明显的并联线性电阻路

径,且在它的电导数曲线上有一个初始峰

(如图4所示).这表明,在激光器的p

结导通之前,结电阻较大,所加电压可在

并联电阻路径上形成一个较大的电流,出

现一个初始峰.当激光器的p_n结导通

后.结电阻变小,电流在结和并联电阻膏

径上重新分配,电流主要流过结区.图.4

囤420,15器件的电导数曲线

和老化前后的P—曲线

同时给出了l5器件电导数曲线和老托前后的p-.t”曲线,可见,2O器件

有较大的退化率.

20器件老化前闽值电流为66mA.老化嚣阐值电流为85mA.并联电阻

路径的存在使器件有

较大的退化率的原因与闽值偏大退化率太有相似之处.

2.4并联非线性电阻对退化率的舶响

理论计算表,当无并联非线性电阻路

径时,在闽值以上是与,无关的常敦若存

在并联非线性电阻路径,这个路径在p-I结上

的电压不饱和,使总电路微分电阻连《辫落,

流经它的电流有非线性增加,而这部分电瀛对

受激发射无贡献,总电流中对受激发射有贡献

部分的电流比重变小,使光电特性偏青线性.

因此,非线性电阻路径的存在使器件的教分量

子效率降低.有非线性并联电阻路径存在的器

件的,,,曲线在闽值以上呈弯曲状.在我

圉5有非线性电阻并联路径的24器件的

j等,,曲线和老化前后的尸.,曲线

们实验的40支器件中,2l,24,27,33器件就唇这种情况.2l,27两支器件在实验过

程中人为损坏,不好结论,24器件老化旨阈值由84mA增到100mA,33器件老化不到100?

h就已不激射.表明这种器件有较快的遇化率.图5给出了24器件老化前的,,,曲线及

老化前后的P一,曲线,为了对比.图中也给出了l5器件的相应曲线.

2.5下沉台阶大小对退化率的影

Il,

由(1.1)和(1.2)式对比可以看到,一值前后,,,曲线有一下沉.理想情况下,下沉大u?

小由决定.由于电流扩展效应和藏流子泄漏的双极输运效应等的影响,可使下沉变

小.在我们测试的4O支器件中,3,6’.7,9,10,16器件下沉较小,它们在老化和测

试过程中都已不激射,表现出较快的退化.

综上所述可见,用电导数测量技术对半导体激光器进行测试所得的测试曲线可给出半导

体激光器的多种参量.这些参量与半导体激光器的可靠性有关.进而表明,电导数测试技术

可作为半导体激光器可靠性分析的有用手段,综合考虑所得到的参量可进行器件的筛选.

一

53—

参考文献

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ElectricalDerivativeMeasurementandReliability

AnalysisofSemiconductorLaexperimentalresultsweremeasuredbyeleo-

tricalderivativetechnics.Theaboveresultsl?edu棚.

Keywordssemiconductorlaser,deviceparameter,reliability

一

54—

LD泵浦Nd_YAG无水冷固体激光器可靠性分析

第38卷　第3期　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外　2008年3月　　　　　　　　　　　　　　LASER 　&　I N FRARE D

Vol . 38, No . 3March, 2008

　　文章编号:100125078(2008) 0320211203

?激光器技术?

LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器可靠性分析

凌　铭, 武志超, 张海波, 谭雪春, 金光勇, 梁　柱

(长春理工大学理学院激光技术研究所, 吉林长春130022)

摘　要:针对军用激光器的可靠性要求, (法) Nd ∶Y AG 无

水冷固体激光器的故障树模型, , 工作时间(MT BF ) , , 提出了控制系统结构, 。理论计算与激光关键词:故障树分析法; 可靠性; 重要度; 最小割集中图分类号:T N248. 1　　　文献标识码:A

Reli a bility Analysis of LD Pumped Soli d Laser without

Water Cooli n g Based on Fault Tree

L I N G M ing,WU Zhi 2chao, Z HANG Hai 2bo, T AN Xue 2chun, J I N Guang 2yong, L I A NG Zhu

(Laser Technol ogy I nstitute, School of Science, Changchun University of Science and

Technol ogy, Changchun 130022, China )

Abstract:The fault tree model about LD pu mped Nd:Y AG s olid laser without water cooling is p resented according t o ar my require ment f or reliability of laser . Based on fault tree analysis, the m iniu m cut set was f ound with Fuseell 2vesely theory . The reliability and meanti m e bet w een failure were caculateded, and the i m portance was analysed about s olid la 2ser . According t o less reliability part, the i m p r oved means was put for ward by changing the syste m structure and en 2hancing redundant of key subsystem in order t o increase the reliablility at most . The theory calculati on is coincident with the laser working p ractically .

