隧道再生大功率半导体激光器瞬态热特性研究

讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布，利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布，同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值，与计算结果进行了比较，二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度；用金刚石一铜热沉替换铜热沉，还可以很好地降低器件内部温升，使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。     

LD热弛豫时间与泵浦光谱效率的改进

采用测试半导体激光器热弛豫时间的新方法,测量光信号脉冲内不同时刻的时间分辨光谱,测试了TO封装和cm-Bar列阵的AlGaAs/GaAs半导体激光器泵浦光源,得到其热弛豫时间分别为为66 μs和96μs.在目前常用的方波驱动电流脉冲工作条件下,半导体激光器作为固体激光器泵浦源,如果热弛豫时间过长,单个脉冲内激射波长会偏离固体激光介质的吸收带,导致泵浦光波长利用率和有效泵浦能量降低.为克服现有技术的不足,文中提出了两种新型的驱动电流脉冲波形,通过优化电流波形参数可以将泵浦波长利用率提高30%左右,得到更大的有效泵浦能量.     

大功率半导体激光器载体设计

激光器工作时由于存在各种非辐射复合损耗和自由载流子吸收等损耗机制,使注入到器件中的部分电功率转换成热耗散在激光器内,直接影响激光器的效率和寿命,因此散热处理一直是一个引人注意的焦点。采用微通道载体解决大功率半导体激光器阵列连续工作时散热问题,通过ANSYS软件模拟优化结构参数,实验测得了大功率半导体激光器阵列热阻。     

半导体激光器热特性测量技术的研究进展

分类讨论了半导体激光器热特性(温升)测量中所用的技术,介绍了各种技术的基本原理及其特点。     

大功率半导体激光器的高精度脉冲电源设计

为了满足大功率半导体激光器脉冲应用的实际需求, 针对单脉冲内电流平顶下降问题和重复性情况下电流稳定性降低的问题, 设计了一种多参数宽范围可调的高精度高稳定脉冲驱动电源。该电源以大功率场效应晶体管为核心, 通过现场可编程门阵列产生的高精度时序波形来完成单脉冲内的上升沿调控和栅极控制电压补偿, 通过微控制器结合电流采样的闭环控制方案实现重频运行下的电流高稳定输出。结果表明, 在输出电流100 A、脉冲宽度400 μs、重复频率1 kHz的最大功率输出驱动二极管负载时, 驱动电流上升沿过冲幅度小于0.5%、单脉冲内电流衰减小于0.2%、重复率脉冲不稳定度小于0.1%;在同样输出条件下驱动半导体激光器, 其在单脉冲内光功率过冲小于2%, 重复光脉冲不稳定度小于0.2%。该研究有助于提高脉冲电源脉冲电流稳定性, 对现有脉冲电源结构的改进具有一定的参考意义。     

大功率半导体激光器阵列的封装技术

半导体激光器阵列的应用已基本覆盖了整个光电子领域，成为当今光电子科学的重要技术。本文介绍了半导体激光器阵列的发展及其应用。着重阐述了半导体激光器阵列的封装技术——热沉材料的选择及其结构优化、热沉与半导体激光器阵列之间的焊接技术、半导体激光器阵列的冷却技术、与光纤的耦合技术等。     

半导体激光器线阵的瞬态热特性研究

针对半导体激光器线阵,建立了二维的热传导模型,模拟计算得到了半导体激光器线阵的二维瞬态温度分布.分析表明器件温度随时间的变化过程可分为三个阶段:在加电后几十微秒的时间内,发光单元之间未出现热交叠,不同填充比的线阵器件的温度基本一致;在几十微秒到几十或几百毫秒之间,大填充比结构线阵的发光单元之间先发生了热交叠,温度上升较快;微通道制冷的器件在几十毫秒之后温度达到稳定,平板热传导热沉封装的器件在几百毫秒之后温度才达到稳定.热传导热沉封装时,在相同的注入电流密度下,高填充比器件的发光单元之间出现温差更快.     

脉冲激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的热弛豫时间

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响.从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算;采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响;采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响.结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制.根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差;初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差.结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的.     

大功率半导体激光器阵列的稳态和瞬态热行为

大功率半导体激光器的应用日益广泛.随着激光器光功率的不断增加,其结温也在急速上升.激光器结温的升高不仪会导致寿命、斜率效率和功率下降,阈值电流增大,而且会引起波长漂移,光谱展宽等,因此开展半导体激光器热没计和热优化的研究显得越来越重要.用数值模拟和实验相结合的方法对单巴(bar)条CS封装的60 W,808 nm半导体激光器连续工作时的稳态和瞬态热行为进行分析研究,定量确定了半导体激光器的温升及其构成,以及器件的时间常数.此外,还对半导体激光器件做了热优化,并在分析结果的指导下做出了各项性能指标均优良的半导体激光器阵列器件.     

