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半導體激光器閾值電流增加、發(fā)射波長紅移，造成模式的不穩(wěn)定，同時還增加了內部缺陷，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行熱分析和模擬方面，前人已做過大量工作。R Puchert等人［2］對大功率半導體激光器陣列在連續(xù)驅動條件下的瞬態(tài)溫度分布進行了模擬和分析，還有很多國內外文獻［3-4］ 對激光器單管的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分布進行了模擬，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(shù)，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，本文針對實際工作中涉及到的泵浦用808 nm半導體激光器一維線陣列進行了熱場分析和模擬，并通過實際測量與模擬結果進行了對比，實測結果與模擬結果基本吻合。

　　2 模型建立

　　根據(jù)二極管激光器的驅動方式，可將其分為三類：連續(xù)運行激光器、準連續(xù)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進行模擬，給出工作于準連續(xù)及連續(xù)狀態(tài)下激光器陣列的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度分布。由于影響激光器陣列系統(tǒng)工作溫度的因素很多，在模擬過程中，將其效果等效到陣列中每個發(fā)光單元的有源區(qū)，用熱功率密度來表示。同時各個發(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，所以沿腔長方向的熱功率密度并不是一致的。依據(jù)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，經過近似推導得出，沿腔長方向的熱流密度滿足函數(shù)關系

　　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(shù)，l為諧振腔腔長，R為腔面反射率。

　　圖1給出沿腔長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導致激光器前腔面的快速燒毀失效。

　　模擬過程中，認為材料的各個參數(shù)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p型層向下傳至載體。器件工作過程中載體底部保持恒溫288 K，與空氣的對流系數(shù)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(xù)808 nm一維線陣列的穩(wěn)態(tài)溫度分布進行了模擬。

　　圖2我們可以看出，載體溫度的最高點出現(xiàn)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倍以便觀察。由圖3我們可以看出，管芯內最高溫度出現(xiàn)在有源區(qū)前腔面附近。圖4給出了沿腔長方向有源區(qū)的溫度分布曲線，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(shù)規(guī)律遞減；二是在后腔面附近，載體起到了二維散熱作用。通過圖5所示的熱流矢量圖我們可以清楚地看到，在后腔面附近，熱流向兩個方向側向和下方同時傳遞。

　　同時，我們也對90/130版準連續(xù)808 nm一維線陣列的瞬態(tài)溫度分布進行了模擬，瞬態(tài)模型與穩(wěn)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條件下激光器芯片中最高溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，有源區(qū)的溫度變化和所加脈沖的占空比有密切關系。占空比較低時，如0.2%，一個脈沖內上升的溫度低，約為3 K；在弛豫過程，弛豫所需時間短，大約幾個微秒。占空比高時，如40%，上升過程中，一個脈沖內上升的溫度比低占空比時高很多，約為12 K；在弛豫過程，高占空比情況下弛豫的時間較長，在幾百微秒至幾毫秒的量級內。根據(jù)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，由于升溫過程和熱弛豫過程的交替進行，最終會達到一個動態(tài)平衡，有源區(qū)保持準恒定的溫度。激光器在低占空比條件下，升溫過程穩(wěn)定溫度不高，且熱弛豫過程完全，不會造成有源區(qū)的熱積累，達到的最終準恒定的平衡溫度較低；而高占空比條件下，脈沖結束時，穩(wěn)定溫度高，而熱弛豫過程又不完全，必然造成有源區(qū)的熱積累，使最終的平衡溫度高。如圖6所示，占空比為0.2%和2%時，沒有熱積累；而當占空比為20%時，已有熱積累產生，當占空比增大到40%時，熱積累也隨之增多。所以高占空比和連續(xù)工作狀態(tài)時更需要很好的散熱裝置。

　　4 測量結果

　　為檢驗模擬結果，我們采用縱模光譜法測量 800 nm 100/130版一維線陣列的熱阻。縱模光譜法依據(jù)的基本原理是半導體激光器的縱模波長會隨溫度移動，產生發(fā)光波長隨溫度紅移的現(xiàn)象。利用這一方法，我們在短脈沖下改變殼溫，并測量相應的波長移動，從而獲得波長移動與溫度之間的校準曲線，推測出波長隨溫度的變化率。對于我們所測量的800 nm激光器陣列，該變化率測得為0.3 nm/K。在此基礎上，增加工作電流的占空比，并測出不同占空比下的波長，即可由波長-熱功率曲線得出λ/p，進而由λ/p = 0.3nm /K計算得到相應的熱阻。圖7為通過實驗測得的波長隨熱功率變化的曲線，通過線性擬和得到λ/p =0.377，所以通過實驗測得的熱阻為1.25 K/W。而我們通過模擬得到的100/130版的熱阻為0.81K/W，比實驗值偏小，分析其原因主要有以下兩方面：⑴我們在模擬過程中假設焊料層光滑平整且上下表面完全接觸，但在實際器件中，焊料層中會出現(xiàn)缺陷且實際接觸面積并不是100%，這些都會導致熱阻增大。⑵在模擬過程中我們取載體銅的熱導率為4 W/cm·K，而實際載體的熱導率偏小，這也會導致熱阻偏大。

　　5 結論

　　對半導體激光器的熱特性進行模擬分析可以幫助我們對其設計和工藝進行改進。本文利用ANSYS軟件對大功率激光器陣列的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度分布進行了模擬，并通過測量熱阻的試驗對模型進行了檢驗。試驗結果略高于模擬值，通過分析原因，我們認為這個結果是完全合理的。