熱容型大功率半導體激光器瞬態熱特性

賈冠男，堯　舜，高祥宇，蘭　天，邱運濤，王智勇

(北京工業大學 激光工程研究院，北京　100124)

?

熱容型大功率半導體激光器瞬態熱特性

賈冠男，堯舜*，高祥宇，蘭天，邱運濤，王智勇

(北京工業大學 激光工程研究院，北京100124)

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

激光器；半導體激光器；熱容型；瞬態熱特性

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

1　引　　言

大功率半導體激光器由于其電光轉換效率高、結構緊湊等突出優點，被廣泛應用于軍事、工業加工、激光醫療、光通信等領域[1-4]。隨著功率的不斷增大，工作過程中激光芯片產生的大量廢熱已嚴重制約半導體激光器性能的進一步提高[5]。熱量的積累會引起芯片有源區的溫升，導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、風冷和半導體致冷(TEC)等主動冷卻方式[10-12]，利用相應的主動冷卻裝置，將芯片產生的廢熱及時有效地傳導到外界環境中。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，降低激光器的穩定性。在航天等特殊應用中，對半導體激光器的體積、重量和穩定性有嚴格限制，無法使用主動冷卻裝置進行冷卻，且激光器工作在低溫環境中，瞬時功率要求很高，而工作間歇時間很長。此時，依靠熱導率高、比熱容大的熱沉進行被動冷卻的熱容型半導體激光器應運而生。熱容型半導體激光器工作時，芯片產生的熱量被傳導并儲存在熱沉中，從而保證其在合適的溫度范圍內穩定工作。激光器工作間歇過程中，熱沉中的熱量通過熱輻射的方式傳導到外界環境中。

目前國內外對于熱容型半導體激光器的研究報道很少。本文建立了熱容型半導體激光器的三維瞬態熱傳導模型，利用有限元法研究熱沉三維尺寸對半導體激光器瞬態熱特性的影響，從而指導熱沉結構的優化；對指定熱沉尺寸與環境溫度的熱容型半導體激光器的熱特性進行了數值計算與實驗測試，驗證了該數值模型的正確性。

2　數值計算

半導體激光器的廢熱來源有多種[13-14]，其中對芯片有源區溫升起決定性作用的是有源區內部由于非輻射復合、輻射吸收以及自發輻射吸收等因素產生的熱量，因此本模型只考慮了該項熱源。有源區內部熱功率密度為[15]：

(1)

式中da為有源區的厚度，Vj為結電壓，jb為注入電流密度，jth為閾值電流密度，ηsp=0.6、ηi=0.9、ηex=0.7、f=0.62分別表示自發輻射量子效率、內量子效率、微分量子效率及逃逸系數。

半導體激光器工作時，滿足瞬態熱傳導微分方程[16]：

(2)

式中，C為單位體積材料的比熱，k為熱傳導系數，g為體發熱率。

忽略工作過程中半導體激光器的自然對流與熱輻射，考慮其在絕熱的條件下工作，有源區產生的熱量最終全部存儲在熱沉和芯片中。在初始條件下，芯片與熱沉的溫度為環境溫度。

為滿足實際需求，選用輸出功率為80 W的半導體激光陣列芯片，工作電流為80 A，中心波長為980 nm。芯片尺寸為10 mm×2 mm×135 μm，發光單元周期為500 μm，條寬100 μm。芯片P面向下燒結在熱沉上。為減小計算量，本模型對芯片結構做了合理簡化。半導體激光器熱傳導結構及其整體結構如圖1和圖2所示。表1為計算用到的各種材料的物理參數。

圖1　半導體激光器熱傳導結構

圖2　半導體激光器整體結構示意圖

材料熱導率/(W·m-1·K-1)熱容/(J·m-3·K-1)密度/(kg·m-3)GaAs553305500AlGaAs12.13574852InGaAs7.23365389GaAsP153505084Au30013219320In83.72397310Cu4003858960

