CEO製造生產(chan) 了一係列的用於(yu) 高功率QCW的陣列產(chan) 品。這些產(chan) 品采用熱膨脹係數匹配熱沉技術以及硬封裝技術，進而最大限度的提高器件的可靠性。

這些產(chan) 品的壽命測試結果在這裏做了總結。這些測試量化了QCW陣列和相關(guan) 激光增益模塊的可靠性。這裏給出了原始的壽命測試數據，並對其進行了統計分析。這些結論對於(yu) 激光係統設計者是很有用的。

該壽命測試展示了這些陣列在不同的運行區域的高水平的可靠性。如單條陣列的MTTF發射次數預測可高達198億(yi) 次，四條陣列的MTTF發射次數也測可高達146億(yi) 次。另外，也對一個(ge) 大的泵浦源條件陣列的壽命進行了分析，可以看到預期的壽命為(wei) 135億(yi) 次發射次數。

這比在重複率低於(yu) 370Hz的運行條件預期的運行壽命高了10000個(ge) 小時。

1.引言

二極管泵浦固體(ti) 激光器（DPSS）被廣泛應用於(yu) 工業(ye) ，科研以及軍(jun) 事等領域。這些應用領域包括激光燒蝕，激光切割，激光焊接，激光測距，激光測探等許多用途。每一個(ge) 領域對DPSS激光器都有各種各樣的不同要求，如脈衝(chong) 能量，脈衝(chong) 寬度以及光束質量等等。

傳(chuan) 統上，高能量脈衝(chong) DPSS激光器是通過Q-開關(guan) 技術獲得。一般都是連續（CW）激光二極管陣列對激光介質如Nd:YAG棒或切片進行泵浦的。然而如果是利用準連續（QCW）激光二極管陣列泵浦的話，我們(men) 可以從(cong) 中獲得更多的優(you) 點。相比CW, QCW激光二極管陣列的峰值功率會(hui) 更高。另外，多個(ge) 高峰值功率QCW巴條封裝在同一個(ge) 區域。這些巴條就可以看作單個(ge) 的CW巴條，因為(wei) 每個(ge) 巴條在QCW模式運行時，更低的平均熱量損失。這些因素，再加上能夠組裝更加緊湊的二極管陣列，從(cong) 而可以在QCW模式運行下，獲得非常高的峰值功率。再者，QCW泵浦可以減少激光增益物質的熱量，從(cong) 而有效的降低熱聚束效應，提高激光的光束質量。

在以前，QCW泵浦方案的最大缺點在於(yu) 激光二極管陣列的壽命較短。今天，壽命超過10000小時的CW激光二極管陣列在工業(ye) 已經得到廣泛的生產(chan) 。這相當於(yu) 可以連續運行416天，並被認為(wei) 是所有DPSS係統可靠性的一個(ge) 指標。QCW激光二極管陣列能夠在高功率水平下運行的特性，使得它們(men) 備受激光設計者的青睞（典型下，是相應CW的2—3倍）。傳(chuan) 統上，這些激光二極管輸出麵上的巴條很容易遭遇光學突變破壞(COD)，從(cong) 而得不到應用。因此，為(wei) 了吸引激光係統設計者以及生廠商，COD必須得到有效的抑製，產(chan) 品也必須高於(yu) 10000小時的工作壽命。

NGCEO製造CW和QCW激光二極管巴條和陣列已經有十年多的曆史。NGCEO最近在陣列封裝技術和巴條製造過程取得了一些進展。進而NGCEO可以生長出壽命遠遠高於(yu) 工業(ye) 應用需求的QCW激光二極管陣列。

2. 高功率QCW陣列

 NGCEO擁有一係列的高功率QCW陣列家族。這些產(chan) 品都可以在要求高壽命（超過一年的連續運行時間）的場合中使用。在軍(jun) 事工業(ye) 等需求高功率，以及嚴(yan) 酷的工作環境要求[1]，發展了一整套的技術。這些產(chan) 品都應用了這些技術。獲得長壽命的QCW陣列，需要兩(liang) 個(ge) 條件：（1）高質量的激光二極管巴條和（2）基於(yu) 硬焊接的陣列封裝技術。結合這兩(liang) 個(ge) 條件，就可以獲得高可靠性的陣列。

2.1 QCW激光二極管巴條

NGCEO在絕大多數的QCW應用中，都使用83%填充（fill factor）的巴條。這種巴條是專(zhuan) 門設計用於(yu) 高功率運行的，在808nm處，輸出功率範圍可以達到：60-230W/bar。更高的波長情況可以獲得更高的輸出功率。在典型808nm運用下，功率以及效率關(guan) 於(yu) 電流的函數在圖1中給出。這些數據的采集參數為(wei) ：20Hz，150μs的熱傳(chuan) 導製冷底座。

