长春理工大学 高功率半导体激光国家级重点实验室,长春 130022
通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。
半导体激光器 金刚石复合热沉 微槽结构 有限元分析法 热管理 semiconductor lasers diamond composite heat sink micro groove structure finite element analysis method thermal management
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
为了实现高功率半导体激光器连续泵浦源输出，设计一种使用微通道热沉封装多个单管半导体激光器的堆叠结构。基于有限元分析，此结构可以通过辅助热沉和微通道内部圆柱翅片扩展单管半导体激光器的传热渠道，与传统凹槽微通道相比，热传导效果有所增强，优化提出斜翅片结构，控制水流速，调节流体流动从而产生混流效应，进一步改善微通道散热性能，对其封装下的多单管进行功率拟合，理论最大输出功率可达128.75 W，在微通道热沉所需制冷功耗较低的前提下，可以实现多单管半导体激光器连续工作模式下泵浦且满足其散热需求。
半导体激光器 微通道 斜翅片 有限元分析 散热性能 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114005
1 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春30022
2 陆装沈阳军代局驻吉林地区军代室，长春1300
设计了一台紧凑型高温激光二极管阵列侧面泵浦Nd：YAG脉冲激光器。通过半导体制冷器控制泵浦源工作温度在60℃，其发射中心波长为808 nm，谱线宽度为4 nm。模拟了泵浦源在40℃、50℃和60℃条件下60 s内的温度场分布。实验所用激光增益介质为Nd：YAG晶体，尺寸为
φ 5 mm×50 mm，掺Nd
3+摩尔浓度为
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。采用磷酸二氘钾晶体作为电光调Q开关，在泵浦源电脉宽250
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，重复频率20 Hz、1 Hz条件下，获得最大能量为230 mJ、246 mJ的单脉冲输出，对应的脉冲宽度分别为8.4 ns、7.8 ns。光束发散角约为1.6 mrad。设计的Nd：YAG脉冲激光器总的电-光转换效率大于4.6%。
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法, 但其存在封装方式单一、体积大等问题, 难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构, 通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间, 使得器件更加小型化, 在充分利用单管半导体激光器优势的同时, 既增加了单管半导体激光器的散热通道, 又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟, 将光束耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 可以达到28.6 W的激光输出, 耦合效率为95%。
半导体激光器 有限元分析 散热性能 光纤耦合 semiconductor laser finite element analysis ZEMAX ZEMAX heat dissipation fiber coupling
红外与激光工程
2020, 49(8): 20190542
1 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
3 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
V型腔可调谐半导体激光器由于具备结构简单紧凑、性能优良等特点, 在光通讯领域有着较大的应用潜力。然而, 由于激光器外延结构热导率相近, 用于波长调谐的热量大部分直接流失, 激光器无法得到较高的调谐效率。本文通过在调谐区域加入隔热结构, 设计了具有高调谐效率的V型腔可调谐激光器。利用由COMSOL Multiphysics建立的V型腔激光器温度模型, 分析了隔热结构的加入对激光器各部分的温度影响。通过Rsoft建立的谐振腔光场分布, 优化半波耦合器参数, 使激光器具有最佳的模式选择性。结果表明, 激光器主边模阈值增益差达到6.07 cm-1, 调谐效率从0.165 nm/mW提升至0.3 nm/mW。同时, 隔热结构的加入不会使激光器其他区域有明显的温升, 器件性能受到的负面影响可以忽略。
半导体激光器 波长可调谐 热效应 隔热结构 semiconductor lasers wavelength tunable thermal effects thermal insulation
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
2 陆军驻长春地区第一军事代表室, 吉林 长春 130022
基于严格耦合波理论设计了一种以液晶为低折射率材料的Si-SiO2复合高对比光栅,该光栅适合用于实现液晶可调谐功能的垂直腔面发射半导体激光器件。当940 nm 的TM偏振光入射时,通过优化参数可得到宽带(Δλ=256 nm)高反射率(R>99%)且具有偏振稳定性的光栅结构,满足垂直腔面发射半导体激光器顶部腔面反射镜要求。液晶折射率的改变不会影响光栅的性能,未来有望将高对比光栅或混合光栅与液晶可调谐垂直腔面发射半导体激光器相结合,实现可调谐半导体激光器。
激光器 可调谐垂直腔面发射半导体激光器 高对比光栅 液晶 高反射率 耦合波理论 激光与光电子学进展
2020, 57(1): 011402
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林长春130022
针对GaAs基和InP基材料的波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)中微机电系统(MEMS)应力集中引起结构损坏的问题开展研究。设计了蝴蝶结状MEMS悬臂结构, 在保证最大位移不变的情况下, 降低了悬臂固定端所受的米塞斯应力, 提高了器件的可靠性。采用COMSOL软件对蝴蝶结状悬臂结构的各项参数对力学特性的影响进行了优化与分析。结果表明: 优化后的蝴蝶结状MEMS悬臂结构固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状悬臂结构最大降低了64%, 对于GaAs基材料的蝴蝶结状MEMS波长可调谐VCSEL自由光谱范围可达45 nm。
米塞斯应力 蝴蝶结 可调谐VCSEL biotechnology MEMS human skin fibroblasts tapered fiber probe surface enhanced Raman scattering remote detection 红外与激光工程
2019, 48(4): 420002
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低, 增加封装结构的散热性能, 降低器件封装成本, 提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后, 封装器件的工作热阻更低, 散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比, 有源区结温降低4.5 K, 热阻降低0.45 K/W。通过计算可知, 激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下, 确定铜钨合金与石墨的结构尺寸, 以达到最好的散热效果。
半导体激光器 散热性能 石墨辅助热沉 有限元分析 封装结构 high powder semiconductor laser heat dissipation graphite heat sink finite element analysis package structure
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 长春 130022
研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应, 并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布, 分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响, 模拟半径为50 nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟, 分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式, 即密集颗粒之间的近场耦合形成的“hotspots”.此外, 研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响, 发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560~680 nm波段, 而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后, 金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510~550 nm波段, 形成与532 nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后, 实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.
发光增强 局域场增强 共振吸收 金纳米颗粒 光致发光 Luminescence enhancement Local field enhancement Resonance absorption Gold nanoparticle Photoluminescence
