一種半導體激光器溫度控制技術

金阿立 周斌 喬顯金

摘 ?要：針對大功率激光器工作時的熱耗散，討論了溫度控制原理，通過定量計算研究了半導體制冷器（TEC）的選擇、散熱片的選擇，給出了制冷器與散熱片的組裝工藝，并結合具體實例分析了溫控方案的技術指標，為工程實踐提供了技術參考。

關鍵詞：半導體激光器 ?半導體制冷器 ?溫度控制

中圖分類號：TN248.4 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0034-04

半導體激光器工作溫度范圍一般在-10°～50℃之間，若高于或低于這個溫度域，激光器可能會因溫度過高而受到損壞，或因溫度過低而停擺[1-4]。因此大功率激光器需要進行溫度控制，使其在規定溫度條件下工作，這對于延長激光器受命，提高其可靠性具有重要意義。有多種可供參考的激光器工作溫度控制方法，如水循環冷卻、風冷卻及電冷卻（即半導體制冷）等。水冷效率高、速度快，但需要體積和重量龐大的壓縮機和水泵，工作噪聲大，通常只在實驗室使用;風冷效率低，效果不好，不能滿足大散熱要求;電制冷體積小、效率高，能夠將溫度控制到環境溫度以下，自加熱自制冷，可靠性較高，溫度控制精度可達±0.1℃，且對環境要求不高，適合激光夜視監控系統等野外條件使用。

1 ?半導體制冷器的選擇

半導體制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）是利用半導體材料的帕爾貼效應制成的。通過改變電源輸出電流，控制制冷片輸出功率，半導體制冷片的抽運功率和冷端的制冷是靠調節加在兩端的電流來控制的（在額定功率范圍內，超出額定功率，半導體制冷片將會是另外的一個熱源），其計算非常復雜，與負載、冷熱端溫度以及二級散熱的效果有關，一般均采用閉環控制系統[5]。

激光器工作時，當其表面溫度高于環境溫度，就會以對流和輻射的形式向環境散熱，如果電致發熱量高于散熱量則熱沉會繼續升溫，使散熱量繼續加大，直到與LD發熱量相等為止，此時激光器具有最高溫度。

2 ?半導體BAR與散熱片的組裝

影響散熱片散熱性能的指標主要有材料、有效散熱面積、鰭片數量、散熱片形狀等[6]。散熱材料現在主要使用銅和鋁兩種，比它們導熱率更好的金屬材料還有銀。上述兩種材料比起來，銅的導熱率比較高，導熱效果僅次于銀，重量較重，但成本也高于鋁材料;鋁材料的散熱片早已形成一定的商業規模。從成本和散熱量而言，使用鋁散熱完全滿足要求。從散熱片到空氣之間的熱傳遞主要有3種方式：熱輻射、空氣對流和熱傳導。為了取得更好的散熱效果，只有從空氣對流上采取辦法。

將半導體BAR與散熱組件能否成功組裝關系到散熱效果。采用如下的“三明治”工藝結構，如圖5所示：（1）散熱片和風扇連接。采用高速運轉風扇排風效果好，但噪音大，因此合理選擇風扇尺寸和轉速也很重要，風扇和散熱器的連接方法通常有兩種，即左右固定法和正下方固定法，前者通常采用一個吹風一個拉風的方法，這適用于大方形散熱器，后者則采用同時吹風兩邊走風的方法，適用于小薄散熱器。（2）散熱片和TEC連接：我們采用固定槽定位TEC，接觸面之間均勻涂抹導熱硅脂。（3）TEC與均勻銅板的連接：在TEC上均勻涂抹導熱硅脂后，在其上蓋上銅板，要求銅板厚薄均勻，且與散熱片之間要有一定的縫隙間隔。（4）激光器BAR與銅板連接：在銅板固定BAR的位置均勻涂抹導熱硅脂，用螺絲固定好BAR，要求BAR盡可能對準TEC中心位置。

3 ?具體實例

實際工作中激光光源的驅動與溫度控制電源通常采用一體化模塊，對于30W光纖輸出波長808nm的模塊，該模塊采用的是3V，50A驅動與溫度控制電源。此外半導體激光器驅動電源的電流為0.5～50A，且連續可調節;TEC驅動電源的電流為0.5～20A，且自動調節，電壓為30V;直流風扇指標為24V、35W。

溫度控制的技術指標為：

（1）溫度控制特性。溫度控制范圍：-10℃～40℃;溫度控制精度：1℃;溫度預置對溫度監視的精度：<1%。

（2）輸出特性。最大雙向電流±20A;最大恒流輸出電壓±30V;最大輸出功率600W;增益可調0～50;積分時間1s。

（3）溫度傳感器采用熱敏電阻類型PT100。

（4）一般特性。AC電源220V;最大功率消耗800W;散熱方式強制風冷;操作溫度0℃～50℃（保證參數）; -40℃～80℃（保證工作）。

4 ?結語

對于激光夜視監控系統等需要大功率激光器的工程實踐，由于激光器工作時將產生大量熱耗散，故必須考慮熱散因素，否則將減小激光器壽命甚至損壞激光器。該文定量描述了半導體制冷器（TEC）的選擇、散熱片的選擇及與半導體BAR的組裝，給出了具體實例，為激光夜視監控系統的光源溫度控制提供了工程參考。

參考文獻

[1] 任青毅，龍燕.二極管激光器驅動電源的研制[J].電源技術應用，2007，10（1）：36-38.

[2] 張娜.半導體激光器恒溫控制理論與應用[J].吉林大學學報，2002，40（3）：284-287.

[3] 羅忠生，張美敦.高精度半導體激光二極管溫度控制系統[J].半導體光電，1999，20（2）：115-119.

[4] 閆曉梅，張記龍.半導體激光器的溫度控制器的設計[J]. 微計算機信息，2007，23（11-2）：311-313.

[5] 張洪濟.熱傳導[M].北京：高等教育出版社，1992.

[6] 鐘廣學.半導體制冷器件及其應用[M].北京：科學出版社，1991.