Key words:fault tree analysis (FT A ) ; reliability; i m portance; m iniu m cut set

1　引　言

方法

[3]

。

采用金属热沉传导冷却代替流动水冷却的LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器, 因其结构紧凑、体积小、可靠性高, 抗振动、抗冲击能力强, 能在低温下工作等一系列特点, 已受到广泛重视上。

故障树分析法(fault tree analysis, FT A ) 由美国贝尔实验室提出, 用于导弹发射系统可靠性研究。它能够寻找系统潜在的故障或进行故障诊断, 并进一步预测系统故障发生的概率, 现已被应用其他各种领域, 是一种广泛应用于系统可靠性预测评价的

[1-2]

可靠性是军用激光器的一项重要的性能指标,

但激光器的可靠性不可能都用常态实际实验来测试。理论计算激光器的可靠性, 能替代常态工作实验, 从而达到缩短开发周期、减少试验时间、节省资金的目的。

目前, LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器的可靠性研究较少。本文把激光器作为一个系统, 把组成激光器的各个部件故障率作为整个系统中的基本

　　作者简介:凌　铭(1967-) , 男, 博士生, 高级工程师, 现从事全固态激光器研究。E 2mail:ling m ing5397364@yahoo . com. cn 　　收稿日期:20072092

, 并

被大量用于导弹制导、卫星遥感等军事国防工程

212激光与红外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第38卷

事件, 通过对LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器的重要器件的故障树分析, 对其可靠性和重要度进行了计算及评定。2　系统故障树的建立

对LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器可靠性产生影响的基元主要由以下三部分:①激光头系统; ②供电电源系统; ③温控系统。每个基元又由各种器件构成, 激光头系统包括阵列激光管、激光棒、调制器、介质膜、热沉、聚光镜和机械固定装置等。供电电源包括电源的控制系统, 稳流环节和电脉冲稳定生成电路, 件组成, 感器、将影响激光器可靠性的主要部件选出, 由专家评判、加速寿命老化实验及常态工作测试三种方式, 测得组成激光器的器件损坏概率, 把组成激光器的某一个器件损坏视为一个故障, 并将其作为一个故障树基本事件, 用x 表示, 将激光器不能正常工作作为顶端事件T , 列出基本事件表如表1所示。

表1　基本事件Tab . 1　table f or basic ite m s

代号

x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13

图1　无水冷固体激光器故障树

Fig . 1　fault tree f or s olid laser without water

3　故障树的分析3. 1　用下行法求最小割集

设给定的故障树由所有集合x 1, x 2, …, x n 组成:

T ={∑B i }

i =1m

式中, B i ={x i 1, x i 2, …, x ik }是基本故障事件的集合。仅当这些事件同时发生时, 顶端事件才会发生, 则称

x i 为故障树的一个割集

[4]

基本事件

激光棒故障率调制器故障率介质膜故障率聚光镜故障率阵列激光管故障率半导体制冷器故障率温度传感器故障率温控电路故障率阻容元件故障率半导体集成块故障率

I G BT 故障率

故障率λ(10-6/h)

25. 062. 510075. 015015075. 012525012550. 050. 0100

。

表2　用下行法求最小割集Tab . 2　caculating the m inium cut set

with Fuseell 2vesely

分析步骤号

x 1x 2x 3x 4

最小割集

x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11

x 1x 2x 3x 4x 5

x 1x 2x 3x 4x 5G 3

x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13

G 1

G 2

G 4

开关故障率插座故障率

　　由基本事件及其在无水冷固体激光器的作用特点, 建立故障树如图1所示。

G 5

激光与红外　No . 3　2008　　　　　凌　铭等　LD 泵浦Nd ∶Y AG

无水冷固体激光器可靠性分析213

　　由表中可得到12个最小割集, 即{x 1}, {x 2},

{

x 3}, {x 4}, {x 5}, {x 6}, {x 7}, {x 8}, {x 9}, {x 10}, {x 11}, {x 12x 13}。

度

3. 2　可靠度和MT BF 计算

故障树定量评定的任务就是要计算和估计出顶事件发生的概率以确定系统的可靠性指标。用最小

[3]

