鄧敏，薄報學，喬忠良，高欣，陳甫，魏永平

(長春理工大學 高功率半導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換為光能的光發(fā)射器件。盡管其電光轉換效率很高，還是有大部分的電功率被轉化生成了熱，導致激光二極管工作結溫的升高。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，首先必須知道導致半導體激光器結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GaAs/AlGaAs單量子阱梯度折射率分限制異質結激光器腔面鍍膜與未鍍膜腔面溫度進行測量，得到平行和垂直有源層的溫，該方法存在操作使用復雜，響應速度慢，測量數據不連續(xù)的缺點；1993年Peter-WolfgangEpperlein[2]開始將光熱反射方法和拉曼方法測量腔面溫度進行了對比，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，且能夠實時監(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、準確地測出被測目標的真實溫度，并且具有較高的測量精度。

1 實驗原理

光熱反射技術原理是直接建立在樣品光學反射率的溫度依賴特性基礎上。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。由于半導體激光器的表面通常是由各種材料構成，因此溫度測量問題就轉變?yōu)槿绾未_定每一點處溫度與反射率之間的關系。實驗表明，硅的反射率隨溫度幾乎呈線性關系，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系測量溫度，即光反射系數變化率和光反射系數以及溫度變化的關系為：

2 實驗方法及裝置

2.1 裝置示意圖

如圖1所示，一束經斬波器調制的激光束，通過會聚透鏡垂直入射在正在工作的激光器的腔面上。當探測光束垂直入射在激光器腔面時，由于發(fā)生反射現象，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基模半導體激光器，準直后光束發(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行測量，其測得結果精度與透光狹縫寬度有關，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

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，是弱信號監(jiān)測的一種重要技術，對頻率和相位都可進行區(qū)分，其檢測性能的改善可達一千倍以上。本次試驗系統中使用具有相位靈敏偵測(PSD)能力的 SR830鎖相放大器，SR830中數字信號處理器精確的數字計算功能已取代了傳統鎖相放大器中笨拙的模擬相移電路，其相位的測量結果可以精確到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行濾波，否則若被探測器探測，會嚴重干擾測量過程。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能夠實現微弱信號的測量。

2.5 其它光學元件

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。當光束入射到被測腔面并反射回分束鏡時，因光路中加進一1/4波片，它能使兩次經過1/4波片的振動方向轉過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)也進行了調整，使得最后出射光強度最大，便于提高測量精度。

3 實驗結果與分析

本研究測量的大功率半導體激光器為典型的808nm波長150 m寬條形激光器。由于其發(fā)射光譜與 Nd:YAG等固體激光介質吸收峰值對應，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光激光器、1.06 m固體激光器的主要泵浦源[6]。測試表明，當二極管激光器工作時，由于腔面光吸收、非輻射復合導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低于溫度對反射率的調制，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 腔面結構圖Fig.2 Structure diagram of cavity surface

如圖 2所示，為被探測激光器芯片結構示意圖，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，選取平行于結面且垂直于初射光線的方向為x方向。由于垂直結平面方向的激光器光波導厚度很薄(約1 m)，故而要求匯聚到腔表面的光斑應在微米量級，否則將會對測量結果有很重要影響。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，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。實驗結果表明，該方法對腔面溫度變化的測量可以達到1度的精確度，可以很好滿足大功率半導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 結束語

對于激光器材料、結構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部溫升機理，特別是腔面復合吸收過程中溫升所導致的熱燒毀現象?；谏鲜鲈颍瑴y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展，為器件溫升的內部機理研究奠定了良好基礎，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，Fournier 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的實時測溫系統[J].儀器儀表學報，2004，25(3)：288-293.

[5]蔡濤，段善旭，康勇.半導體器件熱特性的光學測量技術及其研究進展[J].激光與光電子學進展，2008，6(45)：51-58.

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