摘要：在我國最近的幾年時間里,半導體激光器所應用的功率逐漸升高,所以相應引發(fā)的散熱情況成為了目前阻礙半導體激光器進一步發(fā)展的最大原因。由于機器芯片的升溫最終會使得激光器的工作性能不斷降低,想要使得半導體激光器能夠在大功率的工作原理下依舊保持持續(xù)穩(wěn)定的工作性能,就只能讓芯片的工作得到很好的散熱,經(jīng)過對半導體激光器中的芯片升溫現(xiàn)象對半導體激光器各項功能的影響程度分析,得出了芯片升溫對半導體激光器有著非常重要的影響。本文根據(jù)半導體激光器在芯片升溫中出現(xiàn)的問題進行了探討,對如何解決這一問題提出了方法。
關鍵詞：大功率；半導體激光器；方法
半導體激光器有著非常明顯的優(yōu)勢地方，例如體積質(zhì)量小，電光轉(zhuǎn)變的高效等優(yōu)勢地方，因為這些優(yōu)勢特點致使半導體激光器已經(jīng)被使用在了各個行業(yè)中。半導體激光器通常情況友最基礎的發(fā)光單管進行組合，發(fā)光單管可形成多個Bar條，再由多個 Bar條形成一定的疊陣。因為我國半導體技術水平的逐漸加深，所以使用的功率也在逐漸升高，一個發(fā)光單管的極限功率可以達到25瓦，峰值厘米巴條功率已經(jīng)增長到了1000瓦，但是發(fā)光單管的體積確實非常精巧的。因為芯片的升溫會對半導體工作產(chǎn)生非常嚴重的影響，所以本文特針對大功率半導體激光器如何有效散 熱情況進行了研究，并且討論如何有效使用。
1、芯片的溫度對半導體激光器的影響
1.1溫度對最小電流的作用
芯片溫度對激光器正常工作所需求的最小電流的作用主要體現(xiàn)在激光器的內(nèi)部構(gòu)造。由于芯片溫度提高，激光器的最小電流也會相應的加大，這時可以明顯看出半導體激光器在最小電流的支持下，所必需要加快溫度的散熱效率，只有這樣才可以保證激光器的正常工作。
1.2芯片溫度對斜率的作用
半導體激光器的斜率功效就是半導體激光器的發(fā)動電流和驅(qū)光電流的線性數(shù)據(jù)，通常情況下，半導體激光器的斜率功效愈大，所帶來的性能也就更加優(yōu)秀，然而芯片的溫度升高卻能夠使得半導體激光器的斜率功效得不到很好的發(fā)揮。
1.3芯片溫度對發(fā)光功效的作用
通過實驗數(shù)據(jù)可以清晰的看出，芯片的溫度越高，激光器的發(fā)光功效就會變得很小。
1.4芯片溫度發(fā)光線長度的作用
如果激光器的溫度產(chǎn)生了變化，那么機關器的發(fā)光長度也會隨之相應的發(fā)生變化。所以根據(jù)之上所說的數(shù)據(jù)，芯片溫度的升高，帶之而來的激光器溫度加大會使得激光器得不到良好的工作性能，所以對激光器的散熱性能的研究是刻不容緩的，也是激光器正常工作的關鍵地方。
2、激光器散熱方法研究
2.1 半導體激光器傳遞熱量環(huán)節(jié)
半導體激光器正常工作時發(fā)出的熱量大多是經(jīng)過沉淀發(fā)散，激光器的熱量散熱主要有初級散熱和次級散熱。激光器工作芯片經(jīng)過多次復雜多變的工藝技術進行初級散熱。而次級散熱可以和冷卻物質(zhì)發(fā)生最為直接的作用，從而使的熱量消失。激光器產(chǎn)生的熱量依次由焊接間，絕緣間，初級散熱，次級散熱后進行最終的消散。其中，在激光器發(fā)光功效一定程度中，想要有效減少激光器的溫度就必須要做到這兩點：一方面是，可以采用減少冷卻液的溫度，以此通過增加溫度的差別來達到溫度的消散。例如實用的辦法就是實用液氮方法。因為半導體激光器在日常的工作環(huán)境下所實用的降溫太強的話，會使得激光器的表面層形成霜，所以當出現(xiàn)了結(jié)霜現(xiàn)象，激光器就會產(chǎn)生光線折線功能，甚至嚴重的情況，會使得激光器發(fā)生電路短路，激光器無法正常工作，所以采用這種方法要嚴格執(zhí)行操作標準。另一方面是，減輕激光器的芯片溫度和冷卻液的之間的熱阻。例如使用精鋼石膜，這是目前較好 的使用方法。
2.2激光器的散熱方法研究
