大功率半导体激光器阵列热行为研究

近年来，随着大功率半导体激光器技术的不断发展，其已在工业、军事、科研和医疗及材料处理等领域获得广泛的应用。为了进一步地扩大延伸大功率半导体激光器的应用领域，不断提高器件电光性能，以及可靠性与寿命已成为当前发展高性能半导体激光器技术的必由之路。然而，随着半导体激光器输出功率的不断增大，其生热量也在不断提高，导致器件结温升高严重。半导体激光器结温的升高将会引起诸如阈值电流增大，斜率效率与输出功率下降，激射波长红移，阵列光谱展宽等一系列问题，使其电光性能的稳定性受到严重影响。与此同时，过高的结温也严重威胁着器件可靠性与寿命。为此，旨在提高器件热管理水平，以达到稳定器件电光性能，提高器件可靠性与寿命的目的，对半导体激光器的热行为特性进行系统地分析、认识与研究，并且进行有效的热设计与热优化分析研究就显得至关重要。 首先，本论文采用数值模拟与实验验证分析相结合的方法，对不同封装形式的传导冷却型单阵列半导体激光器的热行为进行了分析研究。模拟结果获得了连续波稳态条件下器件及其有源区温度分布，给出了有源区热流密度分量变化规律，定量确定了器件温升及其构成；通过对比分析发现，不同封装形式的传导冷却型半导体激光器阵列的热特性相似，区别仅在于各关键参数量的差异；采用硬焊料封装技术的器件因次热沉的引入，其热管理问题较传统铟焊料封装器件更为突出。为了验证理论模拟的准确性与可信度，利用实验手段对连续波状态下的器件热特性进行了测试表征，并与理论模拟结果进行了验证分析。结果表明，实验测试值与理论模拟基本吻合。 对于处于脉冲工作状态的传导冷却型器件，本论文还以铟焊料封装传导冷却型半导体激光器阵列为例，剖析了此类器件在该状态下的瞬态热行为，阐述了热量积累效应，及其由非稳态到稳态的动态热平衡过程；除此之外，本论文还以热管理问题较为突出的硬焊料封装器件为代表，模拟分析了一维阵列器件内发光单元间的热串扰行为过程，并借助实验手段，测试验证了理论模拟。实验所得趋势与理论模拟基本一致。 其次，本论文对半导体激光器阵列贴片层空洞对有源区温度分布及阵列腔面温度的影响进行了分析研究。模拟结果在获得空洞的位置、形状及大小对器件有源区温度分布与腔面温度影响关系的同时，给出了空洞大小与有源区局部温升之间的定量关系，以及器件输出功率与贴片层空洞热效应的的定量关系。通过实验定性地验证分析贴片层空洞热效应对器件性能的影响，并在分析研究的指导下，制备出了各项性能指标均优良的半导体激光器阵列。 最后，基于前述模拟分析结论，针对硬焊料封装传导冷却型半导体激光器阵列突出的热管理问题，本论文分别从芯片级与封装级的角度，在分析研究影响阵列内发光单元间热串扰行为因素的同时，对器件进行了热优化分析。优化模拟分析结果不但给出了如何抑制热串扰行为，以增强阵列内废热向下传导效率的策略，而且为降低器件热阻，提高散热效率奠定了理论基础。在理论优化分析的指导下，实验分别制备了次热沉为铜钨、铜金刚石的硬焊料封装器件及传统铟焊料封装器件。通过将三类器件进行测试表征，对比分析发现，对于目前封装工艺尚不完善的次热沉为铜金刚石的器件而言，其性能不但要优于次热沉为铜钨的器件，而且与传统CS器件相比，各项性能几乎与其持平。此措施成功解决了如何实现高功率输出，同时保证或甚至提高器件可靠性与寿命的问题。