割集求解前, 先作如下假设:

(1) 底事件之间相互独立;

(2) 底事件和顶事件只考虑两种状态———发生或不发生, 即正常与故障两种状态;

(3) 底事件的故障概率为指数分布。

组成激光器的各个部件损坏, 上述假设, -t

P (x i ) =1i

P (t ) =P (∑c j )

k j =1n

λi MT BF =1/∑

i =1

R (t ) =1-P (t )

式中, P (x i ) 为故障树中的最小割集概率; λi 为基本

事件故障率; P (t ) 为顶事件发生的概率; R (t ) 为激光器的可靠度; c j 即为下行发法求出的最小割集。图2为用MAT LAB 仿真计算的激光器工作时间和可靠度关系曲线

。

　　t /h

图2　工作时间与可靠度关系曲线

Fig . 2　curve bet w een work ti m e and reliability

可靠度与时间为一指数函数关系。图2中的点

为从0开始、每隔30h 的可靠度R (t ) 。5h 的可靠度为0. 9941, 此时间为激光器的最佳工作区。90h 后的可靠度小于0. 8986, 作为军用武器系统, 可认为低可靠度了。计算后的MT BE 为842h, 此时R (t ) 之所以不为零, 是因为计算可靠度时, 概率高次项省略掉的缘故。3. 3　概率重要度分析

概率重要度的定义可以解释为:第i 个部件不可靠度F (t ) 的变化引起系统不可靠度变化的程

。计算公式如下:

s (t ) p

I i r (t ) 9F i (t )

P (t ) =F (t )

取t =800h, 求得13个基本事件中重要度顺序为:x 9>x 5(x 6) >x 10>x 5>x 3>x 4(x 7) >x 2>x 11>x 1>x 13>x 12, 即阻容元件故障率对可靠性影响最重要, 开关故障对可靠性影响最小。4　提高可靠性的措施

。组, 。, 有的元件一发生故障就会引起系统故障, 有的则不然。

因此, 应尽量减小基本事件的串联使用, 降低偶然故障率。对激光头、供电电源、温控三个系统, 应增加供电电源系统的可靠度, 必要时, 采用双电源系统, 以提高其系统冗余。结构和部件上, 为减少最小割集数, 采取一体化安装骨架设计, 全部光学零件稳固装配到热沉骨架上, 晶体棒用卡网紧裹, 两端用缓冲垫紧固。光学元件调整机构采用顶拉方案, 具有自锁功能。所有螺纹紧固件采用细螺纹并用中性胶黏接。为降低故障率, 电子器件优先选用甲品器件, 采用成熟的典型线路和集成元件, 主要元器件按降额30%设计。光学介质膜采用较大厚径比, 全反射镜用石英材料。以上措施的采纳, 提高了激光器的可靠度, 延长了平均无故障工作时间。5　总　结

本文建立了无水冷LD 泵浦Nd ∶Y AG 激光器的故障树模型。根据故障树模型, 计算了激光器的可靠度、平均无故障工作时间和各基本事件的概率重要度, 提出了改进激光器可靠性一些方法。可靠度随时间增加成指数下降, 激光器工作高可靠度时间为5h, 平均无故障工作时间为842h 。计算结果与激光器的实际工作符合较好, 故障树法是激光器可靠性分析的一种有效方法。参考文献:

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大功率半导体激光器的可靠性研究

第24卷　第1期

2003年2月

发　光　学　报

CHI NESE JOURNA L OF LUMI NESCE NCE

V ol 124N o. 1

Feb. , 2003　

文章编号:100027032(2003) 0120100203

大功率半导体激光器的可靠性研究

曹玉莲1, 王　乐2, 廖新胜1, 程东明1, 刘　云1, 王立军1

(11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春　130022;

21吉林大学电子科学与工程学院, 吉林长春　130026)

