摘要：在我國(guó)最近的幾年時(shí)間里,半導(dǎo)體激光器所應(yīng)用的功率逐漸升高,所以相應(yīng)引發(fā)的散熱情況成為了目前阻礙半導(dǎo)體激光器進(jìn)一步發(fā)展的最大原因。由于機(jī)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(dǎo)體激光器能夠在大功率的工作原理下依舊保持持續(xù)穩(wěn)定的工作性能,就只能讓芯片的工作得到很好的散熱,經(jīng)過對(duì)半導(dǎo)體激光器中的芯片升溫現(xiàn)象對(duì)半導(dǎo)體激光器各項(xiàng)功能的影響程度分析,得出了芯片升溫對(duì)半導(dǎo)體激光器有著非常重要的影響。本文根據(jù)半導(dǎo)體激光器在芯片升溫中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了探討,對(duì)如何解決這一問題提出了方法。
關(guān)鍵詞：大功率；半導(dǎo)體激光器；方法
半導(dǎo)體激光器有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)地方，例如體積質(zhì)量小，電光轉(zhuǎn)變的高效等優(yōu)勢(shì)地方，因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)致使半導(dǎo)體激光器已經(jīng)被使用在了各個(gè)行業(yè)中。半導(dǎo)體激光器通常情況友最基礎(chǔ)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?yàn)槲覈?guó)半導(dǎo)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(dá)到25瓦，峰值厘米巴條功率已經(jīng)增長(zhǎng)到了1000瓦，但是發(fā)光單管的體積確實(shí)非常精巧的。因?yàn)樾酒纳郎貢?huì)對(duì)半導(dǎo)體工作產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，所以本文特針對(duì)大功率半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)體激光器的影響
1.1溫度對(duì)最小電流的作用
芯片溫度對(duì)激光器正常工作所需求的最小電流的作用主要體現(xiàn)在激光器的內(nèi)部構(gòu)造。由于芯片溫度提高，激光器的最小電流也會(huì)相應(yīng)的加大，這時(shí)可以明顯看出半導(dǎo)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(duì)斜率的作用
半導(dǎo)體激光器的斜率功效就是半導(dǎo)體激光器的發(fā)動(dòng)電流和驅(qū)光電流的線性數(shù)據(jù)，通常情況下，半導(dǎo)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(dǎo)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(duì)發(fā)光功效的作用
通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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)光線長(zhǎng)度的作用
如果激光器的溫度產(chǎn)生了變化，那么機(jī)關(guān)器的發(fā)光長(zhǎng)度也會(huì)隨之相應(yīng)的發(fā)生變化。所以根據(jù)之上所說(shuō)的數(shù)據(jù)，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(duì)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(dǎo)體激光器傳遞熱量環(huán)節(jié)
半導(dǎo)體激光器正常工作時(shí)發(fā)出的熱量大多是經(jīng)過沉淀發(fā)散，激光器的熱量散熱主要有初級(jí)散熱和次級(jí)散熱。激光器工作芯片經(jīng)過多次復(fù)雜多變的工藝技術(shù)進(jìn)行初級(jí)散熱。而次級(jí)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(jí)散熱，次級(jí)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，以此通過增加溫度的差別來(lái)達(dá)到溫度的消散。例如實(shí)用的辦法就是實(shí)用液氮方法。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器在日常的工作環(huán)境下所實(shí)用的降溫太強(qiáng)的話，會(huì)使得激光器的表面層形成霜，所以當(dāng)出現(xiàn)了結(jié)霜現(xiàn)象，激光器就會(huì)產(chǎn)生光線折線功能，甚至嚴(yán)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(yán)格執(zhí)行操作標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)體可以分成固體導(dǎo)熱和流固傳導(dǎo)兩個(gè)方面。固體層的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng)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(jù)相應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)到了流體端熱阻的一半，這就代表著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(tǒng)方式的熱阻是采用空氣對(duì)流方法，伴隨者激光器不斷加大的功率，一些傳統(tǒng)的流體管散熱方式已經(jīng)不夠滿足激光器的散熱需求，因此有著很多新穎的散熱方式應(yīng)運(yùn)而生，例如采用微型通道散熱方法，噴霧方式冷卻等。
3、傳統(tǒng)的散熱方式
我國(guó)較為傳統(tǒng)的散熱方式其中包括自然對(duì)流法，大通道的水冷方式還有對(duì)半導(dǎo)體的冷卻方式。
3.1自然對(duì)流冷卻方式
我國(guó)對(duì)于激光器采取的傳統(tǒng)散熱方式是使用熱導(dǎo)性好的沉淀，對(duì)半導(dǎo)體激光器的表層進(jìn)行延伸，使用自然散熱方式，以此達(dá)到對(duì)芯片溫度降低的目標(biāo)。這種方式結(jié)構(gòu)具有一定的方便性，對(duì)材料的熱導(dǎo)性能要求標(biāo)準(zhǔn)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)不能夠滿足現(xiàn)如今的散熱要求。
3.2大通道水冷方式