保持芯片規格不變，建立不同熱沉尺寸的熱容型半導體激光器三維瞬態熱傳導模型。設定環境溫度為0 ℃，利用有限元法計算激光器工作3.5 s時有源區的最高溫度及激光器停止工作10 s后有源區的最終溫度。分別研究熱沉厚度、寬度、長度對有源區最高溫度及最終溫度的影響。表2為計算選取的熱沉尺寸，圖3為計算結果。

計算結果表明，隨著熱沉厚度的增加，有源區的最高溫度和最終溫度逐漸降低。當厚度大于8mm時，最高溫度隨厚度的變化曲線趨于平穩。增加熱沉的寬度可以降低有源區的最高溫度和最終溫度，但是當寬度大于12.5 mm時，它對最高溫度的影響減弱。有源區最高溫度和最終溫度隨著熱沉長度的增加而降低，當長度超過22 mm后，最高溫度基本保持不變。

表2　計算選取的熱沉尺寸

圖3熱沉三維尺寸對有源區熱特性的影響。(a)厚度；(b)寬度；(c)長度。

Fig.3Effects of heat sink 3-D sizes on active region thermal characteristics.(a)Thickness.(b) Width.(c) Length.

根據實際要求，最終確定熱沉的尺寸為26.6 mm×11.5 mm×4 mm。計算激光器工作3.5 s、再停止工作10 s過程中有源區溫度隨時間的變化，計算結果如圖4所示。工作3.5 s時，有源區最高溫度為85.3 ℃；停止工作10 s后，有源區溫度降為51 ℃，此時芯片與熱沉之間達到熱平衡。

圖4有源區溫度曲線

Fig.4Active region temperature curve

3　實驗測試與討論

將封裝好的熱容型半導體激光器置于恒溫箱中，由恒溫箱提供恒定的環境溫度。考慮到航天應用中的環境溫度通常在-20～-30 ℃之間，因此分別選取-20 ℃和-30 ℃條件下進行實驗測試。由于芯片有源區溫度無法直接測量，本文采用波長紅移法間接測量有源區溫度[17]。計算方法為：

(3)

式中，λt1和λt2分別為t1時刻和t2時刻半導體激光器的中心波長，ΔT為t2時刻相對于t1時刻有源區的溫升，α為溫漂系數。

為獲得該芯片的溫漂系數，我們在Lastip軟件中建立芯片的外延結構模型，計算不同有源區溫度下的輸出波長，結果如圖5所示。最終得到該芯片的溫漂系數為0.31 nm/℃。

使用帶有自動讀取與儲存數據功能的光譜儀測量激光器的工作波長，每0.1 s讀取記錄一次，用以計算有源區的溫度。

圖5芯片的溫漂系數

Fig.5Wavelength shift coefficient of laser bar

分別測量-20 ℃和-30 ℃環境溫度下半導體激光器工作3.5 s過程中有源區溫度隨時間的變化。兩種環境溫度下各測量兩次，每次測量之間間隔1 h，以確保激光器充分冷卻。圖6為兩種環境溫度下的實驗測試結果與數值模擬結果。

在-20 ℃環境溫度下，兩次測試激光器工作3.5 s時有源區的溫度分別為72.2 ℃和70.4 ℃，數值計算有源區溫度為65.3 ℃。兩次測試結果與數值計算的誤差分別為9.6%和7.2%，在誤差允許范圍之內。當激光器工作2.9 s時，數值計算的有源區溫度超過55 ℃，所以為保證激光器長期穩定工作，在-20 ℃環境溫度下，激光器每次工作時間應不超過2.9 s。

在-30 ℃環境溫度下，兩次測試激光器工作3.5 s時有源區的溫度分別為59.5 ℃和58.8 ℃，數值計算有源區溫度為55.3 ℃。兩次測試結果與數值計算的誤差分別為7.1%和6.0%，在誤差允許范圍之內。當激光器工作3.5 s時，數值計算的有源區溫度超過55 ℃，所以為保證激光器長期穩定工作，在-30 ℃環境溫度下，激光器每次工作時間應不超過3.5 s。

