一种半导体激光器温度控制技术

DOI：10.16661/ki.1672-3791.2019.14.034
一种半导体激光器温度控制技术
①
金阿立1 周斌2 乔显金1 周树阳1
(1.32147部队 陕西宝鸡 721000;2.91951部队 山东烟台 265100)
摘 要：针对大功率激光器工作时的热耗散，讨论了温度控制原理，通过定量计算研究了半导体制冷器（TEC ）的选择、散热片的选择，给出了制冷器与散热片的组装工艺，并结合具体实例分析了温控方案的技术指标，为工程实践提供了技术参考。

关键词：半导体激光器 半导体制冷器 温度控制中图分类号：TN248.4
文献标识码：A
文章编号：1672-3791(2019)05(b)-0034-04
①作者简介：金阿立（1976—），男，汉族，河南周口人，博士，工程师，研究方向：光电仪器设计。

半导体激光器工作温度范围一般在-10°~50℃之间，若高于或低于这个温度域，激光器可能会因温度过高而受到损坏，或因温度过低而停摆[1-4]。

因此大功率激光器需要进行温度控制，使其在规定温度条件下工作，这对于延长激光器受命，提高其可靠性具有重要意义。

有多种可供参考的激光器工作温度控制方法，如水循环冷却、风冷却及电冷却（即半导体制冷）等。

水冷效率高、速度快，但需要体积和重量庞大的压缩机和水泵，工作噪声大，通常只在实验室使用；风冷效率低，效果不好，不能满足大散热要求；电制冷体积小、效率高，能够将温度控制到环境温度以下，自加热自制冷，可靠性较高，温度控制精度可达±0.1℃，且对环境要求不高，适合激光夜视监控系统等野外条件使用。

1 半导体制冷器的选择
半导体制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC ）是利用半导体材料的帕尔贴效应制成的。

通过改变电源输出电流，控制制冷片输出功率，半导体制冷片的抽运功率和冷端的制冷是靠调节加在两端的电流来控制的（在额定功率范围内，超出额定功率，半导体制冷片将会是另外的一个热源），其计算非常复杂，与负载、冷热端温度以及二级散热的效果有关，一般均采用闭环控制系统[5]。

激光器工作时，当其表面温度高于环境温度，就会以对流和辐射的形式向环境散热，如果电致发热量高于散热量则热沉会继续升温，使散热量继续加大，直到与LD发热量相等为止，此时激光器具有最高温度。

激光器通电后的热功率为：
P heat =UI -P 0 (1)
其中，U 是激光器两端电压，I 是驱动电流，P 0是输出光功率。

激光器表面散热有对流散热和辐射散热，其和为：
)()(4
4
f w f w T T A T T hA Q −+−=εσ (2)其中，h 为物体表面传热系数（或对流换热系数），A 为
热沉表面积，
T w 为热沉温度，T f 为环境温度，σ为黑体辐射常数（σ=5.67×10-8W/m 2K 4），ε为物体表面的发射率（黑体度）。

其余热量用于使激光器管壳（热沉）温度升高，根据导热能量方程有：
(3)τ
ρd dT
cV E m
=∆其中，ρ为热沉密度，c 为物体的比容热，V 是热沉的体积，T m 为热沉的平均温度，τ为时间。

根据能量守恒定律有：
P heat =Q +△E (4)于是有：
cV T T A T T hA P UI d dT f w f w m ρεστ)
()(4
40−−−−−=
(5)令
0=τ
d dT m
时，
激光器管壳处于最高温度，此时其表面最高温度方程为：
UI -P 0)()(4
4
f w f w T T A T T hA −+−=εσ (6)为了讨论方便，我们忽略辐射散热项，(6)式可以简化为：
UI -P 0=hA (T w -T f ) (7)根据热阻定义：
hA
Q T R th 1
=∆=
(8)由此得到：
th AR h 1
=
(9)热阻与材料的物理性能和形状大小有关，表1列出了几种常用热沉材料的热物理性能数据。