高功率无铝半导体激光器

ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ激光器抑制暗线缺陷的形成,器件的突然失效及缓慢退化有所减少。研究表明,高功率无铝半导体激光器比有铝ＡｌＧａＡ／ＧａＡｓ激光器具有更高的可靠性。文章分析比较了高功率有铝和无铝半导体激光器的优缺点,介绍了波长为８０８ｎｍ的高功能无铝半导体激光器的发展及国内外目前的研究状况。     

隧道再生半导体激光器热弛豫积累过程研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型。利用有限元方法模拟计算得到了两有源区隧道再生半导体激光器在不同占空比下工作时的热弛豫积累过程。模拟结果表明,芯片达到平衡前的热弛豫积累时间和达到热平衡时的温度均随注入电流占空比的增加而增加,热弛豫积累时间小于200ms。芯片内部温度分布表明,靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度,但温度差较小,热效应造成的波长漂移不会造成双峰现象。实验测量了在相同的边界条件下,不同占空比下器件的峰值波长,将其转换为温升,与模拟结果吻合。     

半导体激光器焊接的热分析

为了解决大功率半导体激光器的散热问题,利用有限元软件ANSYS,采用稳态热模拟方法,分析了半导体激光器内部的温度分布情况,对比分析了In、SnPb、AuSn几种不同焊料烧结激光器管芯对激光器热阻的影响。由模拟结果可见,焊料的厚度和热导率对激光器热阻影响很大,在保证浸润性和可靠性的前提下,应尽量减薄焊料厚度。另外,采用高导热率的热沉材料和减薄热沉厚度可有效降低激光器热阻。在这几种焊接方法中,采用In焊料Cu热沉焊接的激光器总热阻最小,是减小激光器热阻的最佳选择。通过光谱法测出了激光器热阻,验证了模拟结果,为优化激光器的封装设计提供了参考依据。     

大功率半导体激光器贴片层空洞热效应影响

随着输出功率、转换效率、可靠性和制造工艺的提高以及成本的降低,大功率半导体激光器越来越广泛地应用于许多新的领域。大部分商业化销售的半导体激光器阵列/巴条是用铟作为焊料封装的。然而,在半导体激光器封装过程中不可避免地会在贴片层形成一些小空洞,这些小空洞在铟的电迁移和电热迁移作用下逐渐变大,这将导致芯片贴片层形成大量的空洞,造成芯片局部温度迅速上升。针对808 nm连续波40 W传导制冷单巴条半导体激光器阵列,系统地分析了半导体激光器贴片层空洞对发光点温度的影响以及贴片层内不同位置不同尺寸的空洞对发光点温升的影响,得到了发光点温升与空洞尺寸间的关系曲线。提出了利用空洞与发光点温度的关系及空间光谱来估算贴片层的空洞分布的方法,并将估算结果与实验测得的贴片层扫描声学显微图像进行了对比。     

高功率半导体激光器的寿命评价研究进展

介绍了国内外主要高功率半导体激光器研制机构和用户寿命评价新的实验和测量方法、寿命数据,分析了开展寿命评价的一些研究思路和方法.     

对MIS结构热弛豫时间的分析计算

对MIS（金属?绝缘层?半导体）结构从深耗尽过渡至强反型状态所需的热弛豫时间进行了研究。通过建立较教科书更精确的模型,对热弛豫时间τth与深耗尽时耗尽区宽度xd0、强反型时耗尽区最大宽度xdm、耗尽区内少子净产生率G和掺杂浓度ND等关键物理量之间的关联进行了推导,并基于MEDICI平台对推导结果完成了仿真验证,从而加强了学生对半导体表面效应的理解,也利于他们未来从事半导体方面的创新研究。     

大功率半导体激光器高可靠烧结技术研究

近几年大功率半导体激光器的应用领域越来越广,许多应用领域都要求半导体激光器能够高可靠性工作.工作焊接质量直接影响着大功率半导体激光器的可靠性,焊接缺陷会导致激光器迅速退化.目前国内普遍采用的铟焊料和锡铅焊料都是软焊料,焊层有形成晶须和热疲劳等可靠性问题.为提高烧结可靠性,采用了金锡焊料烧结激光器新技术.金锡焊料是硬焊料,焊接强度高,抗疲劳性好,对金层无浸蚀现象.通过实验研究掌握了金锡焊料的制备和烧结技术,并与铟焊料、锡铅焊料进行了对比实验.实验结果显示采用金锡焊料烧结激光器可获得更好的性能,是提高半导体激光器可靠性的有效途径.     

大功率体光栅外腔半导体激光器的输出特性

宽条形大功率半导体激光器(LD)存在光谱温漂系数大、光谱宽度宽的缺点,为了改善宽条形大功率半导体激光器的光谱特性,采用一种体光栅(VBG)离轴外腔方法实现了宽条形大功率半导体激光器光谱特性的明显改善和高效率工作.宽条形半导体激光器的外腔结构主要包括激光器输出光束的快、慢轴准直光学透镜和离轴放置的体光栅.宽条形半导体激光器的激射条宽为100μm,当激光器工作电流为4.0 A时,外腔激光器的输出功率高达3.4 W,斜率效率为1.0 W/A,光谱宽度由自由出射条件下的2~3 nm减少为0.2 nm,峰值波长的温漂系数小于0.015 nm/℃.     

半导体激光器封装中热应力和变形的分析

为了解决半导体激光器封装的热应力和变形问题,利用有限元软件ANSYS对SnPb、In、AuSn三种焊料焊接激光器管芯的情况分别进行了模拟,得到了相应的热应力大小和变形情况,分析了焊料和热沉对激光器热应力和变形的影响.对比了这几种不同封装方法的激光器发光区图像的弯曲程度,验证了模拟结果.由模拟和实验结果可见,采用In焊料是减小激光器热应力和变形的最佳选择.另外,适当增加热沉厚度,选择热匹配的材料,焊接时进行预热,可减小激光器的热应力和变形.通过模拟和实验分析,提出了减小热应力和变形的方法,为优化激光器的封装设计提供了参考依据.