定义
在鉴定、定期批量测试或老化中应用于激光二极管的各种测试程序。
激光二极管通常可以预期达到较长的使用寿命，通常为数万个工作小时。 然而，或者实际上只是为了达到如此高的可靠性，它们需要在各种情况下进行测试：
- 当开发和鉴定制造工艺时，特别需要许多测试，在这种情况下，涉及广泛的性能方面，例如阈值泵浦功率，最大输出功率，发射波长和带宽，发射的空间特性（例如两个方向上的光束发散角或完整的激光束表征）以及脉冲操作中的可能特性， 如时间脉冲形状。
- 当以后修改制造工艺时，例如关于激光二极管设计或某些工艺参数，或者如果引入了新的制造机器，可能必须再次执行类似的测试以确保一切正常。
- 当既定的制造工艺运行时，人们会定期挑选一些样品进行密集筛选，以确保一致的产品质量。
- 许多激光二极管在例如几十小时内进行生产燃烧，这应用于模型的所有制造二极管，主要是为了识别和去除那些无法达到所需性能或指定寿命的二极管，例如由于微观缺陷。 老化的另一个方面是，在以后的使用过程中，性能参数的变化较弱。 测试可以在老化程序（原位测试）期间进行，也可以在老化程序之后直接进行。
- 当发现应用中的问题时，人们可能希望测试特定的激光二极管。 但是，二极管可能位于远离制造现场的位置，并且那里可能没有全面的测试设备。
对于此类测试，已经建立了各种测试程序，并且有特定的测试系统，允许人们以一致，可靠和希望具有成本效益的方式应用这些测试。 这种测试系统主要用于激光二极管制造现场，激光用户较少使用。
建造测试设施和建立精确的测试程序的费用是巨大的，即使这是由经验丰富的人员完成的。 但是，这些活动对于实现具有高可靠性和使用寿命的一致性能至关重要。 请注意，缺乏可靠性可能会在某些应用领域产生严重后果；例如，考虑海底通信链路中光纤放大器的泵浦激光二极管故障。 制造过程中的好处也可能是巨大的，例如，在检测到之前避免制造许多有缺陷的激光器。
对于大量生产的激光二极管，尽管初始投资很大，但每个设备的费用可能相当小。
激光二极管测试的常见挑战和局限性
理想的半导体激光管测试系统将在短时间内以高精度和完美的可靠性评估所有可能的相关特性，并且具有高便利性和低成本，也涉及能耗。 不幸的是，由于各种原因，这是不现实的：
复杂性
实际的测试程序通常侧重于有限数量的性能方面。
需要一个相当复杂和昂贵的测试设施来提供或多或少完整的表征。 因此，人们通常将测试的方面限制在那些被认为必不可少的方面，并且很有可能发现违反规范。
例如，人们可能不会测试激光二极管的空间发射曲线，假设至少在满足中心规格的情况下是可以的。 然而，例如，人们可能会忽略二极管条中单个发射器的故障，这与慢轴方向上光束轮廓的某种失真有关。 应根据预期应用程序的要求和过去失败的经验来考虑测试应该走多远。
测试时间
虽然有些测试可以非常快速地执行 - 在几分之一秒内 - 特别是寿命和可靠性测试（见下文）可能需要很长时间。 在很大程度上，这可以通过加速寿命测试来缓解，但存在某些限制，如下所述。
即使测试其他方面，例如输出功率是否符合波长可调性，也可能需要大量时间，例如，如果需要在某个范围内改变器件温度。 请注意，某些问题可能仅在特定情况下发生，即对于某些参数组合；可调谐激光器尤其如此。
不仅测试本身需要时间，还可能还需要将被测试的激光二极管转移到测试系统中，包括正确的安装、电气连接、温度控制等。 通过将测试紧密集成到生产线中，可以最大限度地减少这些时间，但暂时比使用标准测试系统更昂贵。
测试条件
测试通常在精心控制的条件下进行，以避免可变的外部影响，从而难以解释结果。 但是，必须记住，激光二极管的实际操作在某些方面可能会有所不同，特别是在使用寿命和可靠性方面，这可能会产生重大影响。 实际上，人们可能会遇到更频繁的故障，例如由于电流尖峰（来自纯质量的半导体激光管驱动器）或由于连接二极管时的静电放电。 另一方面，当二极管以较低的额定输出功率或在较低温度下工作时，寿命可能比规定的寿命长得多。
激光二极管测试的常用方法
寿命和可靠性测试 – 使用加速老化
激光器的使用寿命和可靠性是应用的一些关键特性，因此需要仔细优化和测试，例如在质量控制的背景下。 可能会发生不同的故障方式：
