熱容型大功率半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)熱特性

賈冠男，堯　舜，高祥宇，蘭　天，邱運(yùn)濤，王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京　100124)

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熱容型大功率半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)熱特性

賈冠男，堯舜*，高祥宇，蘭天，邱運(yùn)濤，王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京100124)

為研究熱容型大功率半導(dǎo)體激光器在低環(huán)境溫度、高瞬時功率、長工作間歇時間條件下的應(yīng)用，建立三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型，通過有限元法計(jì)算得出熱沉三維尺寸對半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)熱特性的影響。選取尺寸為26.6 mm×11.5 mm×4 mm的熱沉進(jìn)行熱容型半導(dǎo)體激光器的封裝測試，獲得其在-20 ℃和-30 ℃環(huán)境溫度下連續(xù)工作3.5 s過程中有源區(qū)溫度隨時間的變化曲線，并與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，兩者在誤差范圍內(nèi)能夠很好地吻合。

激光器；半導(dǎo)體激光器；熱容型；瞬態(tài)熱特性

*Corresponding Author,E-mail:yaoshun@bjut.edu.cn

1　引　　言

大功率半導(dǎo)體激光器由于其電光轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)加工、激光醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域[1-4]。隨著功率的不斷增大，工作過程中激光芯片產(chǎn)生的大量廢熱已嚴(yán)重制約半導(dǎo)體激光器性能的進(jìn)一步提高[5]。熱量的積累會引起芯片有源區(qū)的溫升，導(dǎo)致激光器工作波長紅移，光譜展寬，閾值電流上升，壽命衰減[6-9]。目前主要采用水冷、風(fēng)冷和半導(dǎo)體致冷(TEC)等主動冷卻方式[10-12]，利用相應(yīng)的主動冷卻裝置，將芯片產(chǎn)生的廢熱及時有效地傳導(dǎo)到外界環(huán)境中。然而主動冷卻裝置的引入，無疑將增加整個激光器的體積和重量，降低激光器的穩(wěn)定性。在航天等特殊應(yīng)用中，對半導(dǎo)體激光器的體積、重量和穩(wěn)定性有嚴(yán)格限制，無法使用主動冷卻裝置進(jìn)行冷卻，且激光器工作在低溫環(huán)境中，瞬時功率要求很高，而工作間歇時間很長。……