热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

贾冠男，尧　舜，高祥宇，兰　天，邱运涛，王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院，北京　100124)



热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

贾冠男，尧舜*，高祥宇，兰天，邱运涛，王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院，北京100124)

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用，建立三维瞬态热传导模型，通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试，获得其在-20 ℃和-30 ℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线，并与数值计算的结果进行对比。结果表明，两者在误差范围内能够很好地吻合。

激光器；半导体激光器；热容型；瞬态热特性

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

1　引　　言

大功率半导体激光器由于其电光转换效率高、结构紧凑等突出优点，被广泛应用于军事、工业加工、激光医疗、光通信等领域[1-4]。随着功率的不断增大，工作过程中激光芯片产生的大量废热已严重制约半导体激光器性能的进一步提高[5]。热量的积累会引起芯片有源区的温升，导致激光器工作波长红移，光谱展宽，阈值电流上升，寿命衰减[6-9]。目前主要采用水冷、风冷和半导体致冷(TEC)等主动冷却方式[10-12]，利用相应的主动冷却装置，将芯片产生的废热及时有效地传导到外界环境中。然而主动冷却装置的引入，无疑将增加整个激光器的体积和重量，降低激光器的稳定性。在航天等特殊应用中，对半导体激光器的体积、重量和稳定性有严格限制，无法使用主动冷却装置进行冷却，且激光器工作在低温环境中，瞬时功率要求很高，而工作间歇时间很长。此时，依靠热导率高、比热容大的热沉进行被动冷却的热容型半导体激光器应运而生。热容型半导体激光器工作时，芯片产生的热量被传导并储存在热沉中，从而保证其在合适的温度范围内稳定工作。激光器工作间歇过程中，热沉中的热量通过热辐射的方式传导到外界环境中。

目前国内外对于热容型半导体激光器的研究报道很少。本文建立了热容型半导体激光器的三维瞬态热传导模型，利用有限元法研究热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响，从而指导热沉结构的优化；对指定热沉尺寸与环境温度的热容型半导体激光器的热特性进行了数值计算与实验测试，验证了该数值模型的正确性。

2　数值计算

半导体激光器的废热来源有多种[13-14]，其中对芯片有源区温升起决定性作用的是有源区内部由于非辐射复合、辐射吸收以及自发辐射吸收等因素产生的热量，因此本模型只考虑了该项热源。有源区内部热功率密度为[15]：

(1)

式中da为有源区的厚度，Vj为结电压，jb为注入电流密度，jth为阈值电流密度，ηsp=0.6、ηi=0.9、ηex=0.7、f=0.62分别表示自发辐射量子效率、内量子效率、微分量子效率及逃逸系数。

半导体激光器工作时，满足瞬态热传导微分方程[16]：

(2)

式中，C为单位体积材料的比热，k为热传导系数，g为体发热率。

忽略工作过程中半导体激光器的自然对流与热辐射，考虑其在绝热的条件下工作，有源区产生的热量最终全部存储在热沉和芯片中。在初始条件下，芯片与热沉的温度为环境温度。

为满足实际需求，选用输出功率为80 W的半导体激光阵列芯片，工作电流为80 A，中心波长为980 nm。芯片尺寸为10 mm×2 mm×135 μm，发光单元周期为500 μm，条宽100 μm。芯片P面向下烧结在热沉上。为减小计算量，本模型对芯片结构做了合理简化。半导体激光器热传导结构及其整体结构如图1和图2所示。表1为计算用到的各种材料的物理参数。

图1　半导体激光器热传导结构

图2　半导体激光器整体结构示意图

材料热导率/(W·m-1·K-1)热容/(J·m-3·K-1)密度/(kg·m-3)GaAs553305500AlGaAs12.13574852InGaAs7.23365389GaAsP153505084Au30013219320In83.72397310Cu4003858960

保持芯片规格不变，建立不同热沉尺寸的热容型半导体激光器三维瞬态热传导模型。设定环境温度为0 ℃，利用有限元法计算激光器工作3.5 s时有源区的最高温度及激光器停止工作10 s后有源区的最终温度。分别研究热沉厚度、宽度、长度对有源区最高温度及最终温度的影响。表2为计算选取的热沉尺寸，图3为计算结果。

