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大功率半导体激光器阵列温度分布模型建立与实验验证

李冬梅  
【摘要】: 大功率半导体激光器具有高转换效率、高可靠性及较长的使用寿命,在泵浦固体激光器、打印、材料加工、通信等方面都有着广泛的应用。但是,尽管半导体激光器具有较高的转换效率,还是有大部分的电功率被转化生成了热,导致激光二极管工作结温的升高。而温度升高必然带来半导体激光器阈值电流增加,发射波长红移,造成模式的不稳定,同时还增加了内部缺陷,对器件的寿命有严重影响。 在本文中,首先从理论分析和实验数据两个方面入手,分析温度对激光器各个性能参数的影响。然后从基本概念出发,分析大功率激光器的热源分布、热阻及热耗散功率。利用ANSYS软件模拟半导体激光器阵列芯片及载体中的稳态及瞬态热分布是本论文的重点。ANSYS(Analysis Systems)软件是国际流行的融结构、热力、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可以广泛地应用于结构分析、热传导分析、电磁场分析、流体分析以及耦合场分析(CFD)等多个领域。 通过实验对模拟结果进行检验也是本论文的一个重要方面。温升测量的方法及手段依测量原理不同可分为两类:一类是利用半导体激光器本身电学或光学参数随温度变化的特性而将其作为温敏参数。但这种方法依据温度对半导体激光器某一特性的影响,给出其某种意义上的平均温度;另一类是利用一些常规的测量技术,测量半导体激光器的腔面温度的分布。本文主要利用第一类方法,对半导体激光器阵列的稳态热阻进行测量,并详细介绍了半导体激光器各个参数的测量方法。 在本文的最后部分,介绍了如何对半导体激光器的热参数进行优化及半导体激光器常用的散热技术。这两方面揭示了对热特性进行研究、模拟的目的所在,即减少产热和增加散热,这也是在半导体激光器阵列芯片及载体的设计中必须要考虑的关键问题。


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