808nm高功率半导体激光器封装热特性研究
发布时间：2021-10-18 12:08
半导体激光器在激光泵浦、工业、医疗、军事等领域得到广泛应用。随着高功率半导体激光器输出功率的不断提高,产生的热量也逐渐增多,热问题成为相关科研人员研究的焦点。如何提高输出功率、降低阈值电流、减少热量的产生,成为重要的研究方向。本论文对808nm波段高功率半导体激光器单管器件,通过ANSYS Workbench软件进行稳态热分析及热应力分析。本论文的主要研究内容如下:首先,针对C-mount封装热沉结构,通过添加新型Si C材料作为过渡热沉。利用ANSYS软件对未添加过渡热沉结构和添加Si C过渡热沉结构,进行理论模拟及对比分析,优化结构参数,确定最佳的过渡热沉尺寸。理论模拟结果表明,添加Si C过渡热沉单管器件结温及热阻降低,热应力减小,输出功率明显提高。其次,针对双孔大型无氧铜热沉结构对高功率单管器件进行封装。利用ANSYS软件分析焊料层厚度对激光器散热效果的影响,确定最佳结构参数。以此焊料厚度,分别模拟Al N、Wu Cu两种过渡热沉材料对激光器热特性的改善,模拟结果表明添加Al N过渡热器件的热阻低、应力小、输出功率高。最后,根据理论模拟结果及优化设计尺寸,分别对两种热沉结构单管...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1粒子数反转示意图
第1章绪论2能级空穴产生光子，产生光子的特征值要与入射光子一致，从而实现光放大，图1.1为粒子数反转示意图。图1.1粒子数反转示意图(2)谐振腔谐振腔是介质波导腔，主要作用是产生与维持光放大，改变激光的方向性，使受激辐射达到多次反馈，形成激光振荡的腔体称之为谐振腔。法布里-珀罗谐振腔如图1.2，作为半导体激光器常用的腔型，是由两个反射镜构成[3]。图1.2法布里-珀罗谐振腔示意图谐振腔为激光输出产生稳定的振荡条件(相位条件)，只有满足特定频率的光，才可以在两个反射面中来回进行反射。根据公式：2mlnλ=(1-1)式中:l为腔长，m为纵膜的数量，λ为波长,n为半导体材料的折射率。半波长的整数倍与共振腔腔长相等的驻波可以存在腔内，其余的波会在腔内反复传播损耗殆荆(3)增益与阈值条件如果想要在稳定振荡输出的环境下实现光放大，激光器内部的工作介质就必然需要对入射光供给一定的增益，统称为阈值增益。当达到阈值增益时，注入的电流称之为阈值电流。当激光器进行增益时，增益数值需要大于或者等于内部与外部损耗的总时，激光器会建立起稳定的振荡效果[4]，表达公式为：gthiout≥g=a+a(1-2)式中:g为增益数值，thg为损耗总和，ia为内部有源区进行光子吸收和光子散射的损耗，outa为外部损耗。
第1章绪论31.2.2高功率半导体激光器发展现状从上个世纪60年代至今，半导体激光器逐渐开始进入人们的视线，并且一直研究至今[5]，图1.3为半导体激光器结构简图。图1.3半导体激光器结构简图目前在半导体行业中，大家关注的问题是如何提高电光转换效率、输出功率以及相关性能参数。近年来，在800~1100nm的红外波段，电光转换效率、输出功率有明显的提高，并且808nm高功率半导体激光同样成为了国内外研究的重点。表1.1是近年来国外808nm高功率半导体激光器发展现状。表1.1近年来国外808nm高功率半导体激光器发展现状年份研究单位波长nm类型功率电光转换效率2007nLight808bar55W71.5(at15℃)2008FBH808bar81W67.7(at15℃)2016Coherrnt808bar60W63%(at60W)2009Coherent808单管25W61%(C-mount)63%(COS)2007年，美国nLight激光公司研制出的808nm半导体激光器阵列。以传导冷却型进行封装在15℃工作温度下，达到55W输出功率，71.5%电光转换效率。迄今为止，这是光电转换率所能做到的最高标准[6]。2008年，FBH公司研制出的新型808nm激光阵列。在15℃工作温度下功率达到81W，电光转换效率为67.7%[7]。2009年，nLight激光公司研制出的808nm单管半导体激光器。最大功率达到25W，在C-mount封装下转换功率可为61%，以COS型式封装转换功率为63%[8]。2016年，世界第一大激光器公司Coherent研制出的808nm激光阵列。仅18%的填充因子，连续在25℃工作温度下，达到60W输出功率，63%电光转换效率，另外激光器寿命长达5万小时[9]。虽然近年来国外的多家公司，对808nm高功率半导体激光器的研究趋近成熟。但
