高功率半導(dǎo)體激光器可用來泵浦固體/光纖激光器，也可直接用于材料處理如焊接、切割、表面處理等。為了進(jìn)一步拓寬半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，不斷提高激光器的輸出功率，半導(dǎo)體激光器從單發(fā)射腔發(fā)展為多個(gè)發(fā)光單元的巴條。隨著激光器輸出功率的提高，對(duì)半導(dǎo)體激光器的熱管理、熱設(shè)計(jì)、封裝等技術(shù)提出了更高要求。表征巴條半導(dǎo)體激光器主要特性的參數(shù)有輸出功率、光譜寬度、波長(zhǎng)、近場(chǎng)非線性（smile效應(yīng)）、電光轉(zhuǎn)換效率、近場(chǎng)和遠(yuǎn)? ⑹倜取１疚姆治齪吞致哿擻跋旄吖β拾氳繼寮す餛靼吞跆匭圓問囊蛩兀縟裙芾懟⑽露炔瘓刃浴⑷扔α禿噶涎≡竦齲⒃詿嘶∩咸岢雋頌岣甙吞醢氳繼寮す餛饜閱艿牟唄院頭椒ā? 熱管理 熱管理對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器而言至關(guān)重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器大約50%的電能都轉(zhuǎn)換成熱量損耗掉了。熱管理直接影響激光器的結(jié)溫，結(jié)溫過高將顯著影響半導(dǎo)體激光器巴條的性能，如導(dǎo)致輸出功率下降、閾值電流增大、斜坡效率減? ⒙岱⑸⒔竊齟笠約笆倜醵痰取? 對(duì)于高功率單巴條半導(dǎo)體激光器，結(jié)溫由式（1）而得[1]其中Th為器件熱沉溫度、Rth為器件熱阻、V0為結(jié)偏壓、I為工作電流、Rs為串聯(lián)電阻、Po為輸出光功率。由上式可見，激光器的結(jié)溫主要由熱沉的溫度和器件本身的熱阻決定，其中熱沉溫度由激光器的使用條件決定。 半導(dǎo)體激光器的輸出功率與熱阻的關(guān)系和器件使用壽命與熱阻的關(guān)系分別為（2）和（3）式： 其中，ηd、Ith、T1、T0為室溫下器件的轉(zhuǎn)換效率、閾值電流、斜率特征溫度和閾值特征溫度，t為半導(dǎo)體激光器壽命，Ea為激活能（activation energy），K為波爾茲曼常數(shù)，Rth為半導(dǎo)體激光器的熱阻。由式（2）和式（3）可以看出，降低熱阻可以增加半導(dǎo)體激光器的輸出功率，提高可靠性。 半導(dǎo)體激光器的熱阻包括芯片的熱阻和封裝帶來的熱阻。有效的熱管理是提高器件性能的關(guān)鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界面熱阻和設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。熱阻的計(jì)算方法如下[2]： Rth=L/kA (4) 其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），A為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2），k為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）。 由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下途徑：一是選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳導(dǎo)距離或增大熱傳導(dǎo)通道截面積。基于此，可通過增加芯片腔長(zhǎng)（從1mm增加到2mm）和提高填充因子來減小熱阻。目前，2mm腔長(zhǎng)、50%填充因子的9xx nm巴條可以實(shí)現(xiàn)高可靠性連續(xù)波輸出150W。 貼片界面的熱阻主要受各貼片層存在的空洞影響。與相對(duì)完整的貼片層相比，貼片層的空洞大小和密度嚴(yán)重影響器件的熱阻[3]。圖1給出了封裝貼片層的完整性。可以通過優(yōu)化金屬層結(jié)構(gòu)以及采用無空洞貼片技術(shù)，來增加貼片界面的完整性，以減小貼片界面的熱阻，降低貼片層空洞。 圖1：貼片層完整性另外，不同的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)器件的熱阻影響不同。最常見的巴條封裝結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)冷卻型CS封裝和微通道液體制冷型封裝兩種。相對(duì)熱傳導(dǎo)封裝結(jié)構(gòu)，微通道液體制冷型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻明顯降低，利用此結(jié)構(gòu)封裝的激光器的輸出功率顯著高于傳導(dǎo)封裝的器件。對(duì)于808nm半導(dǎo)體激光器巴條，填充因子20%的芯片傳導(dǎo)冷卻封裝后的輸出功率可達(dá)60W；而填充因子75%的芯片采用微通道液體制冷封裝后的輸出功率可達(dá)到120W。 圖2(a)和(b)分別為西安矩光公司生產(chǎn)的808nm單巴條半導(dǎo)體激光器，傳導(dǎo)冷卻填充因子為20%，輸出功率為60W；液體冷卻填充因子75%，輸出功率可達(dá)120W。圖3為圖2（a）和（b）中單巴條半導(dǎo)體激光器的功率-電壓-電流和光譜特性曲線。 圖2：?jiǎn)伟蜅l半導(dǎo)體激光器 （a）傳導(dǎo)冷卻封裝 （b）液體制冷封裝 圖3：圖2（a）和（b）單巴條半導(dǎo)體激光器的功率-電壓-電流和光譜曲線由以上分析可見，要提高熱管理，需要從芯片、貼片工藝和封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面考慮：一是優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)、降低芯片熱阻；二是提高貼片工藝技術(shù)，進(jìn)行無空洞貼片封裝；三是優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，采用散熱效率高的封裝結(jié)構(gòu)。 溫度不均勻性 溫度的不均勻性對(duì)半導(dǎo)體激光器巴條性能有很大影響，將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條光譜展寬、近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不均勻和腔面損傷（COD）。 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨溫度有很明顯的變化，如808nm半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)隨節(jié)點(diǎn)溫度以0.28nm/°C的速率變化。當(dāng)半導(dǎo)體激光器芯片中每個(gè)發(fā)光單元的溫度分布不均勻時(shí)，每個(gè)發(fā)光單元發(fā)射的波長(zhǎng)就不同，就會(huì)引起激光器光譜展寬，如圖4所示，可能出現(xiàn)“雙峰”或“右肩膀”。 圖4：半導(dǎo)體激光器巴條光譜激光器巴條有源區(qū)每個(gè)發(fā)光單元溫度不均勻也會(huì)造成該發(fā)光區(qū)域的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不均，出現(xiàn)較大的波峰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致腔面損傷。