由圖6可知，在兩種環境溫度下，實驗測試結果與數值計算結果吻合得很好，說明采用本文所建立的數值模型來模擬熱容型半導體激光器的熱特性是可行的。實驗測試所得的有源區溫度略高于數值計算結果，是因為模型中忽略了芯片中除有源區外其他各層材料的發熱量和焊接界面熱阻等因素對有源區溫升的影響。

圖6激光器工作3.5 s過程中的有源區溫度曲線。(a) 環境溫度-20 ℃；(b)環境溫度-30 ℃。

Fig.6Active region temperature curve during laser works 3.5 s.(a) Environment temperature -20 ℃.(b)Environment temperature -30 ℃.

4　結　　論

數值計算和實驗測試的結果表明，對于低環境溫度、高瞬時功率、長工作間歇時間的應用領域，熱容型大功率半導體激光器的應用是可行的，本論文建立的數值模型可以很好地模擬其熱特性。本研究采用的熱容型半導體激光器在-20 ℃和-30 ℃環境溫度下穩定工作時，每次工作時間分別不超過2.9 s和3.5 s。本研究對熱容型半導體激光器的理論研究與實際應用具有重要的參考價值。

[1]王立軍,寧永強,秦莉,等.大功率半導體激光器研究進展 [J].發光學報,2015,36(1):1-19.

WANG L J,NING Y Q,QIN L,et al..Development of high power diode laser [J].Chin.J.Lumin.,2015,36(1):1-19.(in Chinese)

[2]TIMMERMANN A,MEINSCHIEN J,BRUNS P,et al..Next generation high-brightness diode lasers offer new industrial applications [J].SPIE,2008,6876:68760U.

[3]馬驍宇,王俊,劉素平.國內大功率半導體激光器研究及應用現狀 [J].紅外與激光工程,2008,37(2):189-194.

MA X Y,WANG J,LIU S P.Present situation of investigations and applications in high power semiconductor lasers [J].Infrared Laser Eng.,2008,37(2):189-194.(in Chinese)

[4]WU M C,OLSSON N A,SIVCO D,et al..A 970 nm strained-layer InGaAs/GaAlAs quantum well laser for pumping an erbium-doped optical fiber amplifier [J].Appl.Phys.Lett.,1990,56(3):221-223.

[5]武斌,李毅,胡雙雙,等.非制冷980 nm半導體激光器封裝設計與熱特性分析 [J].中國激光,2009,36(4):799-803.

WU B,LI Y,HU S S,et al..Design and thermal characteristics analysis of uncooled 980 nm semiconductor laser packaging [J].Chin.J.Lasers,2009,36(4):799-803.(in Chinese)

[6]王文,高欣,周澤鵬,等.百瓦級多芯片半導體激光器穩態熱分析 [J].紅外與激光工程,2014,43(5):1438-1443.

WANG W,GAO X,ZHOU Z P,et al..Steady-state thermal analysis of hundred-watt semiconductor laser with multichip-packaging [J].Infrared Laser Eng.,2014,43(5):1438-1443.(in Chinese)

[7]ROSSIN V,PETER M,ZUCKER E,et al..Highly reliable high-power broad area laser diodes [J].SPIE,2006,6104:610-407.

[8]WITZIGMANN B,HYBERTSEN M S.A theoretical investigation of the characteristic temperature T0for semiconductor lasers [J].IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,2003,9(3):807-815.

[9]KOBAYASHI T,FURUKAWA Y.Temperature distributions in the GaAs-AlGaAs double-heterostructure laser below and above the threshold current [J].Jpn.J.Appl.Phys.,1975,14(12):1981-1986.

[10]王祥鵬,梁雪梅,李再金,等.880 nm半導體激光器列陣及光纖耦合模塊[J].光學 精密工程,2010,18(5):1021-1027.