故障可能以持续退化或瞬间完全损坏的形式发生，恕不另行通知。
- 一些激光器表现出稳定的效率和输出功率下降，直到输出功率不足以满足应用。 虽然在恒定功率模式下工作（具有闭合反馈环路，例如基于内部光电二极管和驱动电流调节）可以抑制功率的降低，但最终器件将达到无法在可接受的驱动电流水平下实现所需输出功率的点。 各种物理机制都可能导致这种行为 - 例如，半导体晶格中位错的增长，氧化导致输出面的退化，金属扩散引起的电极结构退化，电键的降解和散热器的降解。
- 在其他情况下，人们观察到即时完全失败，这通常涉及某种失控效应。 例如，输出面可能存在灾难性的光学损伤（COD），其中最初的小缺陷导致光吸收增加，这反过来又增加了损伤和吸收，从而在短时间内发生完全损坏。 对于针对高亮度进行优化并在额定最大电流附近或高于额定最大电流和/或在高温下工作的边缘发射激光器，尤其存在这种风险。
一些失效机制或多或少是系统性的，并且对于特定模型的所有制造激光器以相似的速率发生。 最终故障的可能性随着运行时间的增加而增加，对驱动电流和温度等运行参数产生重大影响。 在相对较长的手术时间之后，由于稳定降解（例如刻面逐渐氧化，最终进入破坏性失控效果），可能会发生突然的完全损坏。 在其他情况下，由于制造过程中产生的微观缺陷甚至存在于使用的半导体晶片中，它发生在早期（作为“婴儿死亡率”）。 人们通常会发现，由于这种效应，一小部分制造的激光器会在早期死亡，而其他大多数激光器的寿命要长得多。
绘制故障概率与运行时间的关系，通常得到典型的“浴缸曲线”：前一百小时频繁故障，此后数小时可靠性高得多（随机故障率低），最后在达到通常的使用寿命时由于磨损而发生故障的可能性增加。 定量预期寿命，例如平均故障间隔时间（MTBF），也可以根据某些模型从这些参数计算出来。
加速老化有助于更快地测量寿命 - 但并非没有全面的准备和一些剩余的不确定性。
寿命测试和可靠性测试自然是耗时的。 显然，在确认符合规格并且可以继续制造过程之前，对激光二极管徽章进行数千小时的测试是不切实际的。 即使是占用昂贵的测试设施这么长时间也是不可接受的。 因此，加速老化的方法被广泛应用——通常实施为故意在大幅升高的温度下操作激光二极管，其中某些老化过程已知比正常情况进展得更快。 在许多情况下，已知衰老速度遵循指数定律，即与exp（E一个 / kB T)哪里E一个被称为活化能，kB是玻尔兹曼常数，T是工作温度。 然后，通常调整器件温度和测试条件，使老化以比正常速度快几个数量级的速度发生，从而更快地看到二极管的性能（例如光输出功率）和完全故障。
加速老化也可以在老化期间使用：它允许人们在更短的时间内识别缺陷激光器，以便可以去除这些激光器，并且交付的激光器表现出相应的更高可靠性。
不幸的是，加速衰老在所有方面都不是完全简单和可靠的：
- 在实践中，首先需要建立指数定律和相应的活化能。 这需要大量的测试，其中一些必须在相当长的时间内完成。 毕竟，活化能通常不是先验已知的。
- 可能存在表现出不同行为的其他降解过程，因此无法通过加速老化测试准确评估。 例如，刻面的灾难性光学损伤在很大程度上取决于光学强度，由于激光效率降低，在高温测试期间光学强度可能相对较低。
- 另一个问题是，在高温下操作不仅会改变发射波长，而且通常还会降低功率转换效率，或者（对于强烈的温度升高）甚至根本不允许激光。 人们仍然可以使用流过激光二极管但没有激光的电流进行测试；那么问题来了，缺失的光学强度是否会对老化和可靠性产生任何深远的影响。 它很可能会产生这样的影响，因为众所周知，激光输出面的灾难性光学损伤是一种常见的故障模式。 在某些情况下，人们会定期将被测二极管带到较低的温度，以便在短时间间隔内进行常规的L-I-V测试（见下文），但这当然不仅仅是基于光学强度的老化。
总之，虽然加速老化方法可以节省很多时间，但它仍然需要大量的时间来建立测试，并且仍然存在各种不确定性。
测试条件通常在某种程度上是人为的——这是正确的，但在某种程度上限制了测试结果的意义。
