LD单端泵浦变热导率Nd∶YAG方形热容激光器温度场

对方形激光晶体的实际工作特点进行分析,根据热容激光器的管理模式,建立泵浦阶段和冷却阶段的晶体热模型,引入变热传导系数对方程进行求解,分别得到LD单端泵浦和冷却时热容激光器温度场的表达式。分析了不同的光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明:当泵浦功率为60W、光斑半径为800μm、超高斯阶次为3的脉冲激光二极管对晶体进行泵浦时,在将Nd∶YAG晶体的热导率视为常量和变量的情况下,晶体在泵浦端面获得的最大温升分别为149.93℃、180.18℃。激光晶体的尺寸为(20×20×10)mm3,掺钕离子为1.0%。     

千瓦级半导体抽运的固体热容板条激光器

报道了千瓦级激光二极管面阵抽运固体热容激光器的理论与实验研究,分别采用Nd∶YAG单板条和双板条串接的热容激光器,利用热容激光器的理论计算模型计算了在一定的工作时间内激光输出特性,并进行了实验验证。实验中采用的晶体尺寸均为59mm×40mm×4.5mm,对单板条进行抽运时平均功率大约为5.6kW,双板条串接时为11.2kW,重复频率为1kHz,占空比为20%。实验中观察了1s的工作时间内脉冲能量输出的波动情况,单板条时单脉冲能量输出最大为1.3J,在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的70%左右,而双板条串接时单脉冲能量输出最大为2.06J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%左右,对单块晶体采用通水冷却的准热容热管理模式能有效地降低其热效应。     

石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性

为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低,增加封装结构的散热性能,降低器件封装成本,提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后,封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比,有源区结温降低4.5 K,热阻降低0.45 K/W。通过计算可知,激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下,确定铜钨合金与石墨的结构尺寸,以达到最好的散热效果。     

固体热容激光器与热稳态固体激光器温度场和应力场的比较研究

 建立了3维温度场及应力场模型，并采用有限元分析方法对Nd:YAG作为激活介质的固体热容激光器与热稳态固体激光器进行了对比研究。激光二极管阵列距离晶体3.5 mm，阵列功率2×4.2 kW，bar间隔0.4 mm，每bar发光面积为1 μm×5 mm，频率100 Hz，脉宽100 μs，Nd:YAG晶体初始温度20 ℃，冷却水温20 ℃。计算结果表明：热容模式激光介质的表面温度高于中心温度，稳态模式刚好相反, 稳态模式温差极值（19.8 ℃）是热容模式(6.4 ℃)的3.1倍,温度梯度极值(11.9 ℃/mm)是热容模式(2.46 ℃/mm)的4.8倍，热流密度极值(0.136 W/mm²)是热容模式(0.021 W/mm²))的6.4倍；稳态模式激光介质的表面出现张应力，中心出现压应力，热容模式则刚好相反，稳态模式压应力极值(18.27 MPa)是热容模式(12.1 MPa)的1.5倍，张应力极值(38.39 MPa)是热容模式(10.3 MPa)的3.9倍。由于晶体可以承受的压应力的破坏阈值远高于张应力，所以热容模式的固体激光器比稳态模式的固体激光器可以工作在更高的泵浦功率水平上。     

808nm大功率分布反馈激光器列阵研制

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率,必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm, 25℃时中心波长为808 nm,通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图,表明当脉冲工作电流为148 A时,激光器列阵的输出功率可以达到100 W,斜率效率为0.9 W/A,光谱的FWHM为0.5 nm,边模抑制比可以达到40 dB,出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃,单列阵波长锁定范围可达50℃,总锁定范围100℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。     

高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。     

高功率半导体巴条激光器的热特性分析

对采用5层叠焊的微通道无氧铜热沉冷却的巴条激光器进行了流体动力学(CFD)分析。建立了条宽10 mm、腔长1.5 mm巴条芯片的流固耦合共轭传热模型,得到了不同流量水冷下激光器的热阻和压力损失曲线。分析了300 m L/min水流时,激光器的温度分布和冷却水的流动性能。实验条件下,测试了该微通道热沉封装的808 nm巴条激光器的热阻和压力损失。数值计算和实验测试所得的结果一致,在300 m L/min水流下,巴条热阻为0.38℃/W,在温度不高于70℃时可满足连续模式下90 W的散热要求。     

千瓦级二极管泵浦热容固体激光器

热容激光器与常规的高功率固体激光器的本质区别是激光介质的热管理方式不同，常规高功率固体激光器是边工作边冷却，而热容式激光器采用了工作时间和冷却时间相分离的热管理模式。因此热容激光器不再受介质断裂极限限制，可提高平均输出功率，同时由于工作时介质内部不存在显著的温差、热应力，可有效减小光程畸变提高光束质量。     

