论文部分内容阅读
半导体激光器（Diode Laser，简称LD）作为一种新型的激光光源，因其具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，目前广泛应用于工业、军事、科研等领域。随着半导体激光器输出功率的不断提高，不可避免的造成热积累相应的提高，热量的积累将引起激光器有源区的温升，导致激光器的寿命的降低、工作波长的红移和光谱的展宽。此外，随着结温的升高，激光器阈值电流呈指数形式增长，而斜率效率和功率呈指数形式下降。为了将有源区的热量及时有效的传导到外界环境中，目前主要采用水冷、风冷和半导体致冷器(TEC)冷却等主动冷却的形式进行散热，而主动冷却装置无疑将增加整个激光器系统的体积和重量，这使其无法应用在一些对体积、重量具有严格限制的特殊领域。因此在特殊应用条件下，依靠热导率高、比热容大的热沉进行被动冷却的激光器（热容型半导体激光器）应运而生。本文对半导体激光器热行为进行深入的研究和探讨，获得在无主动散热条件下激光器的工作极限，进而对激光器的散热结构进行优化，最终获得能够在特定工作条件下稳定工作的，紧凑型无主动散热高功率半导体激光器。此项研究具有重要的理论和实际意义。 在本论文中，首先从半导体激光器工作的机理出发，对大功率半导体激光器的热损耗机理进行分析，理论上得到了温度对大功率半导体激光器工作特性的影响，并利用有限元软件模拟计算在绝热条件下，热沉尺寸对激光器热特性的影响。在实际需求条件下，所模拟热沉的尺寸与微通道热沉的尺寸相当。当热沉的长度大于一定值时，进一步增加热沉的长度对激光器瞬态热特性影响较小。本论文所设计热沉长度较长，热沉长度的增加对激光器瞬态热特性的影响较小，而随着热沉宽度和厚度的增加激光器有源区的温升会随之降低。但当宽度和厚度的尺寸达到一定时，其对激光器热特性的影响程度减弱。基于模拟计算的结果和激光器长寿命工作需求，优化获得热沉的尺寸为26.6mm×11.5mm×4mm。 其次，对于处于连续工作状态的半导体激光器，基于ANSYS软件模拟计算激光器在低温、绝热的条件下，激光器主要依靠热导率高、比热容大的铜热沉进行被动冷却时的温度特性。得出激光器在工作3.8s时有源区的温升约为89.5℃。 最后，实际制备获得基于优化结构的半导体激光阵列模块，并在低温下对其进行热特性测试，测试结果与理论结果符合较好，验证了所设计的紧凑型无主动散热半导体激光器，在特定低温条件下工作的可行性，为今后在此基础上集成获得应用于特殊领域、更高功率的半导体激光器提供了理论与实验支撑。