Dynamic thermal modeling and parameter identification for a monolithic laser diode module

We improved the thermal equivalent-circuit model of the laser diode module(LDM) to evaluate its thermal dynamic properties and calculate the junction temperature of the laser diode with a high accuracy.The thermal parameters and the transient junction temperature of the LDM are modeled and obtained according to the temperature of the thermistor integrated in the module.Our improved thermal model is verified indirectly by monitoring the emission wavelength of the laser diode against gas absorption lines,and several thermal parameters are obtained with the temperature uncertainty of 0.01 K in the thermal dynamic process.     

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.     

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。     

热容型大功率半导体激光器瞬态热特性

为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用,建立三维瞬态热传导模型,通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试,获得其在-20℃和-30℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线,并与数值计算的结果进行对比。结果表明,两者在误差范围内能够很好地吻合。     

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     

脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器晶体时变热效应

采用数值计算的方法,对脉冲激光二极管三向侧面抽运固体激光器中,激光晶体的温度场时变分布进行了计算. 分析了三向侧面抽运情况下晶体内光强分布,在此基础上,采用有限元法,以脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器为例,对单脉冲过程中晶体温度分布及其影响因素进行分析. 结果表明,晶体升温过程受到抽运条件以及散热条件的影响,但是主要受到抽运条件即抽运光强度和光束半径的影响,降温过程受到晶体热物性参数和晶体半径以及散热条件的影响. 当晶体温度达到周期性分布后,由于晶体径向温度梯度的周期性变化,引起通过晶体的平面光波的中心和边缘光线相对光程差也随时间作周期性变化. 关键词： 激光二极管侧面抽运固体激光器 热效应 有限元法 时变过程     

温度调谐技术测量CO2在6320～6336cm-1波段的吸收光谱

针对当前可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术中调谐范围、调谐时间以及系统复杂性方面存在的不足,提出了利用激光器模块中的热电制冷器(TEC)和负温度系数(NTC)热敏电阻等元件对激光二极管(LD)进行温度宽谱调谐的方法,并在快速温度调谐过程中精确计算激光器的辐射波长。利用温度调谐二极管吸收光谱技术在3s的时间内测得了CO2气体在6320～6336cm-1波段的高分辨率吸收光谱。在此波段共测得8个较强吸收线。将得到的光谱参数与HITRAN 2008中的数据比较,吸收线位置、线强以及半峰全宽(FWHM)的偏差分别小于1%,3%以及6%。另外,测得的14条较弱的吸收谱线也与谱库中的谱线参数吻合。     

大功率半导体激光器阵列热串扰行为

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70 s内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5 ℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。     

激光二极管阵列泵浦固体激光器热设计研究

对激光二极管阵列（LaserDiodeArray,LDA）泵浦固体激光器热设计进行了研究。通过采用计算热阻的方法,根据LDA的发热功率选择热电制冷器（ThermaolElectronicConrtoller,TEC）和相应的散热器,采用强迫风冷的方式对重复频率为25Hz,输出单脉冲能量为80mJ的LDA泵浦固体激光器进行了精确的温度控制。试验结果表明,在-40℃～55℃环境温度范围内,激光器性能稳定,满足技术指标要求。     

基于微蒸发腔制冷的大功率激光二极管制冷组件

利用节流的高压冷却介质在微蒸发腔内相变吸热,设计了一种用于大功率激光二极管制冷的封装组件。该组件采用高热导的无氧铜,用精密线切割、化学腐蚀等技术制作微蒸发腔,再通过自制的焊接设备完成制冷组件的封装。按照大功率激光二极管条的发热模型,理论上对微蒸发腔制冷组件的温度分布进行了数值模拟,结果与60 W激光二极管条的散热实验符合较好,得到制冷剂流量为23 m L/min时的热阻为0.289℃/W。     

1310nm LD组件高低温循环寿命研究

研究了半导体激光二极管(LD)组件的使用寿命。模拟了在不同的环境条件下,对1310 nm LD组件进行了高低温循环寿命实验,建立了循环寿命的数学模型。结果表明:循环寿命与循环的温差、循环的速度成指数关系,通过测试LD组件在高温差、高循环速度条件下的循环寿命,外推器件正常工作条件下的循环寿命。得到了LD组件可靠性数据,为工艺设计人员提出量化数据。     