圖1，NGCEO高功率QCW激光二極管巴條的功率以及效率關(guan) 於(yu) 電流的函數關(guan) 係圖

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2.2 硬焊接封裝技術

傳(chuan) 統QCW陣列壽命的主要限製因素在於(yu) 封裝激光二極管巴條過程中使用的步驟和材料。傳(chuan) 統中，軟焊接材料（例如，銦）在整個(ge) 陣列中的多個(ge) 位置上使用。使用軟焊料建立起來的陣列，由於(yu) 焊料緩變（solder creep）更容易導致封裝失敗。NGCEO在封裝方法上取得的進展，並誕生了Golden Bullet^TM生產(chan) 線。Golden Bullet^TM使用共熔合金AuSn作為(wei) 焊料和熱膨脹係數匹配的熱沉，進行封裝，有效的限製了焊料緩變不利因素，因此可以生產(chan) 處高得多的可靠性，和高壽命的巴條。

用於(yu) 這些器件的一般組裝方法，可見圖2。最開始二極管巴條被焊接在CuW熱沉（上麵覆蓋著AuSn焊料），經過一個(ge) 精心設計的適當的過程，得到低應力鍵和low-smile 巴條。這個(ge) 完成部分叫做底座巴條組裝體(ti) （MBA）。根據不同需求，MBA可以被單獨測試以及根據波長不同進行組裝。然後所有MBA焊接在一起，並附著在BeO的基底上，並由兩(liang) 個(ge) 端口，n- 和 p-結，便於(yu) 在二次加工中，進行連接，上述全部過程，就完成了Golden Bullet^TM封裝。Golden Bullet^TM可以被附著在標準的熱沉，也可以根據客戶的需求附著在其他熱沉上。他們(men) 都可以應用在水冷和熱傳(chuan) 導冷卻場合。

圖2. Golden Bullet^TM組裝過程示意圖

3. 壽命測試結果

用於(yu) 做壽命測試的兩(liang) 個(ge) 樣品分別為(wei) ：單條和四條Golden Bullet^TM。三片不同的晶片被用於(yu) 生產(chan) 樣品（所有三片不同晶片都用於(yu) 單條Golden Bullet^TM和四條Golden Bullet^TM）。表1，概括了相關(guan) 的測試參數。測試參數的選擇是基於(yu) 典型的Nd:YAG DPSSL泵浦情況。

表1 壽命測試參數總結

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兩(liang) 個(ge) 樣品都焊接在水冷熱交換器上，並NGCEO的源於(yu) NIST的激光二極管測試平台。NGCEO 自動壽命測試平台，這些器件在測試之前就燒在樣品上。驅動樣品的電流源為(wei) NGCEO eDrive激光控製器。壽命測試平台在每隔90分鍾（大概400百萬(wan) 的發射次數）對每個(ge) 器件的輸出功率進行測量的，數據以對數形式儲(chu) 存的。圖3，展示了測試結果。15個(ge) 四條樣品中的三個(ge) 樣品，由於(yu) 遭遇到毀滅性的破壞（所有這三個(ge) 都沒能發射800萬(wan) 次），因此這三個(ge) 樣品的測量數據不包括在展示的圖3中。因為(wei) 在生產(chan) 陣列過程中的初期致命性德樣品被排除在外了，所以數據展現了NGCEO器件的期望表現。

圖3：單條（上）和四條（下）Golden Bullet^TM工作電流為(wei) 110A的壽命測試數據

在2009 年12月份後半月，樣品已經采集了將近91億(yi) 發射次數的時間。二極管巴條都未經受COD（排除初期的致命傷(shang) ），所有的樣品都是緩慢衰老的。四條樣品的退化率更慢。因為(wei) 樣品代表了四根巴條的平均退化率，所有高的退化率巴條與(yu) 低的退化率巴條，相互之間會(hui) 抵消掉。

4. 可靠性分析

在激光二極管工業(ye) 中，關(guan) 於(yu) 器件失效有好幾種定義(yi) 。出乎這份分析的目的，在恒定的驅動電流下，器件的功率衰減了20%以上，即可定義(yi) 為(wei) 器件失效。因為(wei) 大多數樣品在截止在文章提交時並未失效，一種可接受的外延方法應用於(yu) 這份分析。大部分的退化率與(yu) 時間都呈現線性關(guan) 係。因此，在最後30億(yi) 發射次數的退化率用於(yu) 擬合，擬合得到的公式，用於(yu) 確定每個(ge) 樣品的失效時間點（TTF）。

