半導(dǎo)體激光器在激光泵浦、工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著高功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的不斷提高,產(chǎn)生的熱量也逐漸增多,熱問題成為相關(guān)科研人員研究的焦點(diǎn)。如何提高輸出功率、降低閾值電流、減少熱量的產(chǎn)生,成為重要的研究方向。本論文對808nm波段高功率半導(dǎo)體激光器單管器件,通過ANSYS Workbench軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析及熱應(yīng)力分析。本論文的主要研究內(nèi)容如下:首先,針對C-mount封裝熱沉結(jié)構(gòu),通過添加新型Si C材料作為過渡熱沉。利用ANSYS軟件對未添加過渡熱沉結(jié)構(gòu)和添加Si C過渡熱沉結(jié)構(gòu),進(jìn)行理論模擬及對比分析,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),確定最佳的過渡熱沉尺寸。理論模擬結(jié)果表明,添加Si C過渡熱沉單管器件結(jié)溫及熱阻降低,熱應(yīng)力減小,輸出功率明顯提高。其次,針對雙孔大型無氧銅熱沉結(jié)構(gòu)對高功率單管器件進(jìn)行封裝。利用ANSYS軟件分析焊料層厚度對激光器散熱效果的影響,確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。以此焊料厚度,分別模擬Al N、Wu Cu兩種過渡熱沉材料對激光器熱特性的改善,模擬結(jié)果表明添加Al N過渡熱器件的熱阻低、應(yīng)力小、輸出功率高。最后,根據(jù)理論模擬結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計尺寸,分別對兩種熱沉結(jié)構(gòu)單管... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖

第1章緒論2能級空穴產(chǎn)生光子，產(chǎn)生光子的特征值要與入射光子一致，從而實(shí)現(xiàn)光放大，圖1.1為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖。圖1.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖(2)諧振腔諧振腔是介質(zhì)波導(dǎo)腔，主要作用是產(chǎn)生與維持光放大，改變激光的方向性，使受激輻射達(dá)到多次反饋，形成激光振蕩的腔體稱之為諧振腔。法布里-珀羅諧振腔如圖1.2，作為半導(dǎo)體激光器常用的腔型，是由兩個反射鏡構(gòu)成[3]。圖1.2法布里-珀羅諧振腔示意圖諧振腔為激光輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩條件(相位條件)，只有滿足特定頻率的光，才可以在兩個反射面中來回進(jìn)行反射。根據(jù)公式：2mlnλ=(1-1)式中:l為腔長，m為縱膜的數(shù)量，λ為波長,n為半導(dǎo)體材料的折射率。半波長的整數(shù)倍與共振腔腔長相等的駐波可以存在腔內(nèi)，其余的波會在腔內(nèi)反復(fù)傳播損耗殆荊(3)增益與閾值條件如果想要在穩(wěn)定振蕩輸出的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)光放大，激光器內(nèi)部的工作介質(zhì)就必然需要對入射光供給一定的增益，統(tǒng)稱為閾值增益。當(dāng)達(dá)到閾值增益時，注入的電流稱之為閾值電流。當(dāng)激光器進(jìn)行增益時，增益數(shù)值需要大于或者等于內(nèi)部與外部損耗的總時，激光器會建立起穩(wěn)定的振蕩效果[4]，表達(dá)公式為：gthiout≥g=a+a(1-2)式中:g為增益數(shù)值，thg為損耗總和，ia為內(nèi)部有源區(qū)進(jìn)行光子吸收和光子散射的損耗，outa為外部損耗。

