半导体激光器参数2

2 n c n d n d a n n e z 2 q g a sin z 2 q g a sin a a n a a J( x z) e e co s x 2 n c 2 n c a n 1 2 2 a 2 2 a b n 1 e b n 1 e
求解方法—数值解法


数值解法： 利用有限个离散点值的集合表征物理场 （量）的连续变化情况。 适用领域： 外形结构比较复杂、很难获得解析解的情 况下。
热阻概念的引入


热量的传递同自然界中的其它转移过程， 如电量的转移、质量的转移有着共同的规 律，可归结为： 过程中的转移量 = 过程中的动力/过程中 的阻力 U 电学中这种规律性就是欧姆定律： I R 传热学中此规律演变为：
半导体激光器的热特性


阈值电流随有源区温度的指数增长； 电光转换效率随有源区温度的指数下降； 有源区温度增加器件寿命下降； 腔面温度升高非辐射复合导致ＣＯＤ问题。
有源区温度控制大功率半导体激光器 应用的核心问题。
半导体激光器的散热
热相关基础知识 单元器件的散热结构 阵列器件的散热结构
(z=0)
1 0 H ( ) 0 0
计算结果
利用傅立叶变换法求解以上方程组得到温度场t（x,y,z）：
t ( x, y, z) T ( z) R( y, z) J ( x, z) I ( x, y, z)
T( z) q d g a b z q d g c a b

无源热沉的热结构
普通水冷热沉
普通水冷热沉
牛顿冷却公式（对流散热） q=hΔt h: 表面传热系数
计算结果
0.45
Thermal resistance (K/W)
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Volumetric flow rate (L/min)

计算结果
I
t
t
热沉尺寸： 25 257.5mm3 热流密度： 4 106W/m2 λ =398W/m﹒K
(1) 热阻与热沉长、宽的关系
(2) 热阻与热沉厚度与长度的关系
半导体制冷
半导体致冷也叫温差电致冷是利用半导体材料的 温差电效应——即珀尔帖效应来实现致冷。把不 同极性的两种半导体材料（P型、N型），联成电 偶对，电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量， 这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时 便放出热量，这个端面为热面。 体积小重量轻，具有致冷和加热两种功能：改变 直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷 两种功能。
阵列器件热沉的分类

无源热沉（passive heatsinks) ：

有源热沉（active heatsinks)：
无源热沉的热结构
t 0
2
t
y
0
(y=0,y=b); t=0 (z=c)
t
x
0
(x=0,x=a)
t
z
q[ H (e y ) H (d x)]
2 m c b m m g e m g m z 2 q d b sin z 2 q d b sin b b m b b R( y z) e e co s y 2 m c 2 m c b m1 2 2 b 2 2 b a m 1 e a m 1 e

t R
半导体激光器的热阻
t R

Φ 为有源区产生的热量： Φ =IV-Popt △t 是有源区与冷却介质之间的温度差 Ｒ为有源区与冷却介质之间的热阻，单位Ｋ／Ｗ
降低有源区到冷却介质之间的热阻是 半导体激光热控制的核心。
半导体激光单元器件
依靠热传导、自然对流散热，热阻较 高，热阻约为５Ｋ／Ｗ左右

热量传递的基本方式



导热：物体各部分之间不发生相对位移 时依靠微观粒子热运动而产生的 热量传递。 对流：由于流体之间相对位移、冷热流 体相互掺混引起的热量传递。 热辐射：通过电磁波来传递能量的方式 称为辐射
几个基本公式

傅立叶定律（热传导） q= -λ(dt/dx)
λ：热导率

牛顿冷却公式（对流散热） q=h （T1- T2） h: 表面传热系数

斯泰藩-波尔兹曼定律（热辐射） q=ξA（T1- T2）
固体中的热传导

核心：目标物体温度场函数t（x.y.z)的 确定。
稳态无内热源情况下的Laplace方程
求解方法—解析函数法


解析函数法： 利用合理的数学语言把实际工况变换 成导热微分方程，然后利用数学物理方 法解之，得到温度场函数。 适用领域： 整体结构简单、理想化的情况。
பைடு நூலகம்

I( x y z)
n 1 m1



2 2 n 2 m 2 n m z z a b a b n x co s m y B e A e co s a b