550 K高溫下激光器腔面溫度的影響研究

楊振強，賈華宇，孫元新，羅 飚

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030000； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074)

0 引 言

半導體激光器具有工作可靠性高的特點，在激光醫療、航空航天、材料加工和軍事等領域應用廣泛，隨著半導體技術的更新，半導體激光器的性能有了質的飛躍[1-3]。為了防止激光器腔面產生災變性光學損傷(Catastrophic Optical Damage，COD)，影響到激光器的使用壽命和轉換效率，有人提出在激光器腔面應用反射膜，使前后腔面的光功率比最大化，然而這不能滿足長期高溫工作下的場合。另外，耐高溫的隔熱結構具有較低的導熱系數、良好的可塑性和較小的漿料干燥收縮率特性[4-7]，所以在薄膜基礎上加入隔熱結構，會使腔面溫度更低，可對腔面起到更好的保護作用。

COD是指以更高的輸出功率驅動激光時，諧振腔內較高的光輻射會在腔面區域被吸收，導致腔面變熱，并引發“熱失控”發生腔面熔化的一種不可逆轉的腔面變性破壞。“熱失控”是指腔面溫度升高導致腔面的一些局部材料帶隙收縮，從而光子吸收快速加劇，這又促進了腔面溫度的進一步上升，形成一個正反饋的惡性循環，導致腔面溫度失控[8-9]。

器件在長期高溫下工作時，腔面溫度達到一個臨界值393.15～433.15 K(單位轉為℃為120～160 ℃)，超過臨界值就會導致繼發性COD[10]。為了提高器件高溫工作時的使用壽命，對激光器腔面實施保護措施的常用方法有蒸鍍鈍化膜和真空解理等[11]。本文選取Al2O3作為腔面鈍化膜，陶瓷隔熱作為隔熱結構，來對550 K高溫下工作時的激光器腔面實施保護。

1 激光器模型

在熱學理論中，根據能量守恒定律，一個系統里，能量關系滿足如下關系：

(1)

式中：Q為產生的總熱量；ΔU、ΔKE和ΔPE分別為系統的內能、動能和勢能。

對于系統中的傳熱問題，有：

(2)

通常考慮沒有做功，則系統做功總量W有：

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，有：

(4)

當整個系統達到熱穩定狀態時，系統流入的熱量等于流出的熱量，即

(5)

可推導得到：

(6)

式中：q為生熱率；t為溫度；U為流入的熱量。

在熱傳導問題中，一般研究的是溫度在空間中的分布，前人大量的研究表明，可以用熱傳導定律來描述溫度在空間中的分布，方程式如下：

(7)

式中：“-”表示溫度升高方向與熱量傳遞方向相反；ρ為研究對象的密度[12]；c為熱容，即當物質吸收熱量使溫度升高時，溫度每升高1 K所吸收的熱量；Δ為沿溫度上升方向；k為熱傳導系數；?為沿溫度下降方向；u為對流項中的外場因變量[13]；T為外界溫度；Q為源項，即熱流密度，表示研究對象所吸收的熱量。

當溫度梯度存在于系統中時，所帶的熱量通過高溫區域傳遞到低溫區域，整個過程既可以發生在物體相互接觸之間，也可以發生在兩個物體內部之間，熱傳導基本定律為

(8)

式中：λ為材料熱導率，Δλ為熱導率的相對變化；ΔT為溫度變化量。

對穩態分析即為q=-λΔT。

根據熱傳導設計的激光器簡化模型的平面結構如圖1所示，從上到下依次為熱沉、薄膜、隔熱結構、腔面和接觸層。利用Comsol Multiphysics 5.6軟件分析當外界溫度為550 K時腔面的溫度情況。