激光器的傳熱導體可以分成固體導熱和流固傳導兩個方面。固體層的熱傳導其中包括熱層的熱阻，各個焊接間的熱阻，絕緣間的熱阻。為了能夠有效減少固體端的熱阻，很多研究人員做出了提升原材料導熱性能的研究，比如使用精鋼石膜可以有效的進行熱量的發(fā)散。這種方式相比較傳統(tǒng)的熱沉材質(zhì)，熱阻的功效減輕了百分之四五十，最小電流也得到了很明顯的降低。發(fā)光功效也得到了明顯的提升。雖然固體端熱阻的減輕能夠有效使得激光器的溫度得到緩解，但是根據(jù)相應的研究發(fā)現(xiàn)，再使用一些硅膠材料作為熱沉材料，其中固體端的熱則僅僅達到了流體端熱阻的一半，這就代表著激光器的散熱的重中之重就是在于加大流體端的熱阻。傳統(tǒng)方式的熱阻是采用空氣對流方法，伴隨者激光器不斷加大的功率，一些傳統(tǒng)的流體管散熱方式已經(jīng)不夠滿足激光器的散熱需求，因此有著很多新穎的散熱方式應運而生，例如采用微型通道散熱方法，噴霧方式冷卻等。
3、傳統(tǒng)的散熱方式
我國較為傳統(tǒng)的散熱方式其中包括自然對流法，大通道的水冷方式還有對半導體的冷卻方式。
3.1自然對流冷卻方式
我國對于激光器采取的傳統(tǒng)散熱方式是使用熱導性好的沉淀，對半導體激光器的表層進行延伸，使用自然散熱方式，以此達到對芯片溫度降低的目標。這種方式結(jié)構(gòu)具有一定的方便性，對材料的熱導性能要求標準也比較高，所以經(jīng)常使用銅最為使用材料。但是這種方式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)如今的散熱要求。
3.2大通道水冷方式
在最開始的時間，一些研究學者為了能夠充分降低激光器熱量發(fā)散的問題，將自然對流降溫改變成了強迫性對流降溫，由此出現(xiàn)了大通道熱沉方式。傳統(tǒng)的大通道水冷方式中的結(jié)構(gòu)是空腔型。進過對進水空位的優(yōu)化，能夠達到激光器發(fā)光效率的充分發(fā)揮，通過實驗數(shù)據(jù)證明，這樣的方式具有很好的散熱功能。雖然這種水冷方式比起傳統(tǒng)的那些方式有著一定明顯的優(yōu)勢，但是它自身也是存在著不足的，其主要的問題就是溫度的分布不均勻。研究學者為了解決這個現(xiàn)象，在通道之內(nèi)增添了很多換熱架構(gòu)，例如則流結(jié)構(gòu)。還設計了順排結(jié)構(gòu)和叉排結(jié)構(gòu)對散熱效果的分析，得出了順排結(jié)構(gòu)和叉排結(jié)構(gòu)對溫度的散熱都比傳統(tǒng)的散熱方式優(yōu)良，但是存在不足的是，其壓力會變大。所以大通道水冷方式具有著結(jié)構(gòu)簡單，溫度發(fā)散優(yōu)良的特點，是目前階段中應用最為廣泛的散熱方式，但是因為最近這些年來，激光器的大功率投入使用，這種方式還是達不到散熱需求。
4、新型的散熱方式
現(xiàn)如今，我國隨著大功率激光器的投入使用，因此研究出了很多新型的散熱方式，其中包括使用通道散熱，噴霧冷卻液，熱管 道散熱方式等。
4.1微型通道散熱
通過實驗發(fā)現(xiàn)了微型通道里單向水冷的高效能散熱方式，使用微型通道單向水冷方式進行溫度的冷卻引起了學者們的紛紛研究，對于微型通道水冷方式的定義有兩種，第一種是依據(jù)其尺寸來定義，其中對水力直徑小的定義為微型通道，另一種是通過對表面張力進行劃分，分成了微型通道或者常規(guī)性通道。其中對微型通道散熱性能的研究比比皆是，從微型通道中液體的流向可以劃分成單項和雙項兩種。伴隨著對微型通道理論知識的不斷研究，很多的研究者將微型通道散熱方式投入到了激光器的散熱工 作中。其中，一位學者對一種發(fā)光長度為 808nm的激光器進行了試驗，通過數(shù)據(jù)表明，這種微型通道可以有效的減少激光器的溫度，還可以保證激光器的發(fā)光功率。這種方式可以通過管道作為換熱的方式，由此減輕了微型通道的工作難度，并且得出了這種 方式具有良好的換熱功能。
4.2噴霧冷卻方式
