工业向直接二极管激光器和高功率泵浦系统的过渡，使光子学的基本构件--光导纤维--受到了前所未有的关注。 半导体激光芯片. .虽然总输出功率通常是采购中的主要衡量标准，但真正的价值在于 激光二极管堆栈 其衡量标准是光谱稳定性及其在数万个运行小时内承受衰减的能力。对于制造高亮度光纤激光器或医疗手术设备的系统集成商来说，了解从芯片级物理到堆栈级工程的转变对于降低长期运营成本至关重要。.

卓越的外延：半导体激光芯片的生命周期

的性能 高亮度激光二极管 早在镀金工艺或安装冷却歧管之前，就已经确定了。它始于 MOCVD（金属有机化学气相沉积）反应器，在这里，外延层以原子层的精度生长。.

活动区的均匀性

的活动区域 半导体激光芯片 通常由应变 InGaAs/AlGaAs 量子阱组成。可靠性取决于整个晶片上这些层的均匀性。量子阱厚度的任何变化，哪怕只有几个埃，都会导致发射波长的偏移。在 多发射极激光二极管 但是，如果 10 毫米宽度上的发射器波长各不相同，所产生的 “光谱增宽 ”就无法有效地泵送吸收带较窄的固态激光器或光纤激光器（例如波长为 976 纳米的掺镱光纤）。.

内部量子效率与热负荷的关系

高性能芯片的设计旨在最大限度地提高内部量子效率，确保大部分注入电子转化为光子而非热量。在高注入电流下，“载流子泄漏 ”成为一个重要问题。电子逃离量子阱的束缚，在包层中重新结合。这不仅会降低效率，还会增加结温，加速暗线缺陷（DLD）的形成。具有出色载流子约束能力的芯片需要更少的冷却，这直接影响到最终产品的复杂性和重量。 激光二极管堆栈.

通过多发射器激光二极管的几何形状来扩展功率

为实现工业金属切割或覆层所需的千瓦级功率，单个发射器被组合成条状，这些条状发射器被集成到一个 多发射器 激光二极管 装配。.

填充因子难题

填充系数 “是发射区域与激光条总宽度的比率。高填充系数（如 50% 或更高）可实现大功率输出，但会产生难以冷却的集中热区。对于 高亮度激光二极管 在光束应用中，通常采用较低的填充因子（20% 至 30%）。这种间距可使发射器之间的散热更好，并便于使用微光学器件对单个发射器进行准直，这对保持光束参数积（BPP）至关重要。.

机械应力和螺距精度

安装多个发射器时，“间距”（发射器之间的距离）的机械精度至关重要。在高功率应用中，即使发射器位置有 2 微米的偏差，也会在光线通过快轴准直器 (FAC) 后产生明显的 “指向误差”。对于系统制造商来说，这意味着安装公差较小的廉价堆栈的 “可用 ”功率将大大降低，因为很大一部分光将无法进入传输光纤。.

激光二极管堆栈中的光谱工程

在现代工业应用中，仅有功率是不够的，“光谱亮度 ”才是新的基准。对于光纤激光器泵浦中使用的 976nm 波长来说尤其如此，因为光纤的吸收峰值很窄（约 1-2nm）。.

体布拉格光栅 (VBG) 集成

为了锁定波长并缩小光谱范围，通常会在激光器前面放置一个体积布拉格光栅。 激光二极管堆栈. .然而，VBG 锁定的成功与否完全取决于底层的 “光谱纯度”。 半导体激光器 芯片. .如果芯片的自然增益曲线过宽或存在 “微笑 ”效应（机械弯曲），则 VBG 只能锁定部分光线，从而产生 “寄生 ”峰值，通过背反射或局部加热损坏激光系统。.

波长稳定和热反馈

精心设计的叠层即使在电流骤增时也能保持稳定的波长。这就要求堆栈中的所有棒都具有平衡的热阻抗。如果 10 根棒堆栈中顶部棒的温度比底部棒高 5 度，它们的波长就会出现偏差，从而扩大总输出光谱。这种热不均匀性是低层堆栈中常见的故障点，因为冷却歧管的设计没有考虑到流体动力学和棒间的压降。.

从组件质量到总体拥有成本（TCO）

由于系统停机的成本很高，“买便宜货 ”的逻辑在光子学行业经常失效。A 激光二极管堆栈 它不是消耗品，而是机器的核心引擎。.

