摘要：在我國最近的幾年時(shí)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(jìn)一步發(fā)展的最大原因。由于機器芯片的升溫最終會(huì )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穩定的工作性能,就只能讓芯片的工作得到很好的散熱,經(jīng)過(guò)對半導體激光器中的芯片升溫現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(zhù)非常重要的影響。本文根據半導體激光器在芯片升溫中出現的問(wèn)題進(jìn)行了探討,對如何解決這一問(wèn)題提出了方法。

關(guān)鍵詞：大功率；半導體激光器；方法

       半導體激光器有著(zhù)非常明顯的優(yōu)勢地方，例如體積質(zhì)量小，電光轉變的高效等優(yōu)勢地方，因為這些優(yōu)勢特點(diǎn)致使半導體激光器已經(jīng)被使用在了各個(gè)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(jìn)行組合，發(fā)光單管可形成多個(gè)Bar條，再由多個(gè) Bar條形成一定的疊陣。因為我國半導體技術(shù)水平的逐漸加深，所以使用的功率也在逐漸升高，一個(gè)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(cháng)到了1000瓦，但是發(fā)光單管的體積確實(shí)非常精巧的。因為芯片的升溫會(huì )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(jìn)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在激光器的內部構造。由于芯片溫度提高，激光器的最小電流也會(huì )相應的加大，這時(shí)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(dòng)電流和驅光電流的線(xiàn)性數據，通常情況下，半導體激光器的斜率功效愈大，所帶來(lái)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(guò)實(shí)驗數據可以清晰的看出，芯片的溫度越高，激光器的發(fā)光功效就會(huì )變得很小。

1.4芯片溫度發(fā)光線(xiàn)長(cháng)度的作用
如果激光器的溫度產(chǎn)生了變化，那么機關(guān)器的發(fā)光長(cháng)度也會(huì )隨之相應的發(fā)生變化。所以根據之上所說(shuō)的數據，芯片溫度的升高，帶之而來(lái)的激光器溫度加大會(huì )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(guān)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

      半導體激光器正常工作時(shí)發(fā)出的熱量大多是經(jīng)過(guò)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(guò)多次復雜多變的工藝技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)：一方面是，可以采用減少冷卻液的溫度，以此通過(guò)增加溫度的差別來(lái)達到溫度的消散。例如實(shí)用的辦法就是實(shí)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(shí)用的降溫太強的話(huà)，會(huì )使得激光器的表面層形成霜，所以當出現了結霜現象，激光器就會(huì )產(chǎn)生光線(xiàn)折線(xiàn)功能，甚至嚴重的情況，會(huì )使得激光器發(fā)生電路短路，激光器無(wú)法正常工作，所以采用這種方法要嚴格執行操作標準。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(gè)方面。固體層的熱傳導其中包括熱層的熱阻，各個(gè)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(jìn)行熱量的發(fā)散。這種方式相比較傳統的熱沉材質(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，但是根據相應的研究發(fā)現，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(zhù)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，一些傳統的流體管散熱方式已經(jīng)不夠滿(mǎn)足激光器的散熱需求，因此有著(zhù)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、傳統的散熱方式

我國較為傳統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(jìn)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。這種方式結構具有一定的方便性，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(mǎn)足現如今的散熱要求。

3.2大通道水冷方式

      在最開(kāi)始的時(shí)間，一些研究學(xué)者為了能夠充分降低激光器熱量發(fā)散的問(wèn)題，將自然對流降溫改變成了強迫性對流降溫，由此出現了大通道熱沉方式。傳統的大通道水冷方式中的結構是空腔型。進(jìn)過(guò)對進(jìn)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(guò)實(shí)驗數據證明，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的那些方式有著(zhù)一定明顯的優(yōu)勢，但是它自身也是存在著(zhù)不足的，其主要的問(wèn)題就是溫度的分布不均勻。研究學(xué)者為了解決這個(gè)現象，在通道之內增添了很多換熱架構，例如則流結構。還設計了順排結構和叉排結構對散熱效果的分析，得出了順排結構和叉排結構對溫度的散熱都比傳統的散熱方式優(yōu)良，但是存在不足的是，其壓力會(huì )變大。所以大通道水冷方式具有著(zhù)結構簡(jiǎn)單，溫度發(fā)散優(yōu)良的特點(diǎn)，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(lái)，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

