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高功率半导体激光器热设计及其对光谱特性影响的研究

2020-12-02阅读(576)

高功率半导体激光器热设计及其对光谱特性影响的研究

论文摘要

高功率半导体激光器（HPLD）以其体积小、重量轻、效率高、成本低等优点广泛应用于泵浦固体与光纤激光器、工业加工、医疗美容、3D传感、自动驾驶等领域。受GaAs基材料本征物理属性及外延生长工艺的共同限制,LD的电光转换效率难以进一步提升。随着电流的增加,芯片产热严重,有源区温度持续升高,LD的输出功率随之发生热饱和与翻转。同时伴随着热功率的增大,芯片有源区温度的均匀性变差,导致LD光谱发生展宽,严重制约了LD的泵浦应用。因此,热管理对于HPLD来说尤为重要。本文围绕HPLD热阻和温度均匀性的优化设计,以及温度对光谱展宽的影响,开展了如下研究工作:1.推导出了适用于LD单管和巴条的三维解析热物理全面模型。针对该模型的关键性假设进行了讨论,明确了各假设所引入的误差以及该模型的适用性条件。针对传导冷却LD单管与巴条,基于波长漂移法和有限元仿真（FEM）验证了该三维解析热模型的准确性高达97%。2.基于三维解析热物理模型,研究了传导冷却HPLD单管与巴条的稳态热特性,揭示了激光器温度场、热流场的分布。研究表明:对于F-Mount单管和HardCS巴条,热流在芯片N面GaAs衬底内的扩散对整体散热的贡献分别为8%与6%,增加N面厚度和结构可进一步降低LD的热阻;揭示了测试夹具（外部散热条件）对F-Mount单管和HardCS巴条热阻的贡献分别高达36.8%和26.0%。3.提出了微分热扩散角和有效热扩散角的概念。应用微分热扩散角定量化表征了热流在LD封装体内的扩散过程;应用有效热扩散角合理化解释了传导冷却热沉各参数对激光器热阻的影响。基于三维解析热模型,给出了不同外部散热条件下传导冷却热沉、次热沉的理论热设计曲线;设计制作了两款高效散热性能的传导冷却LD巴条,将商用HardCS、MiniCS巴条的最大输出功率分别提高了12%和37%。此外,在恒定有源区温升条件下研究了封装结构对LD单管有源区内和巴条发光点之间温差的影响。4.建立了微通道液体制冷HPLD基于计算流体力学（CFD）的数值传热模型,研究了不同流量下微通道热沉（MCH）的对流换热系数（HTC）分布、流速分布、压降分布,以及各通道部分对整体散热的贡献。研究发现:微通道入口处的HTC比出口处大2个数量级;中间通道的平均HTC是底部通道和上通道的3倍;在标称流量0.3L/min下,底部通道与上通道对散热的贡献相等。对比LD巴条热阻测试结果,CFD数值模型在不同流量下的最大误差为10%。基于CFD数值计算结果,提出了HPLD微通道热沉的解析热阻网络模型,表征了MCH热阻的组成部分。相对于CFD数值模型,其热阻计算误差小于5%。此外,还对MCH进行了热阻、温度均匀性的优化,提出了三种可以减小巴条发光点间温度差异的MCH设计方案。设计制作了一款消除横向热扩散的MCH,其各发光点的温度接近100%一致,并通过LD巴条的空间光谱测试进行了验证。5.引入多高斯函数作为HPLD光谱的表征模型,并耦合三维解析热模型求解的温度场,研究了注入电流、芯片结构、封装热设计对LD单管及巴条光谱展宽的影响。研究结果表明:正常连续波（CW）模式工作时F-Mount单管和HardCS巴条单发光点的光谱FWHM展宽比例高达75%与180%;HardCS巴条发光点之间热串扰引起的光谱FWHM展展比例高达70%。在恒定有源区温升条件下,单管的光谱强度分布随着热沉厚度、宽度、长度以及次热沉厚度的增加而展宽;对于巴条,随着热沉变厚,巴条发光点之间温差减小导致了光谱宽度的减小,随着热沉变宽、次热沉变厚,巴条发光点之间温差增大导致了光谱的展宽。6.应用多高斯光谱模型研究了外延工艺一致性和封装结构形式对巴条光谱展宽的影响。研究发现:典型的外延生长工艺导致LD巴条光谱的展宽比例小于10%;对比四种常见不同封装结构的HPLD巴条,封装残余热应力对HardCS巴条的光谱展宽最为严重,展宽比例约为15%。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 高功率半导体激光器简介
  •     1.1.1 基本工作原理
  •     1.1.2 芯片结构
  •     1.1.3 常见封装形式
  •     1.1.4 808nm激光器的发展现状
  •   1.2 温度对半导体激光器的影响
  •     1.2.1 热源产生机理
  •     1.2.2 温度对效率、功率的影响
  •     1.2.3 温度对波长的影响
  •     1.2.4 温度对寿命的影响