在最開始的時(shí)間，一些研究學(xué)者為了能夠充分降低激光器熱量發(fā)散的問題，將自然對(duì)流降溫改變成了強(qiáng)迫性對(duì)流降溫，由此出現(xiàn)了大通道熱沉方式。傳統(tǒng)的大通道水冷方式中的結(jié)構(gòu)是空腔型。進(jìn)過對(duì)進(jìn)水空位的優(yōu)化，能夠達(dá)到激光器發(fā)光效率的充分發(fā)揮，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)的那些方式有著一定明顯的優(yōu)勢(shì)，但是它自身也是存在著不足的，其主要的問題就是溫度的分布不均勻。研究學(xué)者為了解決這個(gè)現(xiàn)象，在通道之內(nèi)增添了很多換熱架構(gòu)，例如則流結(jié)構(gòu)。還設(shè)計(jì)了順排結(jié)構(gòu)和叉排結(jié)構(gòu)對(duì)散熱效果的分析，得出了順排結(jié)構(gòu)和叉排結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的散熱都比傳統(tǒng)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結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫度發(fā)散優(yōu)良的特點(diǎn)，是目前階段中應(yīng)用最為廣泛的散熱方式，但是因?yàn)樽罱@些年來(lái)，激光器的大功率投入使用，這種方式還是達(dá)不到散熱需求。
4、新型的散熱方式
現(xiàn)如今，我國(guó)隨著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
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(duì)于微型通道水冷方式的定義有兩種，第一種是依據(jù)其尺寸來(lái)定義，其中對(duì)水力直徑小的定義為微型通道，另一種是通過對(duì)表面張力進(jìn)行劃分，分成了微型通道或者常規(guī)性通道。其中對(duì)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(xiàng)和雙項(xiàng)兩種。伴隨著對(duì)微型通道理論知識(shí)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(duì)一種發(fā)光長(zhǎng)度為 808nm的激光器進(jìn)行了試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)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(fù)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(qiáng)力噴射，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)噴射冷卻液熱傳導(dǎo)的影響，進(jìn)過對(duì)表面粗糙程度進(jìn)行加深，可以有效增強(qiáng)噴霧的熱流密度。通過這些實(shí)驗(yàn)研究，都能夠?yàn)閲婌F冷卻的實(shí)際投入使用增添了可能性。現(xiàn)如今，在我國(guó)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高速的液體進(jìn)行為表面的熱傳導(dǎo)，以此達(dá)到降溫的作用。其中一些學(xué)者做出了實(shí)驗(yàn)，他們使用二十三度的水作為噴射的物質(zhì)，經(jīng)過強(qiáng)力的噴射，使得溫度控制在了五十度上，學(xué)者還對(duì)噴射設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。使用微型電子機(jī)械操控手段，可以在進(jìn)行強(qiáng)力噴射的環(huán)節(jié)中使得工作完成的更好，其有著結(jié)構(gòu)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題上。除此之外，這種方式使用在核反應(yīng)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題，例如使用在核反應(yīng)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?yàn)榭赡軙?huì)造成流體的損失過大，功耗也會(huì)隨之變大。
4.4液態(tài)冷卻方式
因?yàn)橐簯B(tài)金屬的導(dǎo)熱性能良好，例如鋁合金的導(dǎo)熱性能就是水的29倍之多，因?yàn)槠鋼碛兄芎玫膶?duì)流熱傳導(dǎo)性，所以這種良好的熱傳導(dǎo)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(xiàn)其可以投入使用在激光器的散熱問題上。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(yàn)過程是，金屬物質(zhì)在圓環(huán)之內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且同時(shí)進(jìn)過熱管或者微型通道將鋁合金等金屬發(fā)散的熱量帶走，通過實(shí)驗(yàn)表明，在激光器芯片表面的熱流密度達(dá)到1000w的情況下，芯片的溫度只達(dá)到23度， 這樣就能很好的使得激光器得到很正常的使用。對(duì)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(duì)電腦芯片的散熱工作等，在實(shí)際的使用過程中，需要注意的地方就是要注意材料的兼容性問題等。
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(píng)判其散熱的效率是片面的，要對(duì)其進(jìn)行全面綜合的考察，對(duì)一種方式是否具有良好的降溫性能需要對(duì)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(duì)不同的散熱方式進(jìn)行了研究，統(tǒng)計(jì)了熱量密度和溫度差異的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每種散熱方式達(dá)成的熱量密度都可隨著溫度的差異加大而加大。對(duì)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六十度，這就使得其之間的溫度差異不能超過四十度，對(duì)于傳統(tǒng)的散熱方式，還不能夠達(dá)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?qū)崿F(xiàn)一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠達(dá)成熱量密度散熱的結(jié)果，這些方式的存在都為實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器的散熱問題提供了可行性的方案。
6、結(jié)束語(yǔ)
芯片溫度升高問題已經(jīng)逐漸成為了阻礙半導(dǎo)體激光器正常工作的首要因素，對(duì)于新型的散熱方式正在不斷的加深研究，對(duì)于解決大功率半導(dǎo)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(duì)于導(dǎo)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(dǎo)體激光器的散熱問題，但是對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的散熱問題還 是需要注重在對(duì)流散熱上，采取合理性的對(duì)流散熱方式是解決目前這一問題的關(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(chǔ)。
來(lái)源：中科院長(zhǎng)春光機(jī)所
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