对于封装好的激光器如TO3，管芯半导体激光器固定
在C-block过渡热沉上，过渡热沉又固定在TO3管座上。

C-block和管壳的尺寸相对于管芯尺寸可近似为大平板，则它们理论热阻为：
A
L
R th λ=
(10)其中，L 为管座厚度或C-block的厚度，A 为侧面积。

假设C-block和管座之间为理想接触，即没有接触热阻，则TO3的总热阻为：
2
21121A L
A L R R R th th th λλ+=
+= (11)若已知：L 1=6.9m m ，
λ
=400W /m ·℃，
A 1=2.41m m×6.4m m ＝1.54×10-5
m 2
，L 2=3m m ，
A 2=πR 2=3.14×（15×10-3）2＝0.7×10-3m 2；代入上式得R th =1.2K /W，实际上由于工艺问题，半导体激光器与C-block以及C-block与管座之间存在接触热阻，所以实际测量时，一般远大于理论值，例如海特光电有限责任公司TO3管子的热阻一般在4~10K/W ，典型值是6K/W。

设某TO3封装的激光器R th =10K/W ，可得h =70W/m 2K，于是管壳最高温度为：
hA
UI T hA P UI T T f f w )
1(0η−+=−+
= (12)根据式（12），可得到激光器外壳温度与功率效率的线性关系，如图1所示。

对于一个1A、1W的激光器，U =2V ，
I =1A，取环境温度T f ＝20℃，将所有值代入式（12）得：T w =50℃。

这就是一个1W激光器充分散热后的最高温度。

考虑到上述忽略了辐射散热，因此实际温度应该低于该温度。

对于30W的光纤输出的BAR （如图2所示），如果采用HTOE的P1封装（尺寸如图3所示），则可以得到其表面积：
A P1=60×33×2+60×20×2+33×20×2(mm 2)=7.68×10-3m 2。

已知U =2V，I =50A，h =70W/m 2
·K，η=0.5，假设环境温度
T f =20℃，则由式(12)得T w =20℃+93℃=113℃。

由此可见，激光器在额定功率工作时，如果不控制温度，器件将高于环境温度近100℃，所以不控制温度，激光器整体将烧掉。

在半导体激光器寿命测试中，为了消除周围环境的影响，特别是减小由于空气的影响而造成的器件快速氧化，器件需要在密封环境中进行测试，这就需要考虑器件的
升温和散热问题。

为了适应工程化、小型化需要，首选半导体TEC热能转化器。

下面我们建立TEC工作模型，以便确定其技术参数。

为方便讨论，温度控制方案的简化结构如图4所示，采用所谓的三明治结构，不仅能够精确控温，而且能够提高温度的均匀性。

现建立如下的各面的热平衡方程。

（1）冷面热平衡方程。

(13)Q Q Q Q hc c ∆++=210其中，Q c 表示制冷器从冷面抽到热面的热能，Q hc 表示由于冷热面的温差从热面传导到冷面的热量，△Q 是TEC 自身产生的热，各有一半传导给冷热面。

（2）热面热平衡方程。

Q Q Q Q hc c h ∆+−=2
1
(14)
其中，Q h 表示从热面传到热沉的热量。

（3）热沉热平衡方程。

Q s =Q h (15)其中，Q s 表示从热沉传到空气的热量。

由以上三式可得TEC制冷量的计算公式为：
Q s =Q h =Q 0+△Q (16)其中，Q 0是器件达到热平衡时需要散发的热，它由激光器的功率和其功率效率η决定。

Q 0=（1-η）UI (17)其中，U 是激光器的工作电压，I是激光器是工作电流。

又知：
△Q =I TEC 2r (18)其中，I TEC 是TEC的工作电流，r 是TEC内阻。

TEC的制冷参数为：
Q =(1-η)UI +I TEC 2r (19)对于12V的TEC，式(19)变为
12I TEC =Q =(1-η)UI +I TEC 2r (20)对于2V 、3A的TO3激光器，其效率通常为系统η≈40%，如果TEC的内阻为r =1Ω，则根据上式得I TEC =0.3A或6A，显然6A TEC是由于热能消耗在内阻上，可见选择低内阻TEC 对于节约能耗非常重要。