圖1 激光器的簡化模型

2 溫度分析

本文鍍膜材料是在SiO2、金剛石、Al2O3和TiO2中選擇的，實驗表明各種材料對腔面溫度的影響差異不大，考慮Al2O3的惰性比SiO2、金剛石及TiO2光學薄膜好，其化學性質和耐高溫耐腐蝕的物理性質更能適應長期高溫環境下的場合，所以選擇Al2O3作為鍍膜材料[14]。鍍至Al2O3膜時，可以采用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)或物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition，PVD)等方法進行制備。但由于軟件不能對制備過程進行仿真，所以在鍍至時還應根據實際情況做出最佳制備方案。陶瓷隔熱結構具有優化半波耦合器參數和使激光器具有最佳模式選擇性的特性，加入后不會使激光器腔面產生大的溫升，器件性能受到的負面影響也可以忽略[15]。加之陶瓷隔熱結構具有良好的保溫隔熱作用，而且價格低廉，仿真中，在550 K高溫下可以抑制激光器腔面處COD的產生，所以選擇陶瓷隔熱作為激光器腔面的隔熱結構。在進行陶瓷隔熱結構加工時，使用SiC、復合硅酸鹽及堿金屬化合物等材料混合，進行328.15～338.15 K的升溫，再進行攪拌冷卻。激光器腔面處鍍至陶瓷隔熱時，與鍍膜相似，可采用PVD方法。使用真空蒸鍍機盡管有著較高成本，但可以準確控制隔熱厚度，在要求高的場合中可以使用此方法。Comsol軟件仿真為實際制作奠定了一個良好的基礎。

確認好優化腔面材料后開始建立激光器簡化模型。大部分激光器的外延材料都是以二元材料GaAs為基礎的，物理場選擇固體傳熱，研究選擇穩態[16]。建立好模型后添加材料，材料屬性如表1所示。然后創建算子，計算每一層的平均溫度。在積分的設置中，選擇鍍膜層和隔熱結構層，對其進行積分。另外兩組分別對鍍膜層和隔熱結構層積分，無鍍膜和隔熱結構時移除積分欄。邊界溫度中，選擇熱沉頂部，這是550 K高溫下直接接觸的部分，溫度設定為550 K高溫。底部溫度設置為常溫308.1 K，所有其他邊界都完全絕熱。接下來是添加網格部分。在Comsol仿真有限元分析過程中，網格的劃分是最核心的部分，網格劃分越精確，計算結果越接近實際。對于常見的半導體激光器簡化模型，因為具有規則的形狀，可以采用自由網格劃分法結合掃描網絡劃分法。首先，使用自由三角形網格對頂面進行網格劃分，然后再通過整個長方體幾何的層中對其進行拉伸，使用分布節點指定域內要創建的網格層數，求解厚度為兩個單元的復合層。網格劃分數越多，模擬溫度和實際溫度越接近[17]。當網格劃分數在2萬以上時，溫度誤差相對變化值小于1 K，在工程所允許的誤差范圍內，能準確說明實質問題，在整個模型中，精確劃分顯得格外重要。添加網格后的模型如圖2所示。添加網格后，在主屏幕中單擊計算，可以得到各層的溫度分布，如圖3所示。

圖2 添加網格后的模型

表1 各層材料參數

圖3 各情況下的溫度分布圖

圖4中藍色直線為沿長方體高度創建的一條溫度曲線。選擇一維繪圖，線圖中選定左前方一條直線，如圖4中藍色部分所示，選定直線后進行設置顯示圖例，圖例列表中選擇手動，輸入溫度，選擇三維方法。使用薄層邊界條件能夠得到可靠結果，無論是否包含一維額外維度，二維方法得出的本體溫度結果都非常精確[18]。設定x和y軸標簽分別為高度(cm)和溫度(K)，單擊繪制后，就可以仿真出各層的溫度曲線，如圖5所示。

圖4 左前方直線

圖5 各情況下的溫度曲線圖

由圖可知，550 K高溫下，隔熱結構和鍍膜共同作用時的腔面溫度為370.20～388.25 K，隔熱結構單獨作用時的腔面溫度為401.62～413.31 K，鍍膜單獨作用時的腔面溫度為393.57～399.94 K，無隔熱結構和無鍍膜時的腔面溫度為398.45～416.76 K。由此可見，Al2O3膜和隔熱結構共同作用可將激光器的腔面溫度降至393.15 K以下，防止了COD的產生。

3 結束語

本文利用Comsol Multiphysics 5.6軟件建立了簡化的半導體激光器模型，添加的物理場為固體傳熱，研究設置為穩態，設置好各層材料的屬性，添加網格后計算了各層溫度分布。研究了半導體激光器腔面溫度特性，討論了鍍膜與隔熱結構對腔面溫度的影響，4組實驗結果表明，550 K高溫下，隔熱結構和鍍膜共同作用時的腔面溫度為370.20～388.25 K，隔熱結構單獨作用時的腔面溫度為401.62～413.31 K，鍍膜單獨作用時的腔面溫度為393.57～399.94 K，無隔熱結構和無鍍膜時的腔面溫度為398.45～416.76 K。可見，550 K高溫下，在激光器腔面處施加Al2O3薄膜和陶瓷隔熱結構能有效抑制COD的發生，提高激光器壽命。