高功率半导体激光器低温特性分析

摘要

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统,实现了对高功率半导体激光器在-60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征.采用计算流体力学及数值传热学方法,模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能.模拟结果表明,压降均为0.47 bar时,采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃).低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂,最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量,最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作.基于该低温测试表征系统,对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究.测试结果表明,载冷剂温度由0℃下降到-60℃,半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W,功率提升比为18.02%;电光转换效率由60.99%提升到67.25%,效率提升幅度为6.26%;中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm.器件开启电压增加0.04 V,阈值电流降低3.93 A,串联电阻增加0.18 mΩ,外微分量子效率提高11.84%.分析表明,阈值电流的减小及外微分量子效率的提高,是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素.研究表明,采用液体微通道冷却的低温工作方式,是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.