激光降解中的阿伦尼乌斯关系

二极管的寿命（$L$）与其结温（$T_j$）呈指数关系：

$L \propto \exp(E_a / k T_j)$

其中，$E_a$ 是降解机制的活化能，$k$ 是玻尔兹曼常数。通过提高芯片效率或改善堆栈冷却，只需将结温降低 10°C 就能将器件的工作寿命延长一倍。从财务角度看，如果堆栈成本增加 20%，但寿命延长 100%，那么在考虑更换人工和生产时间损失的情况下，总拥有成本将减少近一半。.

案例研究：工业光纤激光器的高效抽运

1.客户背景

一家工业激光器制造商正在为船厂焊接应用开发 20kW CW 光纤激光器。该系统需要一个可靠的 976nm 泵浦源，能够在不同的环境条件下保持较窄的光谱宽度。.

2.技术挑战

最初的原型采用标准 多发射极激光二极管 堆栈。然而，随着泵浦功率的增加，“波长偏移 ”导致泵浦光偏离镱吸收峰。这导致未被吸收的泵浦光到达光纤激光器的合路器，造成光学元件灾难性的热故障。.

• 目标波长： 976 纳米（稳定）。.
• 光谱宽度： < 1.0 nm (FWHM)。.
• 运行环境： 温度波动范围为 10°C 至 40°C 的工业地面。.

3.技术参数设置与解决方案

我们实施了高密度 激光二极管堆栈 利用先进的 半导体激光芯片 采用专门的 “锁定波长 ”架构技术。.

4.质量控制（QC）和验证

• 光谱绘图 每一个 多发射极激光二极管 在集成到堆栈中之前，对波长均匀性进行了映射。.
• 高压流体测试： 微通道冷却器在 10 巴压力下进行了测试，以确保不存在可能导致 “热点 ”的泄漏或流量限制。”
• 电子光学效率分析： 堆栈在 110% 的额定电流下进行了测试，以确保芯片上的NAM（非吸收镜面）刻面能够承受极端浪涌。.

5.结论

通过使用具有优异导热性能的堆栈和兼容 VBG 的芯片，客户实现了稳定的 20kW 输出。窄光谱将泵浦吸收效率从 75% 提高到 92%，显著降低了光纤激光器冷却系统的热负荷，使整体设计更加紧凑。.

技术性能数据：二极管堆栈和光谱控制

本表比较了不同等级的 激光二极管堆栈 根据芯片完整性和安装技术进行配置。.

常见问题

1.微笑 “效应如何影响光纤耦合效率？

微笑 “效应是一种物理上的鞠躬礼 多发射极激光二极管 条。如果光棒不是完全平整，发射器就不再处于快轴准直器（FAC）的焦平面内。这将导致各个光束指向不同的方向，从而无法将光线聚焦到小型光纤中。高质量的叠层使用 AuSn 焊料，以保持低于 0.5 微米的平面度。.

2.在工业堆栈中，为什么 AuSn 焊料比 Indium 焊料更受欢迎？

铟是一种软焊料，在热应力作用下会产生 “蠕变”，从而导致光束质量随着时间的推移而下降。AuSn（金锡）是一种硬焊料，能提供刚性、稳定的结合。虽然它需要更复杂的制造工艺和与 CTE 匹配的子安装，但它能防止 半导体激光芯片 不移动，确保多年运行性能始终如一。.

3.非吸收镜“（NAM）对芯片可靠性有何作用？

不结盟运动是一种专门的治疗方法，其治疗范围包括 半导体激光芯片. .它可以防止表面吸收光子，而光子吸收是造成灾难性光损伤 (COD) 的主要原因。如果没有 NAM 技术，芯片就无法安全地在高电流密度下运行，而高电流密度是实现以下目标所必需的 高亮度激光二极管 应用。.

4.冷却水的水质会影响激光二极管堆栈的寿命吗？

是的，尤其是对于采用微通道冷却的堆栈。如果水没有经过适当的去离子处理或过滤，矿物质沉积或生物生长就会堵塞微通道。这会导致芯片的结温立即升高，大大缩短芯片的使用寿命。.

5.如何确定堆栈的波长是否稳定？

在改变驱动电流时，应使用光学频谱分析仪 (OSA) 监控输出频谱。一个稳定的堆栈在电流增加时，峰值波长的偏移会非常小，尤其是在 VBG 锁定的情况下。 高亮度激光二极管.