另请注意，实际实现的使用寿命和可靠性可能取决于各种外部条件，例如工作温度（其本身可能受到冷却细节的影响，例如冷却水的化学成分可能导致冷却水通道退化）、光反馈的发生，以及由处理或电网干扰引起的电压尖峰。 由于这些条件在测试地点和实际应用中的情况之间可能大不相同，因此通常会在测试过程中尽量减少任何干扰影响，但应该记住，如果条件不完美，实际生活中的可靠性和寿命可能会差得多。
停电可能是一个真正的麻烦！
另一个潜在的问题是由于停电（停电）而导致的测试变质，特别是在电力基础设施较差的国家。 使用基于可充电电池的不间断电源可以相对容易地保护低功率二极管的测试，但必须确保测试设备能够处理可能仍然发生的电源电压不连续性。 （最好将电池组和电源稳定集成到设备中，制造商对整个系统负责。 为了测试大功率二极管，特别是当其中许多二极管并联测试时，具有数小时电池供电操作能力的不间断电源可能会变得过于昂贵。 然后，至少应该能够保护测量数据，并在电源恢复时继续测试。 否则，可能会损失大量时间和经过测试的激光器。
L–I–V 表征
L–I–V（或LIV）表征意味着光输出功率和二极管触点两端的电压作为结电流的函数进行测量。 光-电流-电压的缩写L-I-V很常见，但实际上很尴尬：L一表示发射光的功率P，电压的官方公式符号实际上是U而不是V。 因此，P-I-U测试（或者可能是功率-电流-电压的P-C-V）实际上更合适，但并不常见。
图1：高功率半导体激光管的 L–I–V 曲线。虽然光功率仅在阈值电流以上变得很大，但电压降随着电流的增加而稳步增长。
对于L–I–V测量，使用恒定电流源（无论遇到的电阻如何，都强制执行一定的电流），连接到半导体激光管引脚，并联连接的电压表和光功率计。 后者可以通过积分球和光电二极管来实现，其中前者导致测量功率对空间发射特性（可能取决于驱动电流）不敏感。 （这些方面当然不适用于光纤耦合二极管激光器。 理想情况下，所使用的光电探测器应表现出较弱的波长依赖性，因为发射波长可以在一定范围内变化。
可以获得半导体激光管的以下关键特性：
- 有一定的阈值电流，低于该阈值电流就没有激光操作。 光输出功率不是低于阈值的完全零，而是相当低。 阈值的确切值可以确定为达到某个低功率水平时的值，或者通过对较高电流的值进行线性向下外推来确定更好。 结果的良好可重复性很重要。
- 最大输出功率通常是根据最大驱动电流获得的，尽管在某些情况下并非如此。
- 斜率效率（以W/A为单位）可以计算为最大输出功率除以最大电流和阈值电流之差，尽管这仅在曲线接近线性时才有意义。
- 测量的压降也可能令人感兴趣，例如用于检测某些异常。 为了获得可靠的结果，需要明确的电触点。 理想情况下，一个使用四线制系统，其中两根线用于施加测试电流，另外两根线用于测量电压。
通常，测量结果（和温度稳定）的高精度是可取的，因此很明显，略微下降或上升的值是由于被测二极管的变化而不是测量系统的漂移。
自动化 L–I–V 检定系统具有各种方便的功能：
- 它们可以将驱动电流从零快速斜坡上升到适当的最大值，有时在不到一秒的时间内提供所有数据。 （请注意，半导体激光管的稳态输出功率很快就会达到。 这对于测试尚未配备冷却功能的激光器特别有用。 还可以在不同水平上应用多个矩形电流脉冲，上升和下降时间小，占空比低。 （低占空比还具有以下优点：由于内部电容器用于储能，测试设备不需要强大的电源。 请注意，必须确保高精度，这可以为可实现的测量时间设置限制。
- 多功能器件可以在很宽的电流和光功率范围内进行此类测试，但通常不是从最低功率二极管到高功率二极管条甚至二极管堆栈的全范围。 然而，人们可能会期望，单个系统至少适用于各种功率的二极管条，而另一个系统可能适用于许多低功率激光器。
- 在生产链的不同阶段，为激光测试提供一系列安装选项可以很方便：激光芯片和封装激光器。
- 结果可以以图形形式显示在屏幕上（在测试设备中或连接的计算机上），以及一些关键参数，如阈值电流、最大输出功率和斜率效率。