第1章緒論31.2.2高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀從上個世紀(jì)60年代至今，半導(dǎo)體激光器逐漸開始進(jìn)入人們的視線，并且一直研究至今[5]，圖1.3為半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡圖。圖1.3半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡圖目前在半導(dǎo)體行業(yè)中，大家關(guān)注的問題是如何提高電光轉(zhuǎn)換效率、輸出功率以及相關(guān)性能參數(shù)。近年來，在800~1100nm的紅外波段，電光轉(zhuǎn)換效率、輸出功率有明顯的提高，并且808nm高功率半導(dǎo)體激光同樣成為了國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。表1.1是近年來國外808nm高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀。表1.1近年來國外808nm高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀年份研究單位波長nm類型功率電光轉(zhuǎn)換效率2007nLight808bar55W71.5(at15℃)2008FBH808bar81W67.7(at15℃)2016Coherrnt808bar60W63%(at60W)2009Coherent808單管25W61%(C-mount)63%(COS)2007年，美國nLight激光公司研制出的808nm半導(dǎo)體激光器陣列。以傳導(dǎo)冷卻型進(jìn)行封裝在15℃工作溫度下，達(dá)到55W輸出功率，71.5%電光轉(zhuǎn)換效率。迄今為止，這是光電轉(zhuǎn)換率所能做到的最高標(biāo)準(zhǔn)[6]。2008年，F(xiàn)BH公司研制出的新型808nm激光陣列。在15℃工作溫度下功率達(dá)到81W，電光轉(zhuǎn)換效率為67.7%[7]。2009年，nLight激光公司研制出的808nm單管半導(dǎo)體激光器。最大功率達(dá)到25W，在C-mount封裝下轉(zhuǎn)換功率可為61%，以COS型式封裝轉(zhuǎn)換功率為63%[8]。2016年，世界第一大激光器公司Coherent研制出的808nm激光陣列。僅18%的填充因子，連續(xù)在25℃工作溫度下，達(dá)到60W輸出功率，63%電光轉(zhuǎn)換效率，另外激光器壽命長達(dá)5萬小時[9]。雖然近年來國外的多家公司，對808nm高功率半導(dǎo)體激光器的研究趨近成熟。但

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大功率半導(dǎo)體激光器封裝熱應(yīng)力研究[J]. 袁慶賀,井紅旗,仲莉,劉素平,馬驍宇.  中國激光. 2019(10)
[2]半導(dǎo)體激光器的物理特性分析及研究[J]. 張鵬.  激光雜志. 2018(12)
[3]碳化硅材料研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J]. 王家鵬,賀東葛,趙婉云.  電子工業(yè)專用設(shè)備. 2018(04)
[4]半導(dǎo)體激光器波長溫度特性的建模與試驗(yàn)研究[J]. 辛倩倩,萬熠,畢文波,張平清.  工具技術(shù). 2017(12)
[5]碳化硅封裝高功率半導(dǎo)體激光器散熱性能研究[J]. 倪羽茜,井紅旗,孔金霞,王翠鸞,劉素平,馬驍宇.  中國激光. 2018(01)
[6]水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J]. 海一娜,鄒永剛,田錕,馬曉輝,王海珠,范杰,白云峰.  中國光學(xué). 2017(02)
[7]高功率、高效率808nm半導(dǎo)體激光器陣列[J]. 王貞福,楊國文,吳建耀,宋克昌,李秀山,宋云菲.  物理學(xué)報. 2016(16)
[8]環(huán)境溫度對半導(dǎo)體激光器輸出功率的影響[J]. 何培文.  科技視界. 2016(07)
[9]大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J]. 王立軍,寧永強(qiáng),秦莉,佟存柱,陳泳屹.  發(fā)光學(xué)報. 2015(01)
[10]高功率半導(dǎo)體巴條激光器的熱特性分析[J]. 李江,李超,徐昊,章強(qiáng),周旻超.  發(fā)光學(xué)報. 2014(12)

碩士論文
[1]808nm高功率半導(dǎo)體激光器芯片研究[D]. 祁魯漢.陜西師范大學(xué) 2019
[2]基于ANSYS的半導(dǎo)體激光器熱特性研究[D]. 張曉磊.長春理工大學(xué) 2018
[3]852nm半導(dǎo)體激光器的工藝制備及其特性分析[D]. 廖翌如.北京工業(yè)大學(xué) 2017
[4]某型光纖激光器有限元熱分析與改進(jìn)設(shè)計研究[D]. 彭興文.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015
[5]TO-CAN封裝的半導(dǎo)體激光器的熱分析及溫控研究[D]. 韓文志.山東大學(xué) 2015
[6]半導(dǎo)體激光器熱特性分析研究[D]. 何海強(qiáng).長春理工大學(xué) 2015
[7]高功率半導(dǎo)體激光器封裝熱特性的分析研究[D]. 王文.長春理工大學(xué) 2014
[8]半導(dǎo)體激光器的熱特性及封裝技術(shù)研究[D]. 何友軍.中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所） 2003



本文編號：3442773