和之前所述的微型通道散熱方式，使用噴霧冷卻是一種更為復雜的方式，其需要借助高氣壓的方式，使得液體進行霧化，進行強力噴射，以此來實現(xiàn)激光器的降溫。其中一些學者研究了激光器表面的粗糙程度對噴射冷卻液熱傳導的影響，進過對表面粗糙程度進行加深，可以有效增強噴霧的熱流密度。通過這些實驗研究，都能夠為噴霧冷卻的實際投入使用增添了可能性�，F(xiàn)如今，在我國化工產(chǎn)業(yè)，核電產(chǎn)業(yè)中廣泛使用這種噴霧冷卻方式。
4.3射流沖擊方式
采用射流沖擊盡心降溫的方式是一種通過高速的液體進行為表面的熱傳導，以此達到降溫的作用。其中一些學者做出了實驗，他們使用二十三度的水作為噴射的物質(zhì)，經(jīng)過強力的噴射，使得溫度控制在了五十度上，學者還對噴射設備進行設計研究。使用微型電子機械操控手段，可以在進行強力噴射的環(huán)節(jié)中使得工作完成的更好，其有著結(jié)構(gòu)精巧，可靠性高的特點。非常適合投入在小型激光器的散熱問題上。除此之外，這種方式使用在核反應堆上也可以，其中冷卻介質(zhì)可以換成氦氣，其中溫度差別可以形成到1500w。射流沖擊的這種方式是一種非常行之有效的降溫方式，這種方式大多是用來解決熱流密度高的散熱問題，例如使用在核反應堆上，采用這種的方式其中的缺點是，需要為其提供一定的高速冷卻介質(zhì)，因為可能會造成流體的損失過大，功耗也會隨之變大。
4.4液態(tài)冷卻方式
因為液態(tài)金屬的導熱性能良好，例如鋁合金的導熱性能就是水的29倍之多，因為其擁有著很好的對流熱傳導性，所以這種良好的熱傳導性可以廣泛的使用在電子芯片技術上，但是也有一部分學者發(fā)現(xiàn)其可以投入使用在激光器的散熱問題上。有些研究學者創(chuàng)造性的制造出了一種液態(tài)性金屬散熱方式。實驗過程是，金屬物質(zhì)在圓環(huán)之內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)，并且同時進過熱管或者微型通道將鋁合金等金屬發(fā)散的熱量帶走，通過實驗表明，在激光器芯片表面的熱流密度達到1000w的情況下，芯片的溫度只達到23度， 這樣就能很好的使得激光器得到很正常的使用。對于液態(tài)金屬的散熱研究，是最近幾年新興的研究方向，如果順利可以成為降低激光器熱量密度很好的辦法。其中也有液態(tài)金屬還可以使用在多個方面，例如對電腦芯片的散熱工作等，在實際的使用過程中，需要注意的地方就是要注意材料的兼容性問題等。
5、熱流密度和溫度差異的分析
之上所說的這些散熱方式能夠解決熱量密度，但是并不一定代表其具有很好的降溫性能。如果單單從熱量密度的大小來評判其散熱的效率是片面的，要對其進行全面綜合的考察，對一種方式是否具有良好的降溫性能需要對熱量密度和溫度差異進行同時考慮。相關的研究學者對不同的散熱方式進行了研究，統(tǒng)計了熱量密度和溫度差異的實驗數(shù)據(jù)。其中實驗數(shù)據(jù)表明，每種散熱方式達成的熱量密度都可隨著溫度的差異加大而加大。對于激光器的熱沉，一般情況下需要冷卻介質(zhì)的溫度保持在二十度左右。而激光器芯片正常的工作溫度不能超過六十度，這就使得其之間的溫度差異不能超過四十度，對于傳統(tǒng)的散熱方式，還不能夠達成要求，其所熱量密度較小。而采用新型的散熱方式其中使用微型通道方式，噴霧冷卻方式等都能夠?qū)崿F(xiàn)一定的標準要求，能夠達成熱量密度散熱的結(jié)果，這些方式的存在都為實現(xiàn)大功率半導體激光器的散熱問題提供了可行性的方案。
6、結(jié)束語
芯片溫度升高問題已經(jīng)逐漸成為了阻礙半導體激光器正常工作的首要因素，對于新型的散熱方式正在不斷的加深研究，對于解決大功率半導體激光器的散熱情況必須要緊緊抓住熱力學學科，材料學，與制造業(yè)進行充分的合作工作。雖然對于導熱性較好的材料和裝配技術的發(fā)展能夠在一定程度上解決大功率半導體激光器的散熱問題，但是對大功率半導體激光器的散熱問題還 是需要注重在對流散熱上，采取合理性的對流散熱方式是解決目前這一問題的關鍵所在。新型的散熱方式為實際的散熱工作提供了一定的基礎。
來源：中科院長春光機所
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