摘要:对InG aAs/AlG aAs 和InG aAsP/G aAs 有源区含铝的915nm 和无铝的808nm 半导体激光器进行了老化实验。, 发现有腔面膜的激光器比无腔面膜的激光器的阈值电流降低25112, 40h 左右, 老化后再分别测试它们的阈值电流、功率参数, 膜的激光器相比增加25mA 以上, , 光器的寿命是很重要的。

关　键　; :A 　　　

1　引　　言

高功率半导体激光器在泵浦固体激光器、打印、材料加工、通信等方面都有着广泛的应用, 这主要是由于其高的转化效率、高的可靠性以及较长的寿命。作为半导体激光器谐振腔的解理面是激光器的重要组成部分, 在高功率密度激光(特别是在激光脉冲工作条件下极高的峰值功率密度) 作用下, 由于近场的不均匀、局部过热、氧化、腐蚀等因素使腔面遭受损伤。这不仅会形成更多的表面态, 增加表面态复合速度, 而且还能造成解理面局部熔化, 甚至遭受毁灭性的破坏, 而这种灾变性损伤(C OD ) 是影响激光器寿命的最主要因素[1,2]。为了提高激光器的破坏阈值功率密度, 最有效的措施是在前后解理面上镀介质保护膜。实验证明, 通过腔面镀膜在激光器的前后腔面分别制备增透膜和高反射膜, 高反膜的应用降低了阈值电流, 而增透膜的采用提高了器件的量子效率和电2光转换效率, 也可以提高器件的光功率密度。通常选择Al 2O 3,SiO 2作为低折射率材料,Si 作为高折射率材料。高反膜采用95%～98%, 增透膜采用1%～5%[3]。腔面保护对延长激光器的寿命有重要作用, 因为腔面膜阻止了激光器腔面遭受氧化、腐蚀等, 这已成为大功率激光器制造中的一个关键的工艺过程。特别是激光列阵, 激光器腔

面镀膜工艺技术尤为重要。其作用有两个:(1) 覆盖解理腔面, 防止有源区氧化, 提高可靠性和稳定性。(2) 改变腔面膜反射率, 使得激光器在保持腔性能的基础上实现单面出光, 提高激光器的输出功率和激光器的利用效率。

2　实验与分析

在没有老化之前, 使用综合参数测试仪对808和915nm 的有、无腔面膜的激光器进行测试, 其典型功率曲线分别见图1和图2(其中, 对于无腔面膜的激光器来说, 图中所示的功率都为单面

) 。的输出光功率, 以下不再说明。

　　从图1中我们可以看到, 对于波长为

808nm

图1　腔面镀膜与未镀膜的808nm 激光器输出功率图

Fig. 1　Output power vs. current curve for 808nm laser with

coated and uncoated facet.

　　收稿日期:2002207223; 修订日期:2002211220

　　作者简介:曹玉莲(1977-) , 女, 黑龙江佳木斯人, 硕士研究生, 现主要从事半导体激光器方面的研究工作。　　E 2mail :caoyulian @hotmail.com , T el :(0431) 6176335

第1期曹玉莲, 等:大功率半导体激光器的可靠性研究　　　101　

镀过腔面膜的激光器, 斜率效率要比有腔面保护的器件小20%左右, 阈值电流比波长为808nm 的激光器增加的更多, 未镀膜的竟然达到了500mA 。同时, 图3和图4中的无腔面膜的激光器在老化后的功率都不到老化前的一半, 至于有没有发生灾变性损伤还没有进行观测。而且, 我们这两个图中, 都看到镀过腔面膜的激光器在老化后, 功率曲线都出现了扭折, 至于原因, 正在研究中

。

图2　腔面镀膜与未镀膜的915nm 激光器输出功率图

Fig. 2　Output power vs. current curve for 915nm laser with

coated and uncoated facet.

的无铝大功率激光器来说, , , 降低了约25420mW () 升到了750mW 左右, 可见, 增透率为90%以上, 而且从图中我们也可以看到, 斜率效率增加到未镀膜时118倍左右。而对于波长为915nm 含铝的激光器来说, 从图2我们可以观察到, 其阈值电流从未镀膜时的460mA 降到了310mA 左右, 下降了大约32%, 相对于波长为808nm 的激光器来说有大幅度的提高, 这主要是由于腔面膜有效地阻止了含铝材料的腔面氧化。可见, 腔面膜对于有源区含铝的材料是更为重要的[4], 输出功率从单面出光时的320mW (两面共为640mW ) 升到了600mW 左右, 但是其斜率效率并没有808nm 激光器的高, 其原因正在研究之中。

在112倍阈值电流下老化40h 后, 808和915nm 激光器的典型功率曲线分别为图3和图4

图3　腔面镀膜与未镀膜808激光器老化后的功率图

Fig. 3　P ower vs. current relation for 808nm laser with coated

and uncoated facet after

aging.

