反射法测量大功率二极管激光器腔面温度

邓敏，薄报学，乔忠良，高欣，陈甫，魏永平

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022)

大功率二极管激光器是将电能直接转换为光能的光发射器件。尽管其电光转换效率很高，还是有大部分的电功率被转化生成了热，导致激光二极管工作结温的升高。而温度升高必然带来大功率二极管激光器阈值电流增加、发射波长红移，造成模式的不稳定，甚至腔面损坏(COD)。为了解决这些问题，首先必须知道导致半导体激光器结温升高的各种影响因素，并通过实验的方法定量获得器件的温升。Hans Brugger等[1]较早在1990年利用拉曼散射方法分别对基模脊形波导GaAs/AlGaAs单量子阱梯度折射率分限制异质结激光器腔面镀膜与未镀膜腔面温度进行测量，得到平行和垂直有源层的温，该方法存在操作使用复杂，响应速度慢，测量数据不连续的缺点；1993年Peter-WolfgangEpperlein[2]开始将光热反射方法和拉曼方法测量腔面温度进行了对比，初步表明光热反射方法相比拉曼方法具有测量速度快，温度分辨率高，且能够实时监控腔面热图像等优点。

测温方法可分为接触式与非接触式。对于非接触式的辐射测温法而言，又可将其分为被动式辐射测温法及主动式辐射测温法两种[3]。在主动式辐射测温法中，由于使用了激光器或红外辐射源作为测量光源[4]，因而都能实时、准确地测出被测目标的真实温度，并且具有较高的测量精度。

1 实验原理

光热反射技术原理是直接建立在样品光学反射率的温度依赖特性基础上。探测光束被样品表面反射，并且测量其强度变化。光束强度的变化是由反射率变化(R)造成的。由于半导体激光器的表面通常是由各种材料构成，因此温度测量问题就转变为如何确定每一点处温度与反射率之间的关系。实验表明，硅的反射率随温度几乎呈线性关系，因此反射率是一个适合温度测量的参量[5]。试验中也对GaAs片加热进行了反射率测量，也近似成为线性，故而可以通过测量温度与反射率之间的关系测量温度，即光反射系数变化率和光反射系数以及温度变化的关系为：

2 实验方法及装置

2.1 装置示意图

如图1所示，一束经斩波器调制的激光束，通过会聚透镜垂直入射在正在工作的激光器的腔面上。当探测光束垂直入射在激光器腔面时，由于发生反射现象，光束被腔表面反射回来，沿原路通过滤光片、1/4波片，最后经偏振分束棱镜分束，被光电探测器接收，光电探测器探测其反射光的信号，进入锁相放大器，反映腔表面的温度变化情况。本实验中采用的探测激光器是660nm基模半导体激光器，准直后光束发散度为0.5mrad，斩波器型号为StanfordResearchSystems的SR540，可自动显示斩波频率，会聚透镜为显微镜的聚焦透镜，待测腔面为808nm激光器腔面，锁相放大器型号为Stanford Research Systems的 SR830。

2.2 聚焦光斑大小测量

在实验中，由于腔面尺寸很小(微米量级)，其探测光束聚焦光斑大小对测量结果有重要的影响，在此采用狭缝扫描法对直径为5mm的激光光束在透镜焦点处光斑大小进行测量，其测得结果精度与透光狭缝宽度有关，狭缝5m时所测得的焦点光斑大小约为6m。该方法简便易行，易于定性分析与定量测量。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

2.3 锁相放大技术

锁相放大器是一种完成信号窄带化处理的相干监测系统，是弱信号监测的一种重要技术，对频率和相位都可进行区分，其检测性能的改善可达一千倍以上。本次试验系统中使用具有相位灵敏侦测(PSD)能力的 SR830锁相放大器，SR830中数字信号处理器精确的数字计算功能已取代了传统锁相放大器中笨拙的模拟相移电路，其相位的测量结果可以精确到0.01°。