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率半导体激光器封装热应力研究[J]. 袁庆贺,井红旗,仲莉,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2019(10)
[2]半导体激光器的物理特性分析及研究[J]. 张鹏. 激光杂志. 2018(12)
[3]碳化硅材料研究现状与应用展望[J]. 王家鹏,贺东葛,赵婉云. 电子工业专用设备. 2018(04)
[4]半导体激光器波长温度特性的建模与试验研究[J]. 辛倩倩,万熠,毕文波,张平清. 工具技术. 2017(12)
[5]碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究[J]. 倪羽茜,井红旗,孔金霞,王翠鸾,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2018(01)
[6]水平腔面发射半导体激光器研究进展[J]. 海一娜,邹永刚,田锟,马晓辉,王海珠,范杰,白云峰. 中国光学. 2017(02)
[7]高功率、高效率808nm半导体激光器阵列[J]. 王贞福,杨国文,吴建耀,宋克昌,李秀山,宋云菲. 物理学报. 2016(16)
[8]环境温度对半导体激光器输出功率的影响[J]. 何培文. 科技视界. 2016(07)
[9]大功率半导体激光器研究进展[J]. 王立军,宁永强,秦莉,佟存柱,陈泳屹. 发光学报. 2015(01)
[10]高功率半导体巴条激光器的热特性分析[J]. 李江,李超,徐昊,章强,周旻超. 发光学报. 2014(12)
硕士论文
[1]808nm高功率半导体激光器芯片研究[D]. 祁鲁汉.陕西师范大学 2019
[2]基于ANSYS的半导体激光器热特性研究[D]. 张晓磊.长春理工大学 2018
[3]852nm半导体激光器的工艺制备及其特性分析[D]. 廖翌如.北京工业大学 2017
[4]某型光纤激光器有限元热分析与改进设计研究[D]. 彭兴文.国防科学技术大学 2015
[5]TO-CAN封装的半导体激光器的热分析及温控研究[D]. 韩文志.山东大学 2015
[6]半导体激光器热特性分析研究[D]. 何海强.长春理工大学 2015
[7]高功率半导体激光器封装热特性的分析研究[D]. 王文.长春理工大学 2014
[8]半导体激光器的热特性及封装技术研究[D]. 何友军.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2003
本文编号：3442773
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1粒子数反转示意图
第1章绪论2能级空穴产生光子，产生光子的特征值要与入射光子一致，从而实现光放大，图1.1为粒子数反转示意图。图1.1粒子数反转示意图(2)谐振腔谐振腔是介质波导腔，主要作用是产生与维持光放大，改变激光的方向性，使受激辐射达到多次反馈，形成激光振荡的腔体称之为谐振腔。法布里-珀罗谐振腔如图1.2，作为半导体激光器常用的腔型，是由两个反射镜构成[3]。图1.2法布里-珀罗谐振腔示意图谐振腔为激光输出产生稳定的振荡条件(相位条件)，只有满足特定频率的光，才可以在两个反射面中来回进行反射。根据公式：2mlnλ=(1-1)式中:l为腔长，m为纵膜的数量，λ为波长,n为半导体材料的折射率。半波长的整数倍与共振腔腔长相等的驻波可以存在腔内，其余的波会在腔内反复传播损耗殆荆(3)增益与阈值条件如果想要在稳定振荡输出的环境下实现光放大，激光器内部的工作介质就必然需要对入射光供给一定的增益，统称为阈值增益。当达到阈值增益时，注入的电流称之为阈值电流。当激光器进行增益时，增益数值需要大于或者等于内部与外部损耗的总时，激光器会建立起稳定的振荡效果[4]，表达公式为：gthiout≥g=a+a(1-2)式中:g为增益数值，thg为损耗总和，ia为内部有源区进行光子吸收和光子散射的损耗，outa为外部损耗。
