上节课回顾： 半导体激光器的制备流程；
半导体激光器的结构要求
? 机械稳定性； ? 电连接； ? 散热问题；
以每个发光单元2W，有源区尺寸 1um ×100um 计算，体发热密度 2×1010W/m3。 以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功率 50W/bar ，腔长为1mm ， 热流密度为500W/cm 2，电流密度1000A/cm 2
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=hΔt h: 表面传热系数
半导体激光单元器件
依靠自然对流散热，热阻较高，热 阻约为５Ｋ／Ｗ左右
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
? 2t ? 0
??t ? 0
?y
(y=0,y=b); t=0 (z=c)
??t ? 0
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
? 高温、高电流密度条件下稳定性好； ? 激光bar 结温可允许达80 ℃； ? 寿命高达3-4万小时； ? 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下寿命
与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉材料
Bar 内应力分布
? 电学中这种规律性就是欧姆定律： ? 传热学中此规律演变为：
I?U R
? ? ?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。
?
? b ? ?e
?
? 2?m?? ?c ?
?? m?? ?b
?z
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? ??cos
?
???
m?? b
?? ? ?y ?????
m ? 1 ?? ??
? ?a ?m2?? 2??? 1 ? e
0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (μ m)
10000
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。
T (z) ?? ? q ?d ?g ?z ? q ?d ?g ?c
? ?a?b
? ?a?b
?
? R (y ?z) ??
???? ??
? 2?q ?d ?b ?sin
??
m?? ?g
???e
?
2?m?? ?c b
m?? ?z
??
?b?
?e b ?
??
?
? 2?m?? ?c ?
2?q ?d ?b ?sin ?? m?? ?g ??
bar facet
Cu heat sink
847
wavelength(nm)
846
PL
845 0
mounted on Cu heatsink
2000
4000
6000
Lateral position (μ m)
8000
10000
847ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
wavelength(nm)
846
PL
845
Mounted on expansion-matched heatsink
? 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：
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
? 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉热膨胀 系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
? 按电流的持续时间分： 1、连续（ CW） 2、准连续（ QCW） 3、脉冲（ pulse）
? 按电流的变化程度分： 1、连续（ CW） 2、软脉冲（ Soft pulse ） 3、硬脉冲（ Hard pulse ）
?x
? ?t ? ? q[ H (e ? y)H (d ? x)]
?z
(z=0)
(x=0,x=a)
H
(?
)
?
?1
? ?
0
??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)
典型的封装形式
? Bar p 面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； ? 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； ? N面电连接采用 Cu箔或金丝引线。
上电极 下电极
电流方向 发光方向
热散出方向
Bar焊接焊料的选择
? 软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳性以及抗
裂纹传播率 .适用于CTE与GaAs 差别较大的热沉材料 与激光bar 之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜 和AlN 等材料。 ? 硬焊料
AuSn 合金为激光 bar 焊接的首选硬焊料 。适用于 热沉材料热膨胀系数 (CTE)与GaAs 差别非常小的情 况，例如： BeO热沉和CuW合金热沉。
In 焊料的缺点
? 极限寿命为104小时左右； ? 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile 效应）； ? 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar ）； ? 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； ? 控制激光bar 结温≤55℃。
整体结构简单、理想化的情况。
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