固态热容激光器3维瞬态热畸变模拟分析

 根据固态热容激光器的动态工作特性,考虑热力学参数与温度的关系,采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律,并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示,形变是引起波前相位畸变的主要因素,退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。     

C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果,基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构,研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下,腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K,热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构,使封装激光器的结温降低为333.8 K,热阻减小到3.5 K/W。计算表明,其输出功率可提高近20%。     

高密度封装二极管激光器阵列

 理论模拟了自制的高效冷却器的散热能力,分析了单元封装结构所需材料的导热特性,获得了高功率二极管激光器在高功率密度、高占空比条件下运行的可行性。改进了高密度封装的关键工艺,热沉金属化层达到了3~5 mm,焊料厚度为4~7 mm,封装间距0.6 mm,采用峰值功率1 kW的背冷式叠阵二极管激光器。实验测试结果表明:封装的二极管激光器叠阵单元的整体封装热阻为0.115 ℃/W,有良好的散热能力;该叠阵模块在电流为100 A、占空比15%时,输出峰值功率为986 W,峰值功率密度达到1.5 kW/cm2,平均每个板条的斜效率为1.25 W/A,激光器阈值电流为20 A左右。     

基于沸腾-空化耦合效应的微通道线阵LD用热沉

 针对大功率LD的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,研制了一种微通道相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。依据加工条件确定通道宽度、深度以及间距,采用2维数值模型估算了通道长度,热沉材料采用无氧铜,多层叠焊,外形尺寸为20 mm×12 mm×1.6 mm。实验测试了连续功率LD输出0～100 W时的电 光转换效率以及电流 输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速50 r/s时热沉热阻为0.3 ℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的散热能力,能够满足大功率LD的散热要求。     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

Thermal- and Spectral-Characteristics of High-Power Quasi-Continuous Wave 940-nm InGaAs Diode Laser Arrays

Experimental results of the thermal and spectral characteristics of a monolithic stack of high power quasicontinuous wave 940-nm InGaAs linear laser diode arrays have been evaluated. Thermal resistance as the most important thermal parameter characterizing a high-power laser diode package was obtained using the temperature rise measured directly by a thermo-camera. A new simple and convenient technique to measure a spectral transition of the emission from laser diode arrays is proposed. Spectral chirping due to the transient thermal power dissipated during the laser pulse was observed as a time-evolution of the spectral profile; it gave a comprehensible image of the chirping behavior. Comparing the temperature rise in the diode junction with the thermal simulation, it was determined that the thermal shift of central wavelength dλ/dT was 0.21 nm/°C. Detailed performances were identified for pumping a Yb³⁺ doped crystalline laser, and it was verified that the laser diode arrays were satisfactory to meet pumping source requirements for coupling to Yb³⁺ absorption linewidth.     

激光二极管抽运固体激光器场分布的热不稳定性研究

通过建立激光介质非热平衡状态的振荡散热模型，分析了激光二极管抽运固体激光器中，热透镜的不稳定性.研究表明，热透镜的这种热不稳定性是造成激光场不稳定的重要因素.会造成高斯半径的不稳定波动，会使激光光束的指向角波动，会造成激光光斑的非对称畸变，这种畸变也处于波动之中.通过对端面抽运条件下，热耗为1W的Nd:YAG激光介质的理论和实验研究，确定了这种原因下光场不稳定度的数量级. 关键词： 激光二极管 固体激光器 热透镜     

封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题,本文在研究smile效应产生机理的基础上,提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808nm水平阵列封装半导体激光器为例,采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明,采用传统封装技术,在恢复至室温22℃后,芯片smile值约为39.36μm,采用封装前升高芯片温度至429℃的错温封装技术,可以将smile值降至1.9μm;若采用热沉预应力技术,对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力,可以将smile值降至0.35μm。结果表明,这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点,其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。     

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发,采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布,在此基础上采用热传导模型和热力模型,比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间,并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明,采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重,不同的抽运结构参量下,温度分布不同;达到稳态所需时间随棒半径增大而增加,而不受抽运功率的影响;抽运功率越大,棒内温差增大,热应力也越大;热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。     

Approximate formulas of temperature and stress distributions and thermal induced effects in a heat capacity slab laser

Approximate formulas of transient temperature and stress distributions in the slab of a two-side pumped heat capacity laser are attained by solving the heat diffusion equation. Based on the formulas, the distributions of temperature and stress during the pump period of a two-sided symmetrically laser diode array (LDA) pumped Nd:GGG slab laser with 5-kW average output power are numerically simulated. The results show that the temperature in the slab will averagely increase by more than 70 ℃ after operating for 10 seconds; the stress and maximum of the temperature difference in the slab are about 30 MPa and 24 ℃, respectively. The thermal induced effects are discussed also.     

基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究

为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120 μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积（BPP）由5.344 mm·mrad 降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。