第1章绪论31.2.2高功率半导体激光器发展现状从上个世纪60年代至今，半导体激光器逐渐开始进入人们的视线，并且一直研究至今[5]，图1.3为半导体激光器结构简图。图1.3半导体激光器结构简图目前在半导体行业中，大家关注的问题是如何提高电光转换效率、输出功率以及相关性能参数。近年来，在800~1100nm的红外波段，电光转换效率、输出功率有明显的提高，并且808nm高功率半导体激光同样成为了国内外研究的重点。表1.1是近年来国外808nm高功率半导体激光器发展现状。表1.1近年来国外808nm高功率半导体激光器发展现状年份研究单位波长nm类型功率电光转换效率2007nLight808bar55W71.5(at15℃)2008FBH808bar81W67.7(at15℃)2016Coherrnt808bar60W63%(at60W)2009Coherent808单管25W61%(C-mount)63%(COS)2007年，美国nLight激光公司研制出的808nm半导体激光器阵列。以传导冷却型进行封装在15℃工作温度下，达到55W输出功率，71.5%电光转换效率。迄今为止，这是光电转换率所能做到的最高标准[6]。2008年，FBH公司研制出的新型808nm激光阵列。在15℃工作温度下功率达到81W，电光转换效率为67.7%[7]。2009年，nLight激光公司研制出的808nm单管半导体激光器。最大功率达到25W，在C-mount封装下转换功率可为61%，以COS型式封装转换功率为63%[8]。2016年，世界第一大激光器公司Coherent研制出的808nm激光阵列。仅18%的填充因子，连续在25℃工作温度下，达到60W输出功率，63%电光转换效率，另外激光器寿命长达5万小时[9]。虽然近年来国外的多家公司，对808nm高功率半导体激光器的研究趋近成熟。但
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率半导体激光器封装热应力研究[J]. 袁庆贺,井红旗,仲莉,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2019(10)
[2]半导体激光器的物理特性分析及研究[J]. 张鹏. 激光杂志. 2018(12)
[3]碳化硅材料研究现状与应用展望[J]. 王家鹏,贺东葛,赵婉云. 电子工业专用设备. 2018(04)
[4]半导体激光器波长温度特性的建模与试验研究[J]. 辛倩倩,万熠,毕文波,张平清. 工具技术. 2017(12)
[5]碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究[J]. 倪羽茜,井红旗,孔金霞,王翠鸾,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2018(01)
[6]水平腔面发射半导体激光器研究进展[J]. 海一娜,邹永刚,田锟,马晓辉,王海珠,范杰,白云峰. 中国光学. 2017(02)
[7]高功率、高效率808nm半导体激光器阵列[J]. 王贞福,杨国文,吴建耀,宋克昌,李秀山,宋云菲. 物理学报. 2016(16)
[8]环境温度对半导体激光器输出功率的影响[J]. 何培文. 科技视界. 2016(07)
[9]大功率半导体激光器研究进展[J]. 王立军,宁永强,秦莉,佟存柱,陈泳屹. 发光学报. 2015(01)
[10]高功率半导体巴条激光器的热特性分析[J]. 李江,李超,徐昊,章强,周旻超. 发光学报. 2014(12)
硕士论文
[1]808nm高功率半导体激光器芯片研究[D]. 祁鲁汉.陕西师范大学 2019
[2]基于ANSYS的半导体激光器热特性研究[D]. 张晓磊.长春理工大学 2018
[3]852nm半导体激光器的工艺制备及其特性分析[D]. 廖翌如.北京工业大学 2017
[4]某型光纤激光器有限元热分析与改进设计研究[D]. 彭兴文.国防科学技术大学 2015
[5]TO-CAN封装的半导体激光器的热分析及温控研究[D]. 韩文志.山东大学 2015
[6]半导体激光器热特性分析研究[D]. 何海强.长春理工大学 2015
[7]高功率半导体激光器封装热特性的分析研究[D]. 王文.长春理工大学 2014
[8]半导体激光器的热特性及封装技术研究[D]. 何友军.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2003
本文编号：3442773
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