  •   1.3 高功率半导体激光器的光谱特性
  •     1.3.1 泵浦应用对光谱的要求
  •     1.3.2 光谱展宽机理
  •   1.4 国内外研究现状
  •     1.4.1 HPLD热设计研究现状
  •     1.4.2 HPLD光谱展宽研究现状
  •   1.5 本论文的研究目的与意义
  •   1.6 论文的主要研究内容
  • 第二章 半导体激光器的稳态热物理模型
  •   2.1 半导体激光器现有稳态热模型综述
  •   2.2 半导体激光器的三维稳态热模型
  •     2.2.1 单管的三维稳态热模型
  •     2.2.2 巴条的三维稳态热模型
  •   2.3 模型适用性讨论
  •     2.3.1 侧边绝热边界条件的影响
  •     2.3.2 顶面散热方式的影响
  •     2.3.3 芯片和次热沉横向与纵向尺寸的影响
  •     2.3.4 热源分布的影响
  •   2.4 实验验证
  •     2.4.1 实验原理与测试装置
  •     2.4.2 实验结果与讨论
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 传导冷却高功率半导体激光器的稳态热特性及热设计研究
  •   3.1 传导冷却HPLD的稳态热特性
  •     3.1.1 单管的稳态热特性
  •     3.1.2 巴条的稳态热特性
  •   3.2 传导冷却HPLD的封装热设计
  •     3.2.1 传导冷却热沉设计
  •     3.2.2 次热沉设计
  •     3.2.3 商用LD热设计讨论及实验验证
  •   3.3 封装热设计对有源区温度分布的影响
  •     3.3.1 热沉设计的影响
  •     3.3.2 次热沉设计的影响
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 高功率半导体激光器微通道制冷器的传热特性及优化设计
  •   4.1 HPLD微通道液体制冷器的发展现状
  •   4.2 MCH的数值传热模型
  •     4.2.1 物理模型及假设
  •     4.2.2 数值模型及验证
  •   4.3 MCH的传热与流动特性
  •     4.3.1 传热与流动特性
  •     4.3.2 传热、压降与流速的关系
  •     4.3.3 实验验证与讨论
  •   4.4 等效热阻模型
  •     4.4.1 经典肋片数值模型
  •     4.4.2 解析热阻网络模型
  •   4.5 MCH的优化设计
  •     4.5.1 热阻与压降优化
  •     4.5.2 温度均匀性优化
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 高功率半导体激光器稳态光谱的展宽研究
  •   5.1 光谱展宽机理及多高斯光谱模型
  •   5.2 单管的光谱展宽
  •     5.2.1 注入电流密度对光谱的展宽
  •     5.2.2 芯片结构对光谱的展宽
  •     5.2.3 封装热设计对光谱的展宽
  •     5.2.4 实验结果与讨论
  •   5.3 巴条的光谱展宽
  •     5.3.1 外延工艺一致性对光谱的展宽
  •     5.3.2 封装回流工艺对光谱的展宽
  •     5.3.3 注入电流密度对光谱的展宽
  •     5.3.4 封装热设计对光谱的展宽
  •     5.3.5 实验验证与讨论
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 论文主要研究成果
  •   6.2 对未来工作的展望
  • 参考文献
  • 附录 符号及缩写词
  • 致谢
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 吴的海

    导师: 刘兴胜

    关键词: 高功率半导体激光器,热阻,温度均匀性,光谱展宽,传导冷却,微通道热沉

    来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

    分类号: TN248.4

    DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000102

    总页数: 191

    文件大小: 10635K

    下载量: 277

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