2.4 对激光器出射激光的滤波

实验中由于测量的是正在工作的激光器，那么对于出射光必须要进行滤波，否则若被探测器探测，会严重干扰测量过程。实验中选用的是带通滤光片，透过波长为660nm的探测光，过滤掉808nm的出射光。在试验光路中，多次用到滤光片，尽管会对信号有部分削弱，但可以有效排除无用光信号的影响，并且利用锁相放大器技术能够实现微弱信号的测量。

2.5 其它光学元件

在装置图1中，使用立体偏振分光棱镜配以1/4波片将光束入射至探测器中。当光束入射到被测腔面并反射回分束镜时，因光路中加进一1/4波片，它能使两次经过1/4波片的振动方向转过90°，因此入射至偏振分光棱镜的光全部反射至探测器。在试验装置中，对于激光器的偏振态与偏振分光棱镜及波片的偏振态也进行了调整，使得最后出射光强度最大，便于提高测量精度。

3 实验结果与分析

本研究测量的大功率半导体激光器为典型的808nm波长150 m宽条形激光器。由于其发射光谱与 Nd:YAG等固体激光介质吸收峰值对应，主要用作固体激光器泵源，取代氙灯泵浦，是目前国际上商用蓝光激光器、1.06 m固体激光器的主要泵浦源[6]。测试表明，当二极管激光器工作时，由于腔面光吸收、非辐射复合导致明显的腔面温度升高。在这种特定的条件下，激光器有源区附近会出现明显的高温分布，其局部温升特异点反映了器件腔面缺陷、界面态及器件焊装方面的空洞缺陷。器件工作时，芯片中存在电场、载流子浓度、温度的扰动，这三种因素都会改变反射率，但电子、载流子浓度对反射率的影响远低于温度对反射率的调制，因此，反射法测量主要反映了激光器腔面温度引起的反射率变化。

图2 腔面结构图Fig.2 Structure diagram of cavity surface

如图 2所示，为被探测激光器芯片结构示意图，Ⅰ号光束为探测激光束，Ⅱ号光束为腔面反射回来的探测激光束，Ⅲ号光束为被测激光器初射的激光束，选取平行于结面且垂直于初射光线的方向为x方向。由于垂直结平面方向的激光器光波导厚度很薄(约1 m)，故而要求汇聚到腔表面的光斑应在微米量级，否则将会对测量结果有很重要影响。器件腔面的表面膜层为 SiO2，由于 Si的折射率与AlGaAs芯片折射率很接近(nSi=3.4、nALGaAs=3.5)，不会明显影响AlGaAs的光学性能。

如图3所示，激光器在不同注入电流条件下的腔面温度分布测量曲线。从图中可以看到，随着外加注入电流的增加，使得腔面反射率增大，探测器接收的光能量的不同证明，被测激光器腔面温度升高，且温度主要集中在有源区的很小一区域内，越靠近中心温度越高，并逐渐向两边扩散，并存在局部温度升高的特异点。实验结果表明，该方法对腔面温度变化的测量可以达到1度的精确度，可以很好满足大功率半导体激光器腔面特性的评价。

图3 有源区的温度变化Fig.3 Changes of active region temperature

4 结束语

对于激光器材料、结构及工艺水平的不断提高，其输出功率越来越大，这无疑对器件的温度特性，特别是腔面温度特性提出了更高的要求。因此，需要更深入地研究器件内部温升机理，特别是腔面复合吸收过程中温升所导致的热烧毁现象。基于上述原因，测量器件腔面上的温度分布具有重要的研究价值。本研究工作在激光器腔面温度测量方面已取得了初步进展，为器件温升的内部机理研究奠定了良好基础，可望实际用于大功率二极管激光器的腔面温度评价及性能优化研究。

[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，黄国庆，刘玉芳，等.一种利用激光并采用热电器件实现的实时测温系统[J].仪器仪表学报，2004，25(3)：288-293.

[5]蔡涛，段善旭，康勇.半导体器件热特性的光学测量技术及其研究进展[J].激光与光电子学进展，2008，6(45)：51-58.

[6]舒雄文，徐晨，徐遵图，等.808nm大功率半导体激光器腔面光学膜工艺.半导体学报，2005，26(3)：571-574.