大功率激光器巴条热特性研究

孟庆辉，冯士维，贾 京，张亚民，乔彦彬，岳 元

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

1 引言

随着半导体激光器技术日趋成熟，大功率半导体激光器在固体激光器泵浦、材料加工、医疗、光信息处理、军事领域等有着广泛的应用［1］。大功率半导体激光器的功率密度的不断增加，导致功耗不断增加，工作结温不断升高［2］，也将影响器件的其他性能参数［3］。大功率激光器结温过高，将影响其阈值电流密度、输出光功率、激光光谱等电学特性［4］。温度变化引起的光学和电学参数变化成为影响器件可靠性的重要因素［5］。根据Arrhenius方程，器件的退化功率随温度的升高成e指数规律变化，影响着器件的使用寿命［6］。

M A Lapointe等人［7］研究了不同衬底对半导体激光器热阻的影响，W.J.Hwang等人［8］研究了封装对半导体激光器热阻的影响，通常测量半导体激光器热阻的方法有物理接触法［9］、光学法［10］、电学法［11］。物理接触法是通过温度传感器与被测器件接触来测量器件的表面温度，不适合测量芯片有源区的温升。光学法是利用发射光谱随结温移动特性测量器件的热阻，操作过程比较复杂，影响测量的精度。电学法是利用PN结的温敏特性进行器件芯片工作温升的测量，不破坏芯片的封装结构，操作简单快捷。测量大功率激光器巴条的工作温升有一定的优势。

本文在设计的大功率激光器热阻测试系统的基础上，实现了对大功率激光器巴条的稳态温升测量，并结合结构函数方法分析出激光器巴条热量传递路径上的各层结构热阻，并将测量结果与红外热成像结果进行了比较，除此之外，通过测量激光器巴条的热阻和温升实现其光功率测量。

2 热阻测量原理及光转换效率的计算

2.1 热阻测量原理

基于小电流下正向PN结结电压随温度线性变化关系，以及通过测量的器件有源区稳态温升过程获取器件热阻是目前广泛采用的测量方法。较之其他方法，其具有在信号采集、处理上的便捷性。此外，结合结构函数方法［12］，通过对稳态温升曲线进行处理能有效提取热传输路径上的热阻构成。

此方法测量器件工作温升主要包括两个步骤:校准过程和测量过程。校准过程主要是测量器件有源区温度与PN结结电压变化的线性关系，获取校准曲线，即温度系数k。具体步骤包括:①将激光器巴条置于温度恒定的恒温平台上，在其正－负电极之间施加20 mA恒定的小电流，测量激光器巴条正－负极之间的电压;②改变恒温平台温度，重复步骤①分别在不同温度下测量激光器巴条结电压，测量结果如图1所示。

图1 大功率激光器巴条结电压与温度的关系图Fig.1 The relationship between the high power laser bar junction voltage and the temperature

从图1可以看出，小电流下(20 mA)，激光器巴条的结电压变化与温度变化呈线性关系。结电压变化与温度变化的比值即为温度系数k。

测量过程主要是采集激光器巴条加热到热稳态以后，切断功率，采集恒定小电流下器件冷却过程中正向PN结结电压变化，时序图及热阻测量系统原理图如图2所示。具体步骤包括:①通过施加大电流，使大功率激光器巴条加热到热稳态;②切断大电流，同时给激光器巴条施加恒定的正向小电流(20 mA)，采集其结电压，此过程采样时间分辨率为1μs;③根据采集到的结电压变化以及温度系数，利用公式ΔT=ΔV/k，即可得到器件温度随时间的变化，即冷却响应曲线。结合器件冷却过程和加热过程的互补关系，即可得到器件稳态温升曲线。利用结构函数方法对稳态温升曲线进行处理，提取热流方向上各层材料对器件温升的贡献。最后通过有效热阻计算公式(R=△T/Pth)可以得到热流路径上各层材料热阻。

图2 热阻测量系统时序图Fig.2 The sequencechart of the thermal resistance measurement system

本方法测量误差主要来源于器件加热状态到结电压采集状态的切换过程。本文通过快速开关技术，在20 A的条件下，将大功率激光器巴条切换到小电流状态的开关速度优化至20μs以下，具有更高的测量精度。

2.2 光转换效率的计算

由于发光器件中，耗散热功率与发光效率之间存在明确的关系，可以通过热阻测量获取激光器光功率。器件施加电流小于阈值电流，其稳态热阻基本不变［13］，发光功率忽略不计。此时器件施加的总功率Ptot等于器件的热耗散功率Pth。因此，利用这一关系首先测量出激光器未激射时的热阻Rth0，即器件的实际热阻。其次，测量器件在不同工作电流下(电流大于阈值电流)的热阻Rth，此时所用的总功率Ptot包括了光功率Pop和热耗散功率Pth。

根据测量到的热阻，可以得到在不同工作电流下(电流大于阈值电流)器件激射后发热导致的温升，根据热阻定义式，可以计算出其不同工作电流时的耗散功率Pth:

Ptot是施加在激光器上的总电功率，激光器的发光功率Pop为:

3 测量结果与分析

3.1 热阻测量及红外热成像测量结果比较

如图3(a)所示，激光器巴条的热传输路径上的结构层依次为芯片、焊料、热沉，所设置的工作条件为工作电流3 A，测试电流20 mA，加热时间300 s，采集时间1000 s，恒温平台温度为20℃，因为各层材料的导阻和热容量不同，从而使得热量传导至各层材料的时间不同，因此，所得到的温度响应曲线对应的传输路径会有相应的阶梯。利用结构函数法可以得到大功率激光器巴条的结构热阻曲线［14］如图3(b)所示。

图3 大功率激光器的温升及热阻结构图Fig.3 The temperature rise and differential thermal resistance of high power laser

通过用红外热像仪对测量结果进行验证，利用红外热像仪(FLR SC5700)监控激光器腔面温度变化，热像仪工作在2.1～5.5 m波段，温度分辨率20 mK，空间分辨率为5 m，工作频率为25 Hz。考虑到红外设备的镜头和散热器等原因，在这里施加3 A的电流进行测试，红外热成像法采集到的温升图像如图4所示。

图4 红外热像仪采集到的大功率激光器巴条的腔面温度Fig.4 High power laser cavity surface temperature of thermal infrared imager

由图3和图4可知电学方法测量结果明显高于红外热成像法测量结果。红外热成像法采集到的激光器巴条的温升是48.5℃。采用相同的时间起点，电学法采集到的温升是52.5℃。产生这种现象的原因两个:一方面，红外热成像法测量的是器件的表面温度，比器件结温要低;另一方面，红外的分辨率一般为5μm左右，其测量温度测量区域的平均值，对于深亚微米有源区器件，其测量值比实际值偏低。提取红外成像温度随时间的变化，并作归一化处理，与电学法测量的温度进行比较，如图5所示，两种测试方法激光器巴条达到稳态的时间相同。

图5 红外法和电学法测量的温度数据归一化图Fig.5 Temperature normalization of Infrared measurement and electric method

3.2 基于电学法测量半导体激光器巴条的光转换效率

在测试前将大功率激光器放在温度为25℃的恒温平台上，为保证更好的散热条件，激光器与恒温平台之间施加了25 N压力，以保证激光器的充分散热及与恒温平台的等温条件。热阻是半导体器件的一个基本参数，对于已经封装好的激光器巴条来说，其标准热阻保持不变，当工作电流高于阈值电流时激光器巴条开始激射，一部分电功率转化为光功率，因此我们测试低于阈值电流时的热阻就是器件的标准热阻，施加不同电流的大功率激光器巴条的热阻测量结果如图6所示。

图6 不同电流密度下激光器巴条的结构热阻图Fig.6 The structure function thermal resistance of high power thermal resistance under different current density

从图6可以看出，施加电流小于阈值电流情况下电流为2 A，激光巴条标准热阻值为2.33℃/W。测量电流大于阈值电流的情况下5 A、10 A、15 A时稳态热阻值分别为2.25℃/W、1.95℃/W、1.85℃/W。工作电流大于阈值电流时，稳态热阻随着工作电流增大而减小。我们认为激光巴条随着电流密度的增大，光转换效率增大是产生这种现象的原因。通过测量施加不同工作电流的大功率激光器巴条的瞬态热阻，结合公式(1)、(2)、(3)分析出其产生激光的过程中内部芯片热特性和发光情况。

大功率激光器巴条在2 A、5 A、10 A、15 A的电功率分别为2.96 W、8 W、17.6 W、28.7 W。通过公式(1)式和(2)可以计算出5 A、10 A、15 A情况下的光功率分别为0.27 W、2.87 W、5.91 W，我们用光功率除以器件施加的总功率可以得到所对应的光转换效率分别为3.4%、16.3%、20.6%。随着施加功率增加，大功率激光器的热阻不断减小，而其光转换效率不断增大。

为了验证上述实验结果，用大功率半导体激光器参数测试仪测量(LG07SS－3)对不同电流密度下的光功率和光转换效率进行了测量。电学法测量的大功率激光器巴条的光转换效率与半导体激光器参数测试仪的数据对比如图7所示。

图7 光转化效率对比图Fig.7 Light conversion efficiency comparison chart

测试结果表明:大功率激光器巴条的光转换效率随着电流密度的增加而增大，与电学法测量的半导体激光器巴条热阻的结果基本一致。值得注意的是，通过温度测量得到的光转换效率比实际测量值稍高，并且随着功率的增大，差值逐渐增大。产生这种现象的主要原因是，由于温度测量过程中存在一个从工作状态到测量状态的转换过程，本试验中为10μs左右，使得测量的沟道温升小于实际值，从而计算得到的耗散功率比实际耗散功率小，因此得到的发光功率大于实际值。因此，我们认为通过电学法测量器件温度可以有效测量出激光器的光转换效率。

4 结论

本文利用电学法测量了大功率激光器巴条的工作温升，并通过红外热成像方法对测量结果进行验证，结果显示采用电学法能测量出大功率激光器巴条的工作温升。同时我们提出了一种利用电学法测量器件结温获取大功率激光器巴条的光功率的新方法，并用大功率半导体激光器参数测试仪对此方法进行了验证，结果表明该方法可以有效的测量出激光器巴条的光转换效率。

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