   現如今，我國隨著(zhù)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(guò)實(shí)驗發(fā)現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(jìn)行溫度的冷卻引起了學(xué)者們的紛紛研究，對于微型通道水冷方式的定義有兩種，第一種是依據其尺寸來(lái)定義，其中對水力直徑小的定義為微型通道，另一種是通過(guò)對表面張力進(jìn)行劃分，分成了微型通道或者常規性通道。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(zhù)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(xué)者對一種發(fā)光長(cháng)度為 808nm的激光器進(jìn)行了試驗，通過(guò)數據表明，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(guò)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(jìn)行霧化，進(jìn)行強力噴射，以此來(lái)實(shí)現激光器的降溫。其中一些學(xué)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(jìn)過(guò)對表面粗糙程度進(jìn)行加深，可以有效增強噴霧的熱流密度。通過(guò)這些實(shí)驗研究，都能夠為噴霧冷卻的實(shí)際投入使用增添了可能性�，F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(guò)高速的液體進(jìn)行為表面的熱傳導，以此達到降溫的作用。其中一些學(xué)者做出了實(shí)驗，他們使用二十三度的水作為噴射的物質(zhì)，經(jīng)過(guò)強力的噴射，使得溫度控制在了五十度上，學(xué)者還對噴射設備進(jìn)行設計研究。使用微型電子機械操控手段，可以在進(jìn)行強力噴射的環(huán)節中使得工作完成的更好，其有著(zhù)結構精巧，可靠性高的特點(diǎn)。非常適合投入在小型激光器的散熱問(wèn)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(lái)解決熱流密度高的散熱問(wèn)題，例如使用在核反應堆上，采用這種的方式其中的缺點(diǎn)是，需要為其提供一定的高速冷卻介質(zhì)，因為可能會(huì )造成流體的損失過(guò)大，功耗也會(huì )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(zhù)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(shù)上，但是也有一部分學(xué)者發(fā)現其可以投入使用在激光器的散熱問(wèn)題上。有些研究學(xué)者創(chuàng )造性的制造出了一種液態(tài)性金屬散熱方式。實(shí)驗過(guò)程是，金屬物質(zhì)在圓環(huán)之內進(jìn)行旋轉，并且同時(shí)進(jìn)過(guò)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(guò)實(shí)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(gè)方面，例如對電腦芯片的散熱工作等，在實(shí)際的使用過(guò)程中，需要注意的地方就是要注意材料的兼容性問(wèn)題等。

5、熱流密度和溫度差異的分析

      之上所說(shuō)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(lái)評判其散熱的效率是片面的，要對其進(jìn)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(jìn)行同時(shí)考慮。相關(guān)的研究學(xué)者對不同的散熱方式進(jìn)行了研究，統計了熱量密度和溫度差異的實(shí)驗數據。其中實(shí)驗數據表明，每種散熱方式達成的熱量密度都可隨著(zhù)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(guò)六十度，這就使得其之間的溫度差異不能超過(guò)四十度，對于傳統的散熱方式，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實(shí)現一定的標準要求，能夠達成熱量密度散熱的結果，這些方式的存在都為實(shí)現大功率半導體激光器的散熱問(wèn)題提供了可行性的方案。
 
6、結束語(yǔ)

       芯片溫度升高問(wèn)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(xué)學(xué)科，材料學(xué)，與制造業(yè)進(jìn)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(shù)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(wèn)題，但是對大功率半導體激光器的散熱問(wèn)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(wèn)題的關(guān)鍵所在。新型的散熱方式為實(shí)際的散熱工作提供了一定的基礎。

來(lái)源：中科院長(cháng)春光機所