所示。

　　把图3和图1对比, 我们可以明显观察到未镀膜的激光器阈值电流经过老化40h 之后增加到了425mA , 增加了大约40mA , 而镀过腔面膜的激光器的阈值电流却只增加了25mA 。这主要是由

于表面复合使表面处电流密度增加, 产生局部发热, 加速了表面氧化并在腔面上形成点缺陷[5]。特别对于没有镀过腔面膜的激光器, 表现的就尤为突出了, 同时, 随着阈值电流的增加, 功率减少到不足老化前的1/2, 斜率效率相对没有老化之前减少到了原来的4/5, 并且功率曲线出现了多处扭折。这一点也可以从图4中看到, 有源区含铝的915nm 的激光器的斜率效率在老化之后, 减小的幅度更大, 不足老化前的3/4, 尤其对于没有

图4　腔镀膜与未镀膜915nm 激光器老化后的功率图

Fig. 4　P ower vs. current relation for 915nm laser with coated

and uncoated facet after aging.

3　结　　论

经过老化和寿命的测试, 我们可以看到镀腔面膜对于改善激光器的性能、延长寿命都有着特别重要的作用, 因为腔面膜阻止了激光器腔面遭受氧化、腐蚀等, 这对于大功率激光器尤其是激光列阵已成为了关键的工艺之一。

　102　　　发　　光　　学　　报第24卷

参　考　文　献:

[1]Ovtchimmikov A , et al . Highly efficient reliable laser for 830nm wavelength range [J].Proceedings o f S PIE , 2000, 3947:212

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Laser Diodes

C AO Y u 1, W ANGLe 2, LI AO X in 2sheng 1, CHE NG D ong 2ming 1, LI U Y un 1, W ANGLi 2jun 1

(1. Changchun Institute o f Optics , Fine Mechanics and Physics , Chinese Academy o f Sciences , Changchun 　130022, China ;

2. College o f Electronics Science and Engineering , Jilin Univer sity , Changchun 　130026, China )

Abstract :The reliability of coated and uncoated mirror facets InG aAs/G aAs and InG aAsP/G aAs high 2power semiconductor lasers has been studied through aging experiment. The threshold current and output light power of the lasers were tested before aging , and it showed that the threshold current of the lasers with coated facets is de 2creased by a factor of 4than that of lasers with uncoated facets. Then both kinds of lasers were tested after aging at 112times of the threshold current for 40h. It showed that the threshold current was increased by m ore than 25mA , and output light power decreased m ore than 50%com pared to those of without aging. S o to lenghtened the lifetime of lasers , it is im portant that the mirrors facets must be coated. K ey w ords :laser ; coated or uncoated facet ; aging

　　Received 23July 2002

高温加速寿命试验在激光器管芯可靠性分析中的应用

　　摘要：该文研究了高温加速寿命试验在激光器管芯可靠性分析中的应用，给出了加速老化试验的试验方法、基本概念和流程，并结合试验数据研究了高温加速寿命试验对激光器管芯的可靠性影响以及对激光器管芯寿命的预测，为在实际应用中使用高温加速寿命试验节省时间，为提高管芯可靠性提供技术支持。

　　关键词：激光器管芯高温加速寿命试验可靠性寿命

　　中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0077-01

　　1 可靠性分析基本理论

　　随着市场经济和科学技术的发展，设计和制造水平的不断提高，各个领域的设备和产品不断朝着高性能和高可靠性方向发展，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产品的可靠性和安全性。产品的可靠性越高，寿命越长，在相对短期内几乎不可能失效，因此很难获得失效数据。这些情况的出现给可靠性分析带来了一些问题，由于无法得到足够的失效数据，这使得基于失效数据分析的传统可靠性分析方法很难使用或分析结果与实际应用偏差较大。