- 测量数据不仅可以直接显示以通知操作员，还可以传输到计算机（例如通过USB接口）；然后可以存储数据，同时保持与特定设备的关联，并以其他形式输出，例如作为数据表打印在可以贴在设备上的小标签上。 对于异常结果，可能会发出自动警告信号。 连接的计算机也可用于设置所有测试参数（避免容易出错的手动设置）。
- 测量可以在非常受控的条件下进行，包括设备温度。 例如，可以如此快速地执行测量，以至于内部设备温度不会明显偏离室温，而室温本身是稳定的。 或者，二极管可以安装在温控金属散热器上，并且系统可以在不同的温度下进行测量。
- 测量发射波长甚至全发射光谱作为电流和/或温度的函数也是有价值的。
- 为了快速表征多个激光器，一些系统能够同时表征大量激光二极管。 请注意，对于具有统计意义的结果，始终需要测试足够多的设备。 合适的统计算法可以在相应的软件中实现，无论是在测试系统中还是在用户负责的外部。
虽然L-I-V测试的基本原理很简单，但考虑到许多理想的细节和所需的精度，总的来说，这个问题可能很复杂。 因此，尽管成本高昂，但使用专用的高质量激光测试仪器通常是一个很好的解决方案。 尽管如此，至少要在制造环境中进行可靠的测试，还需要大量经验。
L-I-V测试不仅可以应用于完全封装的激光器，还可以应用于制造的早期步骤，以便及早识别潜在问题，并避免对有缺陷的激光芯片进行不必要的进一步处理（这在很大程度上增加了制造成本）。 例如，边缘发射激光器可以在切割半导体晶圆并涂覆端面后直接进行第一次测试。 对于像VCSEL这样的表面发射半导体激光器，可以更轻松地进行测试。
光谱
激光发射的光谱与许多应用有关。 例如，基于Nd：YAG等典型激光晶体的二极管泵浦激光器具有相对窄带的泵浦吸收特性。 因此，中心波长和/或更宽光谱的漂移会严重影响泵浦吸收效率，从而影响激光性能。
因此，使用某种光谱分析仪表征光谱非常重要。 对于多模激光器，应该记住，激光器所有部分的发射光谱不一定相同，例如二极管条的不同发射器。 通常，人们会尝试收集用于光谱分析的信息，以便收集大部分发射光，尽管有必要为光谱仪提供足够的光衰减。
对于波长可调谐激光器，通常需要记录输出波长不同设置的光谱，例如，为了验证整个调谐范围并在整个范围内平滑调谐。 温度变化的影响也可能是相关的，除非设备被指定在恒温下运行。 特别是对于单频激光器，可能需要检查无多跳调谐。 此类任务需要专门的表征设置。
空间发射剖面图
在某些情况下，激光二极管的空间发射曲线非常令人感兴趣，例如，用于跟踪二极管条的单个故障发射器的问题，或者当需要高度均匀的照明时。 近场和远场属性都可能令人感兴趣：
- 没有任何光学元件，例如用于光束准直，激光二极管的输出通常是强发散的，并且在中等距离内产生的强度分布基本上由远场模式决定，即由辐射的角度分布决定。 例如，二极管条的单个发射极的故障通常不会产生非常明显的影响，因为该发射极的普通发射线圈会与其他发射器的发射线圈强烈重叠。 这意味着无法以这种方式可靠地识别缺陷发射器。
- 如果辐射被准直并再次聚焦，激光二极管输出端的近场图通常会在光束焦点处重新出现，包括来自缺陷发射器的特征。 （虽然缺陷在准直光束中不可见，但在通过光学系统的过程中并没有被“遗忘”。 由于激光应用通常涉及辐射聚焦，因此此类缺陷可能非常相关。
因此，很明显，空间光束剖面的全面表征应使用合适的光学元件同时解决近场和远场问题。 尽管如此，通常无法实现完整的空间表征，特别是对于多发射器激光器，其中可能会出现复杂的现象，例如不同发射器之间的部分相干性（特别是在光学反馈条件下），并且发射模式可能会随着驱动电流或其他条件的变化而发生重大变化。 对于基本上衍射受限的低功率单发射器，遇到的情况要简单得多，其中不寻常的发射模式基本上只有在刻面损坏的情况下才会发生。
脉冲特性
虽然许多半导体激光管用于连续波操作或准连续波操作，但也有脉冲半导体激光管，例如基于增益切换技术来产生皮秒脉冲（→皮秒二极管激光器）。 然后可能需要测量太阳穴轮廓，即输出功率与脉冲期间时间的函数关系。 为此，通常会使用非常快的光电二极管，可能带有光衰减器。
对于具有相应更高能量的较长脉冲，脉冲期间结温的升高可能会导致频率线性调频，即时间相关的发射频谱。 光谱仪通常不适合监测这些细节。
