大功率半導體激光器陣列熱特性分析

1 引言

　　大功率半導體激光器具有高轉換效率、高可靠性及較長(cháng)的使用壽命，在泵浦固體激光器、打印、材料加工、通信等方面都有著(zhù)廣泛的應用。但是，盡管半導體激光器具有較高的轉換效率，還是有大部分的電功率被轉化成了熱，導致激光二極管工作結溫升高。而溫度升高必然帶來(lái)半導體激光器閾值電流增加、發(fā)射波長(cháng)紅移，造成模式的不穩定，同時(shí)還增加了內部缺陷，對器件的壽命有嚴重影響［1］ 。因此，對半導體激光器熱特性的研究具有重要意義。在對半導體激光器進(jìn)行熱分析和模擬方面，前人已做過(guò)大量工作。R Puchert等人［2］對大功率半導體激光器陣列在連續驅動(dòng)條件下的瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬和分析，還有很多國內外文獻［3-4］ 對激光器單管的穩態(tài)和瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬，但大部分文獻都只涉及到橫向和側向的溫度分布，對縱向溫度分布的分析和模擬很少有人涉及。大功率半導體激光器具有很高的端面功率密度，縱向的溫度分布影響諧振腔的工作狀態(tài)并決定各項性能參數，對縱向溫度的研究具有極其重要的意義。

　　為了解大功率半導體激光器的熱特性，本文針對實(shí)際工作中涉及到的泵浦用808 nm半導體激光器一維線(xiàn)陣列進(jìn)行了熱場(chǎng)分析和模擬，并通過(guò)實(shí)際測量與模擬結果進(jìn)行了對比，實(shí)測結果與模擬結果基本吻合。

　　2 模型建立

　　根據二極管激光器的驅動(dòng)方式，可將其分為三類(lèi)：連續運行激光器、準連續運行激光器和脈沖運行激光器。本文將建立橫向、縱向二維溫度模型，利用大型有限元商用軟件ANSYS進(jìn)行模擬，給出工作于準連續及連續狀態(tài)下激光器陣列的穩態(tài)及瞬態(tài)溫度分布。由于影響激光器陣列系統工作溫度的因素很多，在模擬過(guò)程中，將其效果等效到陣列中每個(gè)發(fā)光單元的有源區，用熱功率密度來(lái)表示。同時(shí)各個(gè)發(fā)光單元橫向和縱向的溫度分布趨勢是相似的。在沿腔長(cháng)方向，由于前腔面具有很高的透射率，后腔面具有很高的反射率，所以沿腔長(cháng)方向的熱功率密度并不是一致的。依據平面波在諧振腔中的傳播理論及光增益和損耗的定義［5］并假設所有損耗全部轉化為熱，經(jīng)過(guò)近似推導得出，沿腔長(cháng)方向的熱流密度滿(mǎn)足函數關(guān)系

　　PF=PF0［egx+egl，r.eg（1-x）］

　　式中，PF為前腔面的熱流密度， g為光增益系數，l為諧振腔腔長(cháng)，R為腔面反射率。

　　圖1給出沿腔長(cháng)方向熱流密度的分布趨勢。從圖中我們可以看出，前腔面溫度明顯高于其他位置。值得注意的是，腔面溫度升高又會(huì )造成非輻射復合速率增大而漏電流增加，帶隙收縮而光吸收增加，從而使溫度升高更快。這些正反饋的存在會(huì )導致激光器前腔面的快速燒毀失效。

　　模擬過(guò)程中，認為材料的各個(gè)參數均各向同性，并且，由于陣列采用倒裝的封裝方式，認為熱只通過(guò)p型層向下傳至載體。器件工作過(guò)程中載體底部保持恒溫288 K，與空氣的對流系數為0.0025 W/cm2·K，環(huán)境溫度為293K。

　　3 模擬結果

　　本文采用有限元方法對150/500版連續808 nm一維線(xiàn)陣列的穩態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬。

　　圖2我們可以看出，載體溫度的最高點(diǎn)出現在與芯片的連接處。圖3為管芯內的溫度分布，其橫向被放大20倍以便觀(guān)察。由圖3我們可以看出，管芯內最高溫度出現在有源區前腔面附近。圖4給出了沿腔長(cháng)方向有源區的溫度分布曲線(xiàn)，從圖中可看出其前腔面與后腔面有大約8 K的溫差。分析其原因主要有兩方面：一是沿腔長(cháng)方向熱流密度分布不均勻，如圖1所示，從前腔面到后腔面熱流密度按指數規律遞減；二是在后腔面附近，載體起到了二維散熱作用。通過(guò)圖5所示的熱流矢量圖我們可以清楚地看到，在后腔面附近，熱流向兩個(gè)方向側向和下方同時(shí)傳遞。

　　同時(shí)，我們也對90/130版準連續808 nm一維線(xiàn)陣列的瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬，瞬態(tài)模型與穩態(tài)模型一致，參考溫度等于環(huán)境的等于293 K。圖6給出了不同占空比驅動(dòng)條件下激光器芯片中最高溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，有源區的溫度變化和所加脈沖的占空比有密切關(guān)系。占空比較低時(shí)，如0.2%，一個(gè)脈沖內上升的溫度低，約為3 K；在弛豫過(guò)程，弛豫所需時(shí)間短，大約幾個(gè)微秒。占空比高時(shí)，如40%，上升過(guò)程中，一個(gè)脈沖內上升的溫度比低占空比時(shí)高很多，約為12 K；在弛豫過(guò)程，高占空比情況下弛豫的時(shí)間較長(cháng)，在幾百微秒至幾毫秒的量級內。根據傳熱理論，熱傳導的速度與熱積累成正比，可以想象，激光器在脈沖工作方式下，由于升溫過(guò)程和熱弛豫過(guò)程的交替進(jìn)行，最終會(huì )達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，有源區保持準