　　产品的高温加速寿命试验数据包括很多的可靠性信息，通过产品的加速寿命试验进行可靠性分析可以在很大程度上节省时间和费用。也可以解决可靠性高、寿命比较长的产品可靠性评估问题。本文以激光器管芯高温加速寿命为例，对高温加速寿命试验的一般概念和激光器管芯的可靠性进行了探讨，并对激光器管芯的可靠性进行了分析预测。

　　2 可靠性指标

　　产品的可靠性有好几种标准衡量，有定量的，也有定性，有时要用好几种指标去衡量一种产品的可靠性，但最主要的指标有：可靠度、失效率、平均无故障工作时间（MTBF）等。对电子产品而言，产品失效一般符合浴盆曲线分布，即产品失效分为早期失效阶段、中期稳定失效阶段和后期失效阶段。早期失效，由于少数产品在制作后存在运输、调试等问题，产品有比较明显的缺陷，在投入使用的最初期，这缺陷很快就暴露出来了，随着时间的增长，这些明显的缺陷越来越少，也就形成了失效率迅速下降的现象；中期稳定阶段，产品的失效稳定在一个比较低的水平，当少数产品的明显缺陷暴露出来后，剩下的就是正常产品，这部分产品可以稳定、持久的工作，所以失效率稳定在一个较低水平；后期失效阶段，这段时间，产品的失效率迅速上升，后期产品经过长时间的工作、磨损和老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加，到达寿命终点的产品越来越多，失效率也就随之上升。

　　3 激光器管芯的特性

　　激光器管芯的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。

　　管芯顶部包封的环氧树脂有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。

　　4 高温加速寿命试验的理论依据和试验方案

　　4.1 高温加速寿命试验的理论依据

　　半导体器件等电子元器件在使用或储存过程中，总存在着某种比较缓慢的物理化学变化。当这一物理化学变化过程发展到一定阶段时，器件的外观个性和功能就逐步变化，最终导致特性的退化和功能的完全丧失，即失效。器件的失效大多是由于器件表面状态的变化和体内、金属化系统等的物理化学变化造成的。例如，由于PN结附近有杂质离子或其他沾污形成导电沟道，使器件反向漏电流变大、击穿电压下降；由于湿气或其他有害气体侵入管壳内产生化学腐蚀等，这些变化实质上都是物理化学变化过程。它们的变化过程跟温度有密切关系。当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，器件的失效过程被加速，这就是加速老化试验的理论依据。

　　高温加速寿命试验就是用加大应力的方法促使样品在短时期内失效，从而预测激光器管芯在正常储存条件或工作条件下的可靠性，这样就可以在较短时间内通过少量样品的高应力试验，推算出产品在正常应力下的可靠性水平，以供用户设计时参考，或作为工艺对比及合理制定筛选条件和例行试验规范的依据。同时，结合失效分析，还可以随时了解造成产品不可靠的主要因素，并迅速反馈到有关设计或制造部门加以改进及纠正。因此，高温加速寿命试验不仅节省了人力、物力和时间，并且结合失效分析技术已发展成为控制、提高激光器管芯可靠性的一种行之有效的好办法。高温加速寿命试验所加的应力有温度、功率、电压、电流等应力，本文主要研究对激光器管芯在温度和电流条件下的高温加速寿命试验以及对激光器管芯可靠性的探讨。

　　4.2 激光器管芯的高温加速寿命试验

　　激光器管芯的高温加速寿命试验数据显示，依据产品的寿命周期曲线，有些产品会出现失效。在驱动电流相同时，温度越高，时间越长，器件的光功率下降越快，阈值电流上升越快，失效的样品数量越多，因此通过加大应力的方法促使样品在短时期内失效，从而预测激光器管芯在正常储存条件或工作条件下的可靠性。通常在高温加速寿命试验中很少有器件在试验过程中短时间会实际超过寿命终止阈值。

　　5 激光器管芯的可靠性分析

　　通过对激光器管芯进行的可靠性试验来看，环境应力对管芯性能参数影响较大，通常在试验过程中选定的参数要定期检测直到退化超过寿命终止阈值即失效判据或规定的小时数已经达到。通常在试验结束时没有失效的器件所反映出来的任何性能参数退化都可以用来作为寿命终止终止阈值试验的估计。这些估计的时间可以用于管芯可靠性的各种相关计算。从而对激光器管芯的可靠性进行预测。

　　参考文献

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