利用統計分析軟件（Minitab^TM），對TTF數據進行分析。數據用四種分布（威布爾，基底為(wei) e的對數正態，指數分布，正態分布）公式在圖中畫出來。用以確定哪種分布，與(yu) 實驗數據更符合。選擇基底為(wei) e的對數正態分析單條和四條樣品的性質分析。圖4展示了最後的到的可靠性曲線，曲線至於(yu) 95%的置信區間。計算得到的MTTF值為(wei) ：單條樣品---198億(yi) 次，四條樣品---146億(yi) 次。NGCEO仍然在延續這個(ge) 測試實驗，用於(yu) 驗證實際的失效時間是否與(yu) 外延法得到的數據相符合。

圖4，單條（上）和四條（下）QCWGolden Bullet^TM工作電流為(wei) 110A的可靠線曲線

5. PowerPULSE^TM激光增益模塊

NGCEO利用自身的高功率QCW二極管陣列技術和激光增益模塊生產(chan) 線創造了PowerPULSE^TM係列激光增益模塊。這些增益模塊包含高壽命的QCW陣列（激光棒：Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄）,能夠產(chan) 生高於(yu) 1焦耳的脈衝(chong) 能量。PowerPULSE^TM激光增益模塊的樣品如圖5所示。

圖5，PowerPULSE^TM激光增益模塊。這些模塊包含高壽命的QCW激光二極管陣列和一個(ge) 激光棒。

PowerPULSE^TM激光增益模塊用於(yu) 包括多種熱交換器的高能係統中，每個(ge) 模塊中都包含多根巴條的QCW陣列，與(yu) 上麵壽命測試所用的四條樣品相類似。這些模塊典型的包含20 – 200 QCW激光二極管巴條不等。因此，講四條樣品陣列作為(wei) 一個(ge) 單獨的主題，進行分析會(hui) 很有趣。因為(wei) ，這個(ge) 代表在一個(ge) PowerPULSE^TM激光增益模塊中的激光二極管陣列。通過把在圖3中，各個(ge) 點的不同功率值相加，然後外延這些結果。我們(men) 得到圖6所示的結果：

圖6. 從(cong) 圖3中獲得的所有4巴條樣品的總得測量輸出功率。91億(yi) 次之前的數據室測量值，超過91億(yi) 次的數據是外延得到的。

如果講輸出功率衰減了20%作為(wei) 衡量失效時間的話，我們(men) 從(cong) 圖6，可以看出在一個(ge) 典型的PowerPULSE^TM激光增益模塊中的QCW陣列的失效時間大概為(wei) 135億(yi) 次發射次數。值得指出的是，這些陣列是為(wei) 了可靠運行在相當高的輸出功率而設計。因此，為(wei) 了獲得更長的使用壽命，隨著衰減的增加，我們(men) 可以適當的提高驅動電流值。

產(chan) 品運行壽命與(yu) 重複率之間的曲線關(guan) 係在圖7中給出。這些數據是基於(yu) 135億(yi) 次產(chan) 品壽命（圖6，分析四條Golden Bullet^TM的壽命），並且假設是連續運行（24小時/天，7天/周）的情況下給出的。因此，這個(ge) 圖可以作為(wei) PowerPULSE^TM激光增益模塊的使用指導。例如，在重複率為(wei) 100Hz，數據給出的模塊壽命時間為(wei) 1500天。在所有的重複率小於(yu) 370Hz的情況下，產(chan) 品的預期壽命到高於(yu) 416天（10000小時）。#p#分頁標題#e#

圖7，多條Golden Bullet^TM QCW激光二極管陣列組裝體(ti) 壽命與(yu) 重複率的曲線關(guan) 係圖。這是PowerPULSE^TM激光增益模塊生產(chan) 線的代表曲線圖。      

6. 結論

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics基於(yu) 自身的Golden Bullet^TM封裝技術以及高功率的QCW激光二極管條巴，發展了一係列的QCW激光二極管陣列產(chan) 品。這些產(chan) 品的代表性樣品經過了壽命測試，也表明了具有高壽命（單條的MTTF值為(wei) 198億(yi) 次，四條的MTTF值為(wei) 146億(yi) 次）。在整個(ge) 壽命測試過程中，所有的樣品都沒有發生突變，都是緩慢退化的。

NGCEO利用成功的高壽命QCW二極管陣列技術創造了QCW泵浦激光增益模塊（PowerPULSE^TM生產(chan) 線）。這些增益模塊能夠產(chan) 生高於(yu) 1焦耳的脈衝(chong) 能量。更重要的是，在所有的重複率小於(yu) 370Hz的情況下，產(chan) 品的預期壽命到高於(yu) 416天（10000小時）----工業(ye) 上標準的產(chan) 品壽命。因此，這些優(you) 點就可以通過脈衝(chong) 泵浦DPSS激光器獲得，並未犧牲產(chan) 品的壽命。