计算结果表明，随着热沉厚度的增加，有源区的最高温度和最终温度逐渐降低。当厚度大于8mm时，最高温度随厚度的变化曲线趋于平稳。增加热沉的宽度可以降低有源区的最高温度和最终温度，但是当宽度大于12.5 mm时，它对最高温度的影响减弱。有源区最高温度和最终温度随着热沉长度的增加而降低，当长度超过22 mm后，最高温度基本保持不变。

表2　计算选取的热沉尺寸

图3热沉三维尺寸对有源区热特性的影响。(a)厚度；(b)宽度；(c)长度。

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

根据实际要求，最终确定热沉的尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm。计算激光器工作3.5 s、再停止工作10 s过程中有源区温度随时间的变化，计算结果如图4所示。工作3.5 s时，有源区最高温度为85.3 ℃；停止工作10 s后，有源区温度降为51 ℃，此时芯片与热沉之间达到热平衡。

图4有源区温度曲线

Fig.4Active region temperature curve

3　实验测试与讨论

将封装好的热容型半导体激光器置于恒温箱中，由恒温箱提供恒定的环境温度。考虑到航天应用中的环境温度通常在-20～-30 ℃之间，因此分别选取-20 ℃和-30 ℃条件下进行实验测试。由于芯片有源区温度无法直接测量，本文采用波长红移法间接测量有源区温度[17]。计算方法为：

(3)

式中，λt1和λt2分别为t1时刻和t2时刻半导体激光器的中心波长，ΔT为t2时刻相对于t1时刻有源区的温升，α为温漂系数。

为获得该芯片的温漂系数，我们在Lastip软件中建立芯片的外延结构模型，计算不同有源区温度下的输出波长，结果如图5所示。最终得到该芯片的温漂系数为0.31 nm/℃。

使用带有自动读取与储存数据功能的光谱仪测量激光器的工作波长，每0.1 s读取记录一次，用以计算有源区的温度。

图5芯片的温漂系数

Fig.5Wavelength shift coefficient of laser bar

分别测量-20 ℃和-30 ℃环境温度下半导体激光器工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化。两种环境温度下各测量两次，每次测量之间间隔1 h，以确保激光器充分冷却。图6为两种环境温度下的实验测试结果与数值模拟结果。

在-20 ℃环境温度下，两次测试激光器工作3.5 s时有源区的温度分别为72.2 ℃和70.4 ℃，数值计算有源区温度为65.3 ℃。两次测试结果与数值计算的误差分别为9.6%和7.2%，在误差允许范围之内。当激光器工作2.9 s时，数值计算的有源区温度超过55 ℃，所以为保证激光器长期稳定工作，在-20 ℃环境温度下，激光器每次工作时间应不超过2.9 s。

在-30 ℃环境温度下，两次测试激光器工作3.5 s时有源区的温度分别为59.5 ℃和58.8 ℃，数值计算有源区温度为55.3 ℃。两次测试结果与数值计算的误差分别为7.1%和6.0%，在误差允许范围之内。当激光器工作3.5 s时，数值计算的有源区温度超过55 ℃，所以为保证激光器长期稳定工作，在-30 ℃环境温度下，激光器每次工作时间应不超过3.5 s。

由图6可知，在两种环境温度下，实验测试结果与数值计算结果吻合得很好，说明采用本文所建立的数值模型来模拟热容型半导体激光器的热特性是可行的。实验测试所得的有源区温度略高于数值计算结果，是因为模型中忽略了芯片中除有源区外其他各层材料的发热量和焊接界面热阻等因素对有源区温升的影响。

图6激光器工作3.5 s过程中的有源区温度曲线。(a) 环境温度-20 ℃；(b)环境温度-30 ℃。

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

4　结　　论

数值计算和实验测试的结果表明，对于低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间的应用领域，热容型大功率半导体激光器的应用是可行的，本论文建立的数值模型可以很好地模拟其热特性。本研究采用的热容型半导体激光器在-20 ℃和-30 ℃环境温度下稳定工作时，每次工作时间分别不超过2.9 s和3.5 s。本研究对热容型半导体激光器的理论研究与实际应用具有重要的参考价值。

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贾冠男(1988-)，男，河北石家庄人，博士研究生，2011年于武汉工程大学获得学士学位，主要从事大功率半导体激光器封装散热方面的研究。

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

尧舜(1979-)，男，重庆人，博士，副研究员，2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事大功率半导体激光系统集成方面的研究。

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

北京市委组织部优秀人才培养计划(2012D005015000005); 北京市教委项目(KM201110005017)资助

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163704.0422