这是温度控制需要的最小制冷量，实际应用中选择的TEC制冷量要大得多，目的是使温度控制速度快、稳定度高。

表1 几种常用热沉材料的热物理性能数据
材料性能金刚石GaAs 纯铜纯铝黄金银热导率λ(W/m ·℃)
130060400236315427热扩散率α(cm 2
/s)7.40.35 1.2比热c(J/kg ·℃)519327385902127234密度ρ(kg/m 3)
3500
5300
8960
2710
19300
10500
图1 TO封装器件工作时的最高温度随功率效率的变化
图2 30W的光纤输出的BAR
图3 P1封装尺寸
图4 抽象化简的温度控制方案
Q
Q
1
冷面温度T 1
热面温度T 2
热沉温度T 3空气温度T 4
图5 半导体激光器三明治结构散热结构组装步骤
(a)散热片和风扇连接 (b)散热片和TEC连接
(c)TEC与均匀铜板的连接 (d)激光器BAR与铜板连接
2 半导体BAR与散热片的组装
影响散热片散热性能的指标主要有材料、有效散热面积、鳍片数量、散热片形状等[6]。

散热材料现在主要使用铜和铝两种，比它们导热率更好的金属材料还有银。

上述两种材料比起来，铜的导热率比较高，导热效果仅次于银，重量较重，但成本也高于铝材料；铝材料的散热片早已形成一定的商业规模。

从成本和散热量而言，使用铝散热完全满足要求。

从散热片到空气之间的热传递主要有3种方式：热辐射、空气对流和热传导。

为了取得更好的散热效果，只有从空气对流上采取办法。

将半导体BAR与散热组件能否成功组装关系到散热效果。

采用如下的“三明治”工艺结构，如图5所示：（1）散热片和风扇连接。

采用高速运转风扇排风效果好，但噪音大，因此合理选择风扇尺寸和转速也很重要，风扇和散热器的连接方法通常有两种，即左右固定法和正下方固定法，前者通常采用一个吹风一个拉风的方法，这适用于大方形散热器，后者则采用同时吹风两边走风的方法，适用于小薄散热器。

（2）散热片和TEC连接：我们采用固定槽定位TEC，接触面之间均匀涂抹导热硅脂。

（3）TEC与均匀铜板的连接：在TEC上均匀涂抹导热硅脂后，在其上盖上
铜板，要求铜板厚薄均匀，且与散热片之间要有一定的缝隙间隔。

（4）激光器BAR与铜板连接：在铜板固定BAR的位置均匀涂抹导热硅脂，用螺丝固定好BAR，要求BAR尽可能对准TEC中心位置。

3 具体实例
实际工作中激光光源的驱动与温度控制电源通常采用一体化模块，对于30W光纤输出波长808nm的模块，该模块采用的是3V，50A驱动与温度控制电源。

此外半导体激光器驱动电源的电流为0.5~50A，且连续可调节；TEC驱动电源的电流为0.5~20A，且自动调节，电压为30V；直流风扇指标为24V、35W。

温度控制的技术指标为：
（1）温度控制特性。

温度控制范围：-10℃~40℃；温度控制精度：1℃；温度预置对温度监视的精度：<1%。

（2）输出特性。

最大双向电流±20A；最大恒流输出电压±30V；最大输出功率600W；增益可调0~50；积分时间1s。

（3）温度传感器采用热敏电阻类型PT100。

（4）一般特性。

AC电源220V；最大功率消耗800W；散热方式强制风冷；操作温度0℃~50℃（保证参数）； -40℃~80℃（保证工作）。

4 结语
对于激光夜视监控系统等需要大功率激光器的工程实践，由于激光器工作时将产生大量热耗散，故必须考虑热散因素，否则将减小激光器寿命甚至损坏激光器。

该文定量描述了半导体制冷器（TEC）的选择、散热片的选择及与半导体BAR的组装，给出了具体实例，为激光夜视监控系统的光源温度控制提供了工程参考。

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