复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

高光束质量大功率半导体激光阵列的热特性

针对目前大功率半导体激光短阵列器件和多个半导体激光单元器件集成结构应用于全光纤结构光纤激光器的发展趋势及其相关热控制理论的缺乏,利用有限元软件ANSYS对基于标准传导热沉散热结构的高光束质量半导体激光阵列(LDA)进行热特性仿真计算,通过改变阵列内部发光单元间距、发光单元数,将传统高填充因子厘米阵列(cm-bar)结构过渡到短阵列器件或多单元集成器件热模型,其热特性,为这种具有高光束质量的新型器件的设计及其高性能、长寿命散热提供了理论基础。     

高功率半导体激光器微通道热沉的模拟优化

针对原curamik微通道热沉因进水通道流量不均而导致散热不均匀的现象,基于FLUENT软件对其进行数值模拟。从内部结构及热沉材料方面提出优化方案,并进一步获得在热沉高度和进出口宽度为固定值的条件下,微通道宽度、间距及通道脊长度3个因素分别对芯片表面温升和压降的影响规律。根据优化的参数,通过选区激光熔化技术制备获得纯镍微通道热沉并进行芯片封装测试。结果显示,微通道热沉散热均匀,热阻为0.39K/W,压降为140kPa,能够满足输出功率为80 W的半导体激光器单巴条芯片的散热要求。     

半导体激光器线阵的瞬态热特性研究

针对半导体激光器线阵,建立了二维的热传导模型,模拟计算得到了半导体激光器线阵的二维瞬态温度分布.分析表明器件温度随时间的变化过程可分为三个阶段:在加电后几十微秒的时间内,发光单元之间未出现热交叠,不同填充比的线阵器件的温度基本一致;在几十微秒到几十或几百毫秒之间,大填充比结构线阵的发光单元之间先发生了热交叠,温度上升较快;微通道制冷的器件在几十毫秒之后温度达到稳定,平板热传导热沉封装的器件在几百毫秒之后温度才达到稳定.热传导热沉封装时,在相同的注入电流密度下,高填充比器件的发光单元之间出现温差更快.     

大功率宽条分布反馈激光器研究

大功率半导体激光器一般用作抽运源,但其抽运的离子吸收峰带宽一般都比较小。为提高大功率半导体激光器对固体或光纤激光器等的抽运效率,就要降低半导体激光器的输出波长随注入电流和热沉温度的漂移系数。分析了光栅深度和光栅填充因子对激光器输出波长锁定效果的影响,实验验证确定出合适的光栅参数,依据优化条件得出合适的激光器腔长,制备出锁定效果良好的宽条分布反馈激光器。该激光器的单管腔长2.4mm,发光条宽100μm,连续最大输出功率400mW,热沉温度为15℃时的输出波长为954nm,输出波长随注入电流的漂移系数为0.67nm/A,输出波长的温漂系数为0.046nm/K。     

基于微通道热沉的片状激光放大器散热模拟及优化

为实现片状结构高重复频率大能量激光放大器的高效热管理，采用有限元分析(FEA)方法，充分考虑增益介质内部非均匀热分布、微通道热沉中的流速、对流扩散等影响因素，引入流-热-固多物理场耦合数值分析模型，对激光放大器热沉进行分析优化，并基于优化结果探讨了不同流速下微通道热沉的散热冷却能力。模拟结果表明：当基底厚度H_b=2 mm、单个微通道高度H_c=4 mm和宽度W_c=0.4 mm、两微通道的间距W_w=0.3 mm时，微通道热沉冷却能力最强，热阻最小；微通道内冷却液流速过大会导致较大的流动压力损失；微通道热沉的平均等效换热系数可达50000 W/(m²·K)。     

两相冲击强化换热激光二极管用单片热沉

针对大功率激光二极管(LD)的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,以及场协同理论,研制了一种微通道两相冲击强化相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。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23 Hz时热沉热阻为0.211℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的取热能力,能够满足大功率LD的散热要求。与改进前的热沉相比,基于场协同理论优化了的两相冲击热沉,热阻明显下降。     

不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度,提升封装的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析,得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布.结果显示,SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了 2.18,3.078 C,并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力,器件热应变最小.SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度,同时减少封装应力与器件应变,从而提高器件的散热能力和可靠性.计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义.     

976 nm高效率半导体激光器

976 nm高效率半导体激光器是这几年研究的热点,在固体激光器泵浦领域有广阔的应用。通过优化半导体激光器材料外延结构中包覆层和波导层的铝组分,降低了工作电压;通过采用微通道水冷系统,并进行优化降低了热阻,从而提高了室温下的电光转换效率。25℃室温连续测试条件下,1 cm的线阵列(巴条),2 mm腔长,50%填充因子,在110 A下,出光功率为114.2 W,电压为1.46 V,电光转换效率为71%。15条微通道封装成的垂直叠阵,进行光束整形后,获得了室温976 nm连续输出功率1 500 W,电光转换效率大于70%。     

用于激光脱毛的低成本810 nm半导体激光模块

针对国内激光脱毛设备的需求,提出了宏通道加传导散热热沉的散热设计,并采用正交实验方法对影响宏通道散热能力的4个关键参数和3个水平进行了结构优化设计.仿真结果表明,对于该模块,本文设计的宏通道具有和微通道相同的散热能力.使用宏通道加传导散热热沉研制出低成本半导体激光器模块,测试结果表明,与设计值一致,输出峰值功率达到了603 W,波长807.5 nm,整体结构热阻为0.28℃/W,可以满足激光脱毛设备的使用要求.宏通道热沉成功取代了传统的微通道热沉,达到了降低成本的目的.