二极管双侧抽运横流连续液体激光系统性能模拟

为解决无机液体激光系统的热效应问题,采用激光二极管双侧抽运横向流动的Nd3 :POCl3:ZrCl4溶液以很好地减小热效应,实现液体激光系统高功率高光束质量输出。建立了液体激光理论模型,分析了工作参量对系统能量转换效率与介质热效应的影响;模拟了系统在不同吸收系数和不同流速下的能量转换效率,远场光斑分布以及激光束亮度分布。模拟结果表明:采用二极管作为抽运源可以获得很高的能量转换效率,而且光束质量较好;在给定抽运体积和抽运强度为800 W/cm2时,介质的吸收系数位于2.5~3.0 cm-1,流速约为25 m/s时,输出功率与光束质量实现最佳匹配,激光束亮度最高,系统性能达到最佳。     

GaAs PIN二极管电热特性

通过T-CAD软件建立了PIN二极管的电学模型和热学模型,模拟了PIN二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性,讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系,模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明:随着I层厚度的增加,器件内部最高温度增长减慢,器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。     

二极管侧泵浦单横模1kHz电光Q开关激光器

 本文介绍了二极管侧泵浦Nd:YAG板条1kHz重复频率Q开关激光器的研制,实验获得最大单脉冲能量0.712mJ,脉宽小于10ns的输出。对Nd:YAG板条进行了三种冷却方式的比较实验,实验证明DPL在高重复频率工作时,激光介质的热效应是影响高重复频率工作的激光器效率的重要因素。     

激光二极管抽运氦气冷却钕玻璃叠片激光放大器热致波前畸变和应力双折射的数值模拟和实验研究

热效应仍是限制激光放大器向高功率、高光束质量进一步发展的瓶颈问题, 高效的热管理是抑制热效应的重要技术途径. 研究了基于激光二极管抽运氦气冷却的钕玻璃叠片激光放大器的热效应. 利用有限元数值模拟的方法, 分析了钕玻璃的温度、应力应变和应力双折射分布, 并计算了热致波前畸变和退偏损耗, 与实验结果符合得较好, 在热沉积为0.7 W/cm³的条件下, 6片钕玻璃总的热致波前畸变为6.77λ , 最大退偏量大于90%.     

激光二极管泵浦的Nd：YVO4单频绿光激光器

对激光二极管泵浦单频连续运行的Ｎｄ：ＹＶＯ４腔内倍频激光器进行了理论和实验研究，通过精密调控Ｎｄ：ＹＶＯ４，ＫＴＰ及泵浦泵温度以达到有关参数的最佳匹配，从而获得了较稳定的单横模，单纵模，单偏振的绿光输出，实测最大单频录光功率为７．５ｍＷ，此时会聚磁浦光功率约为４３０ｍＷ，已超过阈值泵浦功率１３倍以上。     

线性调频半导体激光器自混频干涉理论模型

使用半导体激光器在弱反馈条件下的动力学理论,建立了线性调频半导体激光器的自混频干涉理论模型.基于该模型,分析了激光器振荡频率偏移与输出功率变化特性.通过测量激光器输出功率谱,可以得到激光器前端面与被测目标之间的距离.     

激光二极管列阵侧面直接抽运方式的模拟计算和效果评估

计算模拟了激光二极管侧面直接抽运方式，讨论了抽运距离和介质吸收系数等参数对抽运均匀性的影响，并近似地给出定量结果，证明只要选取适当的抽运参数，采用侧面直接抽运方式也能获得较好的抽运性能和激光输出。     

高功率半导体激光器结温与1/f噪声的关系研究

高功率半导体激光器的结温上升, 不仅影响它的输出功率、斜坡效率、阈值电流和寿命, 而且还会产生光谱展宽和波长偏移. 因此, 热管理成为抽运激光器研发中的一个主要问题. 本文首先建立了噪声功率谱与结温变化的物理模型, 根据压缩感知理论, 将测量得到含有高斯白噪声和1/f噪声的混叠复合噪声信号稀疏化后, 进行基追踪算法去噪, 通过改变算法的迭代次数及测量矩阵大小, 获得1/f噪声电压功率谱与结温变化关系曲线, 避免了直接测量结温的复杂性.通过数值估计结果, 可以较好地指导高功率半导体激光器的热管理工作. 关键词： f噪声')" href="#">1/f噪声 结温度 热阻 高功率半导体激光器     

Thermal analysis of GaN laser diodes in a package structure

Using the finite-element method,the thermal resistances of GaN laser diode devices in a TO 56 package for both epi-up configuration and epi-down configuration are calculated.The effects of various parameters on the thermal characteristics are analysed,and the thicknesses of the AlN submount for both epi-up configuration and epi-down configuration are optimized.The obtained result provides a reference for the parameter selection of the package materials.