WANG X P,LIANG X M,LI Z J,et al..880 nm semiconductor laser diode arrays and fiber coupling module [J].Opt.Precision Eng.,2010,18(5):1021-1027.(in Chinese)

[11]CHIN A K,NELSON A,CHIN R H,et al..Copper-based micro-channel cooler reliably operated using solutions of distilled-water and ethanol as a coolant [J].SPIE,2015,9348:93480Y.

[12]張志軍,劉云,付喜宏,等.激光二極管合束模塊整體散熱熱阻分析 [J].中國激光,2012,39(4):0402010-1-5.

ZHANG Z J,LIU Y,FU X H,et al..Analysis on overall thermal resistance of laser diode beam combined modules [J].Chin.J.Lasers,2012,39(4):0402010-1-5.(in Chinese)

[13]VAN DER ZIEL J P,Chand N.High-temperature operation (to 180 ℃) of 0.98 μm strained single quantum well In0.2Ga0.8As/GaAs lasers [J].Appl.Phys.Lett.,1991,58(13):1437-1439.

[14]魯鵬程,崔碧峰,李建軍,等.隧道再生大功率半導體激光器瞬態熱特性研究 [J].中國激光,2004,31(5):518-522.

LU P C,CUI B F,LI J J,et al..Transient thermal characteristic analysis of tunnel regeneration high-power semiconductor laser [J].Chin.J.Lasers,2004,31(5):518-522.(in Chinese)

[15]張建偉,寧永強,張星,等.基于載流子注入產熱機制的半導體激光器熱模型分析 [J].中國激光,2012,39(10):1002003-1-8.

ZHANG J W,NING Y Q,ZHANG X,et al..Analysis of thermal model based on the carrier injection mechanisms within the semiconductor laser [J].Chin.J.Lasers,2012,39(10):1002003-1-8.(in Chinese)

[16]張曉波,高鼎三.InP/InGaAsP條形半導體激光器中的瞬態溫度特性理論計算 [J].半導體學報,1989,10(5):362-367.

ZHANG X B,GAO D S.Transient thermal effects calculation in InP/InGaAsP stripe geometry semiconductor laser diode [J].Chin.J.Semiconduct.,1989,10(5):362-367.(in Chinese)

[17]袁振邦,王警衛,吳迪,等.大功率半導體激光器陣列的穩態和瞬態熱行為 [J].中國激光,2009,36(8):1957-1962.

YUAN Z B,WANG J W,WU D,et al..Static and transient thermal behavior of high power semiconductor lasers [J].Chin.J.Lasers,2009,36(8):1957-1962.(in Chinese)

賈冠男(1988-)，男，河北石家莊人，博士研究生，2011年于武漢工程大學獲得學士學位，主要從事大功率半導體激光器封裝散熱方面的研究。

E-mail:jiaguannan@emials.bjut.edu.cn

堯舜(1979-)，男，重慶人，博士，副研究員，2006年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事大功率半導體激光系統集成方面的研究。

E-mail:yaoshun@bjut.edu.cn

Transient Thermal Characteristics of Heat Capacity High Power Diode Lasers

JIA Guan-nan,YAO Shun*,GAO Xiang-yu,LAN Tian,QIU Yun-tao,WANG Zhi-yong

(Institute of Laser Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

To investigate the application of heat capacity high power diode lasers under the condition of low temperature,high transient power and long interval working time,a 3-D transient thermal model was established.By adopting the finite element analysis,the effect of 3-D sizes of the heat sink on the transient thermal characteristics of diode laser was calculated successfully.According to the simulation results,the heat sink with dimension of 26.6 mm×11.5 mm×4 mm was chosen to package the heat capacity diode laser,and the experiments of the diode laser working 3.5 s continuously under -20 ℃ and -30 ℃ were carried out respectively.Eventually,the temperature curves of the active region were obtained and demonstrated a good consistence with the simulation results.

laser; diode laser; heat capacity; transient thermal characteristic

1000-7032(2016)04-0422-06

2015-12-24；

2016-01-17

北京市委組織部優秀人才培養計劃(2012D005015000005); 北京市教委項目(KM201110005017)資助

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163704.0422