多有源区隧道再生半导体激光器稳态热特性

第 ２ ３卷 第 ３期
２１ ０ １年 ３月
ห้องสมุดไป่ตู้
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＩＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ Ｒ ＴＩ Ｇ ＣＩＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖ ｏ１ ２ ． ３， Ｎ Ｏ ３ ．
Ｍ ａ ．，２ ｌ ｒ Ｏ１
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ３０ １ －４ ０ １４ ２ （ ０ １ ０ —８ ７０
摘
要 ： 利 用 有 限 元 软 件 ＡＮＳ Ｓ结 合 傅 里 叶定 律 ， 制 约 适 用 于 光 纤 耦 合 输 出 的 新 型 高 功 率 多 有 源 区 Ｙ 对
隧 道 再 生 半 导 体 激 光 器 长 寿 命 工 作 的稳 态热 特性 进 行 了系 统 计 算 、 析 。获 得 了 这 种 新 型 器 件 工 作 时 各 有 源 分
区 温 度 分 布 特 征 及 与 传 统 单 有 源 区 器件 稳 态 热 特 性 的 区 别 ， 给 出 了 多 有 源 区 隧 道 再 生 半 导 体 激 光 器 工 作 时 并
各 有 源 区 温 度 的 估 算 方 法 ， 时 对 有 效 降 低 这 种 新 型 器 件 热 阻 的 方 法 进 行 了讨 论 。结 果 表 明 ： 续 工 作 时 ， 同 连 多
有 源 区 隧 道 再 生 半 导 体 激 光 器 比 同材 料 体 系 传 统 结 构 器 件 更 易 获得 较 高 的 输 出 功 率 。 关 键 词 ： 半 导 体 激 光器 ； 光 纤 耦 合 ； 多 有 源 区 ； 隧道 再 生
中 图 分 类 号 ： ＴＮ２ ８ ４ ４ ． 文 献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰＩＰ ０ １ ３ ３ ０ １ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｂ２ １ ２ ０ ． ８ ７
究热 点 。传统 大功率 半导 体 激光单 元器 件 为单有 源 区结 构 ， 远场 光 束 快 慢轴 方 向差 异较 大 ， 接耦 合 进 入 直 多模光 纤浪 费 了光纤在 快 轴方 向上 的传输 能 力 ， 利 于获得 较高 出纤 亮度 。为 了解 决这 一 问题 ， 不 国外各 大公 司 及 研究 机构 在不 断努力 提 高半 导体 激光单 元 器件输 出亮 度 的 同 时 ， 采 用将 多 个传 统 大 功率 半 导 体激 光 单元 均 器 件光束 在快 轴 方 向空 问集 成后 聚焦 进人 光 纤 的方 法 ” ， 该 方 法 涉及 多 个半 导体 激 光单 元 器 件 、 光学 ］但 微
大功率 半导 体激 光器 由于体积 小 、 量 轻 、 质 电光转 换效率 高 、 寿命 长 等优点 ， 泛应 用 于工业 、 广 军事 、 医疗 等 领 域 ］ 。特别 是近 年来 高功 率光 纤激 光器 对 高功率 、 寿命泵 浦 源需求 的 日益增 长 ］ 基 于高 功率 半导 体 激 长 。， 光单元 器件 的光 纤耦合 输 出大 功率 半导体 激 光器 由于其 超 长寿命 和 日益增 大 的输 出功率 逐 渐成 为该领 域 的研
收， 器件 中其 它层 产生 热较 少 ， 以忽略 ， 可 将体 热源 模 型均 匀建 立 在有 源 区 中。热 沉 采用 常 用 ＴＯ结 构 无 氧铜 热 沉 ， 算 中器件 腔长 增加 时 同时等量 增 加热沉 厚 度 。该 结构 激光 器工 作 时 ， 计 与激光 器腔 面平行 的热沉背 面与 散 热器相 连 ， 因此 在热 沉此 面施 加恒 温边 界条件 ， 同时忽 略 热辐 射 和对 流 传热 ， 模 型其 它 部 分施 加 绝 热边 界 在
多 有 源 区 隧 道 再 生 半 导 体 激 光 器 稳 态 热 特 性
王智群 ， 尧 舜 ， 崔碧峰 ， 王智勇 沈光地 ，
（ ．北 京 工 业 大 学 光 电 子技 术 实验 室 ，北 京 １０ ２ ； ２ １ ０ １４ ．北 京 工 业 大 学 激 光 工 程 研 究 院 ，北 京 １０ ２ ） ０ １４
元 件 的集 成 ， 结构 复杂 、 稳定 性较 差且 成本 高 昂 。隧道再 生半 导 体 激光 器 是一 种 新 型 的半 导 体 激光 器 ， 用 隧 利
道结 在单 个器 件 内部将 多个 有源 区沿 快轴 方 向 串联在 一 起 ｊ “ 。利 用 该 结 构器 件 可 通 过增 加 有 源 区个 数 有效 利用 多模 光纤 的传 输能 力提 高 出纤亮 度 ， 另一方 面 利用该 结构 器件 可使 楔形 端 头光纤 对其 直接 进行 耦合 ， 避免 快慢 轴 准直和 空 间集成 ， 结构 简 单 ， 定性 高 。要获 得高 出纤 亮 度 ， 稳 这种 多 有 源 区半 导体 激 光 器 必须 高 功率 输 出， 此时 多有 源 区的散热 问题 成 为其长 寿命 、 高质 量 工作 的关键 。现 有关 于这 种新 型器 件 的热特 性相关 研 究主 要集 中在 暂态 脉 冲工作 特性 条件 下ｌ ” ， １ Ｊ 而关 于连续 电流工 作条 件 下 的热 特性 分 析 以及 如 何 有效 降低热 阻 的 研究 鲜见文 献 报道 。本文 利用 有 限元 软件 ＡＮＳ ＹＳ对 具有 三有 源 区的隧 道再 生半 导体 激光 器进 行稳 态 热 特性 分析 ， 获得 腔长 、 向尺 寸变化 对 器件热 阻 的影 响 ， 有源 区 温度 的计 算 方 法及 与 传统 单 有 源 区器 件 热特 性 差 侧 各
异 ， 这种 新 型器件 的设 计 、 用 提供 了理论 支持 。 为 使
ｌ 计 算模 型
计 算 中为 了准确 获得 多有 源 区隧道 再生 半导 体激 光器 的 内部 稳 态 热特 性 ， 须将 器 件结 构 与 热沉 共 同建 必 模 作为 整体计 算 。作 为大 功率 器件 ， 器件 中热 主要 来 源 于 有 源 区 中 的非 辐 射 复 合 、 射 吸 收 以及 自发 辐 射 吸 辐